基于比時法的晶振頻率測量建模與分析

　　0 引言

　　石英晶體振蕩器受制造工藝、器件老化以及外部溫度等因素影響，其實際頻率值與標稱頻率值存在偏差。此外，晶體振蕩器內部存在著各種噪聲也會使頻率值產(chǎn)生隨機起伏，從而導致晶振頻率的準確度和穩(wěn)定度降低。當前，國內外在研究晶體振蕩器的老化和隨機噪聲、分析晶振頻率誤差特性方面提出了很多方法，比較常見的有時間對數(shù)線性模型法、自適應濾波法及非線性時變預測法。前兩種方法的缺點是參數(shù)較多，選擇合適的參數(shù)較難，非線性時變預測法的模型描述能力強，但由于沒有函數(shù)參數(shù)的顯式表達式，不能將模型求解歸結為參數(shù)求解問題，一般通過學習來逼近該函數(shù)，主要用于頻率變化的預測。

　　在上述方法的基礎上，本文利用CPLD設計了一種電路，該電路采用比時法來測量晶振頻率變化，并根據(jù)其頻率隨時間變化擬合曲線的特點，用線性回歸法分析其頻率誤差特性。該方法模型簡單，參數(shù)易于估計，可通過簡潔的補償方法消除晶振相對頻偏，具有實際的應用價值。

　　1 晶振頻率測量系統(tǒng)組成

　　測量系統(tǒng)由GPS接收機、晶振、時差測量模塊、時鐘產(chǎn)生模塊、計算機數(shù)據(jù)采集處理組成。組成原理如圖1所示。

　　GPS接收機每秒輸出1路TTL電平的標準秒脈沖(1 PPS)，晶振是時差測量和時鐘產(chǎn)生的頻率源。時鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生本地秒脈沖。時差測量電路測量GPS秒脈沖與本地秒脈沖的相位差值。

　　采用比時法測量晶振頻率的系統(tǒng)工作原理如下：首先由晶振分頻得到本地的1 Hz頻率源，將GPS秒脈沖與本地晶振秒脈沖送入時差測量模塊進行相位比較，得到兩者的相位差信號，設計時間間隔計數(shù)器對此相差閘門信號計數(shù)，計數(shù)值即為晶振頻率相對于標準頻率的偏差，反映了晶振頻率的誤差特征。時間間隔計數(shù)器每秒測量一次兩者的偏差值，需要測量的頻差數(shù)據(jù)量由計算機設定，測量結果傳送到計算機進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并對晶振頻率誤差特性進行分析。本地時鐘產(chǎn)生、時差測量及數(shù)據(jù)采集電路模塊等都由CPLD設計實現(xiàn)。