恒温晶体振荡器的频率校准方法和系统

技术领域

本申请涉及晶体振荡器技术领域，特别是涉及一种恒温晶体振荡器的频率校准方法和系统。

背景技术

石英晶体振荡器的频率稳定度受温度的影响比较大，又衍生出精度更高的温补晶振和。恒温晶体振荡器的全称是恒温晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillator，简称：OCXO)，是利用恒温槽使晶体振荡器中石英晶体谐振器的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器。恒温晶体振荡器是由振荡器电路和恒温槽控制电路组成的。其频率一般采用10MHz居多，性价比高，恒温晶体振荡器的频率稳定度特性仅次于原子钟，甚至其在短期频率稳定度优于部分原子钟的性能，因此恒温晶体振荡器在时间频率以及通信等领域有着广阔的应用，比如说市面上常见的时间间隔计数器SR620，其内部的参考频率源就是采用了恒温晶体振荡器。

恒温晶体振荡器短期稳定度较好，一般在E-12的量级，好的恒温晶体振荡器的秒稳能进E-13量级，但是其长期稳定度特性不是太好，存在一定的时漂和老化特性，一般可以通过压控电压对其频率进行微调，也就是专业术语所说的恒温晶体振荡器校准技术。时钟校准技术一般根据输入源的不同而有所差异，但是最终控制的对象都是恒温晶体振荡器的压控电压。控制方法基本上都是基于图1所示的闭环系统，只是鉴频鉴相器的方式和输入电压的方式有所不同而已。如果是采用卫星校准或者外部1PPS+TOD校准，则可以采用恒温晶体振荡器分频出1PPS，与外部输入的1PPS进行比相，从而控制1PPS实现同频同相，该方法受制于1PPS的测量精度，同时也受制于DAC的输出精度和稳定性，目前时间间隔测量精度在皮秒的量级，DAC也能够达到20位的量化精度，因此短期频率稳定度校准在E-12量级。如果校准源为10MHz的参考频率信号，此时可以采用锁相环的方式，也就是使得恒温晶体振荡器的时钟跟随外部参考信号，但是此方法有一定的局限性，首先频率校准的性能受锁相环的特性影响，其次，如果外参考10MHz丢失的情况下，锁相环就会失锁，从而恒温晶体振荡器的输出就会出现跑偏。

目前的频率校准基本上采用锁相环的方式，不同的点主要在与鉴频鉴相器的方式与控制恒温晶体振荡器的控制方式不一样而已，不管采用1PPS+TOD这种模数混合的锁相环方式还是采用模拟锁相环的方式，都存在一定的局限性，比如说时间间隔测量(TDC)精度不够高，DAC精度不够高，PLL性能影响了整体指标，外部参考频率源丢失的时候出现失锁而跑偏的问题。因此这些方法不同程度受制于电子元器件的水平，因此如何采用一些常规的器件来实现高精度的频率校准是亟待解决的技术问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种恒温晶体振荡器的频率校准方法和系统。

一种恒温晶体振荡器的频率校准方法，所述方法包括：

采用欠采样技术对待校准恒温晶体振荡器和外参考频率信号进行模数采样，得到晶振频率信号和参考频率信号。

对所述晶振频率信号和所述参考频率信号分别进行数字下变频处理，并根据得到的下变频结果分别计算晶振频率信号和参考频率信号的连续相位值。

对晶振频率信号和参考频率信号的连续相位值进行比相，得到晶振频率信号和参考频率信号的相位差，并根据所述相位差计算频率差。

根据所述频率差和所述待校准恒温晶体振荡器的压控斜率，采用PID+PWM的控制策略控制数模转换器，生成压控电压；

将所述压控电压进行低通滤波后输入到所述待校准恒温晶体振荡器的压控端，实现对所述待校准恒温晶体振荡器的频率校准。

在其中一个实施例中，晶振频率信号的下变频结果包括：晶振频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果；参考频率信号的下变频结果包括：参考频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果。

对所述晶振频率信号和所述参考频率信号分别进行数字下变频处理，并根据得到的下变频结果分别计算晶振频率信号和参考频率信号的连续相位值，包括：

对所述晶振频率信号和所述参考频率信号分别进行数字下变频处理，得到晶振频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果、参考频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果。

