一種低功耗馴服恒溫晶振的設(shè)計(jì)

羅畢鋒，羅畢錕

(電子科技大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 611731)

0引言

目前雷達(dá)測(cè)量、空間通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、電子對(duì)抗等行業(yè)越來(lái)越受到重視，對(duì)電子系統(tǒng)的性能的要求也越來(lái)越高。而這些系統(tǒng)都是利用信號(hào)的頻率和相位信息來(lái)完成其功能。并且隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展特別是5G通信技術(shù)的發(fā)展，電子通信系統(tǒng)對(duì)頻率參考源的電性能指標(biāo)提出了更高的要求[1-2]。

恒溫晶體振蕩器是電子通信系統(tǒng)的核心器件，為系統(tǒng)提供時(shí)間