根据晶振频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果，采用反正切方式进行检相，并对接检相结果进行相位解缠，得到晶振频率信号的连续相位值。

根据参考频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果，采用反正切方式进行检相，并对接检相结果进行相位解缠，得到晶振频率信号的连续相位值。

在其中一个实施例中，正弦载波和余弦载波是通过DDS方式生成的。

对所述晶振频率信号和所述参考频率信号分别进行数字下变频处理，并根据得到的下变频结果分别计算晶振频率信号和参考频率信号的连续相位值，步骤中数字下变频的具体步骤包括：

将所述晶振频率信号分别和正弦载波和余弦载波进行混频处理，并将得到的混频结果分别进行低通滤波，得到晶振频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果。

将所述参考频率信号分别和正弦载波和余弦载波进行混频处理，并将得到的混频结果分别进行低通滤波，得到参考频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果。

在其中一个实施例中，待校准恒温晶体振荡器和外参考频率信号的频率均为10MHz。

采用欠采样技术对待校准恒温晶体振荡器和外参考频率信号进行模数采样，得到晶振频率信号和参考频率信号，包括：

采用10.7MHz的采样频率对待校准恒温晶体振荡器和外参考频率信号进行采样，得到晶振频率信号和参考频率信号，所述晶振频率信号和参考频率信号的频率为700kHz。

在其中一个实施例中，根据所述频率差和所述待校准恒温晶体振荡器的压控斜率，采用PID+PWM的控制策略控制数模转换器，生成压控电压，包括：

根据所述频率差和所述待校准恒温晶体振荡器的压控斜率，得到压控电压的电压值。

根据所述压控电压的电压值，采用PID算法+PWM控制策略控制数模转换器，生成压控电压。

一种恒温晶体振荡器的频率校准系统，所述恒温晶体振荡器的频率校准系统包括：测量模块和控制模块。

所述测量模块包括：两条相位测量支路、比相模块以及数据处理模块，所述相位测量支路由依次连接的ADC模块、数字下变频模块、检相器以及相位解缠模块组成，所述ADC模块采用欠采样技术进行采样；所述检相器用于采用反正切方式进行检相。

两条相位测量支路中的ADC模块的输入端分别与待校准恒温晶体振荡器的输出端和外参考频率信号连接；两条相位测量支路中的相位解缠模块的输出端与所述比相模块的输入端连接，所述比相模块的输出端与数据处理模块的输入端连接；所述数据处理模块的输出端与所述控制模块的输入端连接，所述控制模块的输出端与待校准恒温晶体振荡器的压控端连接；

所述数据处理模块，用于根据比相模块输出的晶振频率信号与参考频率信号之间的相位差，计算晶振频率信号与参考频率信号的频率差。

所述控制模块，用于根据所述频率差和待校准恒温晶体振荡器的压控斜率，采用PID控制算法和PWM控制策略对数模转换器进行控制，生成压控电压，并压控电压进行低通滤波后传输至待校准恒温晶体振荡器的压控端。

进一步的，所述控制模块包括：PID+PWM控制模块、DAC模块、以及第一低通滤波器。

所述PID+PWM控制模块的输入端与所述数据处理模块的输出端连接，所述PID+PWM控制模块的输出端与所述DAC模块的输入端连接，所述DAC模块的输出端与所述第一低通滤波器的输入端连接，所述第一低通滤波器的输出端与所述待校准恒温晶体振荡器的压控端连接。

进一步的，两条所述相位测量支路中的ADC模块的采样频率为10.7MHz；所述待校准恒温晶体振荡器和所述外参考频率信号的频率为10MHz。

进一步的，两条所述相位测量支路中的ADC模块采样的晶振频率信号和参考频率信号的频率均为700kHz。

进一步的，数字下变频模块包括：第一混频器、第二混频器、第二低通滤波器和第三低通滤波器，

在第一个相位检测支路中，ADC模块的输出端和正弦载波与第一混频器的两个输入端连接，第一混频器的输出端与第二低通滤波器的输入端连接，所述第二低通滤波器的输出端与检相器的输入端连接。

在第二个相位检测支路中，ADC模块的输出端和余弦载波与第二混频器的两个输入端连接，所述第二混频器的输出端与第三低通滤波器的输入端连接，所述第三低通滤波器的输出端与检相器的输入端连接；其中所述正弦载波和所述余弦载波是通过DDS方式生成的。

上述恒温晶体振荡器的频率校准方法和系统，该方法采用欠采样技术对待校准恒温晶体振荡器和外参考频率信号进行模数采样，对采样得到的晶振频率信号和参考频率信号分别进行数字下变频处理，并根据得到的下变频结果分别计算晶振频率信号和参考频率信号的连续相位值；将晶振频率信号和参考频率信号的连续相位值进行比相，得到相位差，并根据相位差计算频率差；根据频率差和待校准恒温晶体振荡器的压控斜率，采用PID+PWM的控制策略控制数模转换器，生成压控电压；将所述压控电压进行低通滤波后输入到待校准恒温晶体振荡器的压控端，实现对待校准恒温晶体振荡器的频率校准。采用本方法进行提高了频率差测量精度，采用PWM控制策略对数模转换进行控制，提升了数模转换等效有效量化位数，提高了对恒温晶体振荡器的校准精度。

附图说明

图1为现有技术中常规的恒温晶体振荡器的频率校准方法原理图；

图2为一个实施例中恒温晶体振荡器的频率校准方法的流程示意图；

图3为一个实施例中恒温晶体振荡器的频率校准系统原理框图；

图4为另一个实施例中恒温晶体振荡器的频率校准系统原理框图；

图5为另一个实施例中数字下变频模块原理框图；

图6为另一个实施例中1e-12频差测量相位差结果；

图7为另一个实施例中1e-13频差测量相位差结果。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种恒温晶体振荡器的频率校准方法，该方法包括以下步骤：

步骤200：采用欠采样技术对待校准恒温晶体振荡器和外参考频率信号进行模数采样，得到晶振频率信号和参考频率信号。

具体的，欠采样过程中的采样频率信号可以采用外置普通晶振，因为本方法在模数采样之后采用了双混频时差法的处理原理，而双混频时差法对采样时钟要求并不高，在比相的时候时钟的误差正好可以抵消。欠采样过程中的采样频率信号也可以利用10M时钟利用DDS的方式生成10.7M的采样频率。欠采样过程中的采样频率信号可以采用上面两种方式产生的信号，但并不限于此两种方法。

采样频率信号小于2倍的最高采样频率。

步骤202：对晶振频率信号和参考频率信号分别进行数字下变频处理，并根据得到的下变频结果分别计算晶振频率信号和参考频率信号的连续相位值。

具体的，数字下变频处理的主要目的是经过数字混频将AD采集的中频(IF)数字信号频谱下变频到基带信号，然后完成抽取滤波恢复原始信号。

分频不能提高相位的分辨率，只有混频才能提高频率的分辨率。

步骤204：对晶振频率信号和参考频率信号的连续相位值进行比相，得到晶振频率信号和参考频率信号的相位差，并根据相位差计算频率差。

具体的，相位差也可以体现出频率差，相位差的斜率即为频率差，双混频时差法通过混频之后把10MHz的相位变化量体现在较低频率的维度，便于测量。

步骤206：根据频率差和待校准恒温晶体振荡器的压控斜率，采用PID+PWM的控制策略控制数模转换器，生成压控电压。

具体的，根据频率差和恒温晶体振荡器的压控斜率(恒温晶体振荡器本身参数)可以得到压控电压的电压值，根据该电压值在PID算法的基础上增加PWM控制策略来控制数模转换器(DAC)，生成压控电压。

对恒温晶体振荡器的电压控制是个随时间缓慢变化的量，一般来说对恒温晶体振荡器的控制采用1秒每次的控制频次，则PWM控制策略是解决在1秒以内的控制精度提升的方法，在1秒以内采用频率为1kHz的PWM波，PWM控制只针对DAC的最后1-2bits，也就是PWM波形是在计算的DAC输出的基础上叠加小幅的PWM信号，经过低通滤波后输出直流的精准调节值。

采用PID算法进行控制的原因：如果将压控电压直接输出给恒温晶体振荡器的压控端则存在一定的问题，因为测控都有一定的滞后性，如果直接控制则很难控制稳定，因此需要增加PID控制算法。

在PID算法的基础上增加PWM控制策略的原因：因为对于恒温晶体振荡器的压控电压的控制，对于数字化控制系统来说一般需要DAC输出控制电压，因此，对恒温晶体振荡器的控制精度取决于DAC的量化精度，但是实际上DAC的精度取决于所采用的器件水平，这里是存在一定的极限的，高精度DAC量化位数目前水平只能到20bits。由于DAC存在量化位数的问题，所以存在截断误差，而且对恒温晶体振荡器的电压控制是个随时间缓慢变化的量，因此在PID算法的基础上增加了PWM控制策略减少截断误差。

如果本方法选用16位的普通DAC，计算的输出给DAC的值应该是10000.123，则只有10000的值可以送给DAC，0.123则截断了，采用PWM的方式则10001与10000交替形成PWM波，10001的占空比是12.3％，则经过低通滤波后的输出电压就会趋近于实际的计算值，从而提升控制精度。PWM生成的时钟可以采用10MHz的恒温晶体振荡器的时钟，PWM的频率按照1kHz，则脉宽的分辨率可以达到万分之一，也就是说理论上DAC通过PWM控制后理论上在原有分辨率的基础上可以提升12位以上，理论量化位数能够达到28位以上，这样控制精度就会明显的提升。

步骤208：将压控电压进行低通滤波后输入到待校准恒温晶体振荡器的压控端，实现对待校准恒温晶体振荡器的频率校准。

上述恒温晶体振荡器的频率校准方法中，采用欠采样技术对待校准恒温晶体振荡器和外参考频率信号进行模数采样，对采样得到的晶振频率信号和参考频率信号分别进行数字下变频处理，并根据得到的下变频结果分别计算晶振频率信号和参考频率信号的连续相位值；将晶振频率信号和参考频率信号的连续相位值进行比相，得到相位差，并根据相位差计算频率差；根据频率差和待校准恒温晶体振荡器的压控斜率，采用PID+PWM的控制策略控制数模转换器，生成压控电压，并将压控电压进行低通滤波后输入到待校准恒温晶体振荡器的压控端，实现对待校准恒温晶体振荡器的频率校准。采用本方法进行提高了频率差测量精度，采用PWM控制策略对数模转换进行控制，提升了数模转换等效有效量化位数，提高了对恒温晶体振荡器的校准精度。

在其中一个实施例中，晶振频率信号的下变频结果包括：晶振频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果；参考频率信号的下变频结果包括：参考频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果；步骤202包括：对晶振频率信号和参考频率信号分别进行数字下变频处理，得到晶振频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果、参考频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果；根据晶振频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果，采用反正切方式进行检相，并对接检相结果进行相位解缠，得到晶振频率信号的连续相位值；根据参考频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果，采用反正切方式进行检相，并对接检相结果进行相位解缠，得到晶振频率信号的连续相位值。

在其中一个实施例中，正弦载波和余弦载波是通过DDS方式生成的；步骤202中数字下变频的具体步骤包括：将晶振频率信号分别和正弦载波和余弦载波进行混频处理，并将得到的混频结果分别进行低通滤波，得到晶振频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果；将参考频率信号分别和正弦载波和余弦载波进行混频处理，并将得到的混频结果分别进行低通滤波，得到参考频率信号的正弦数字下变频结果和余弦下变频结果。

在其中一个实施例中，待校准恒温晶体振荡器和外参考频率信号的频率均为10MHz；步骤200包括：采用10.7MHz的采样频率对待校准恒温晶体振荡器和外参考频率信号进行采样，得到晶振频率信号和参考频率信号，晶振频率信号和参考频率信号的频率为700kHz。

在其中一个实施例中，步骤206包括：根据频率差和待校准恒温晶体振荡器的压控斜率，得到压控电压的电压值；根据压控电压值的电压值采用PID算法和PWM控制策略控制数模转换器，生成压控电压。

具体的，根据频率差的测量结果经过计算得到恒温晶体振荡器的压控电压的电压值，压控电压值通过DAC输出给恒温晶体振荡器的频率微调控制端口(压控端)。但是DAC的量化位数是有限的，举例说对于5V压控电压的恒温晶体振荡器来说，16位的DAC的控制电压控制分辨率为76微伏，由此小于76微伏的小数部分就会被舍弃掉，PWM控制方法就是通过PWM的方式对DAC的最低位(如果最低位不是最小有效量化位数的话，则选择最小量化位，最小有效量化位后面的位数全部置零)进行PWM控制，DAC的高位不发生变化，最低位由1和0交替变化，频率可以固定(比如1kHz)，占空比由舍弃小数部分与DAC分辨率电压之比，该PWM数字信号经过DAC转换及低通滤波后的模拟电压更接近于实际的控制电压，该方法是间接提升DAC的等效分辨率的一种方法，通过该方法可以提高控制的精度。而PID算法则是常规的算法，因为测量和控制系统存在滞后性，因此在电压控制时要增加PID算法，该算法是增加控制的稳定性。因此通过PID+PWM控制方法可以提升控制系统的控制精度和控制稳定性。

应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图3所示，提供了一种恒温晶体振荡器的频率校准系统，恒温晶体振荡器的频率校准系统包括：测量模块10和控制模块20。

测量模块10包括：两条相位测量支路101、1个比相模块102以及1个数据处理模块103，相位测量支路由依次连接的ADC模块1011、数字下变频模块1012、检相器1013以及相位解缠模块1014组成，ADC模块1011采用欠采样技术进行采样；检相器1013用于采用反正切方式进行检相。

两条相位测量支路101中的ADC模块1011的输入端分别与待校准恒温晶体振荡器30的输出端和外参考频率信号连接；两条相位测量支路101中的相位解缠模块1014的输出端与比相模块102的输入端连接，比相模块102的输出端与数据处理模块103的输入端连接；数据处理模块103的输出端与控制模块20的输入端连接，控制模块20的输出端与待校准恒温晶体振荡器30的压控端连接。

数据处理模块103，用于根据比相模块102输出的晶振频率信号与参考频率信号之间的相位差，计算晶振频率信号与参考频率信号的频率差。

控制模块20，用于根据频率差和待校准恒温晶体振荡器30的压控斜率，采用PID控制算法和PWM控制策略对数模转换器进行控制，生成压控电压，并压控电压进行低通滤波后传输至待校准恒温晶体振荡器30的压控端。

进一步的，如图4所示，控制模块包括：PID+PWM控制模块、DAC模块、以及第一低通滤波器。

PID+PWM控制模块的输入端与数据处理模块的输出端连接，PID+PWM控制模块的输出端与DAC模块的输入端连接，DAC模块的输出端与第一低通滤波器的输入端连接，第一低通滤波器的输出端与待校准恒温晶体振荡器的压控端连接。

进一步的，两条相位测量支路中的ADC模块的采样频率为10.7MHz；待校准恒温晶体振荡器和外参考频率信号的频率为10MHz。

进一步的，两条相位测量支路中的ADC模块采样的晶振频率信号和参考频率信号的频率均为700kHz。

进一步的，如图5所示，数字下变频模块包括：第一混频器、第二混频器、第二低通滤波器和第三低通滤波器，

在第一个相位检测支路中，ADC模块的输出端和正弦载波与第一混频器的两个输入端连接，第一混频器的输出端与第二低通滤波器的输入端连接，第二低通滤波器的输出端与检相器的输入端连接。

在第二个相位检测支路中，ADC模块的输出端和余弦载波与第二混频器的两个输入端连接，第二混频器的输出端与第三低通滤波器的输入端连接，第三低通滤波器的输出端与检相器的输入端连接；其中正弦载波和余弦载波是通过DDS方式生成的。

在一个验证性实施例中，针对频率差的测量，构建一个测量系统，恒温晶体振荡器输出的信号其中一路送给相位微调器，相位微调器讲其频率调整1e-12/s(相对频率，相对于10MHz)与1e-13/s(相对频率，相对于10MHz)，将该频率改正后的信号和恒温晶体振荡器的另外一路信号接入本方案的测量系统，分别测量得到的相位差如图6与图7所示，图中横坐标为测量时常(测量时常为5秒)，纵坐标为两路输入信号之间的相位差(转换为时差，单位为s)，相位差的斜率即为频差，从曲线的变化趋势计算斜率和设定值是完全吻合的，如果对数据进行加滤波处理就可以得到在1e-13的频差基础上的测量结果误差在5％以内，测量精度高。

经过PWM方式校准恒温晶体振荡器与普通方式校准恒温晶体振荡器在秒稳定度上相比，存在一定的提升，采用16位DAC校准后频率准确度只能达到1E-11量级的准确度，经过16位DAC增加PWM方法后，频率准确度能够达到5e-13，性能提升一个数量级以上。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。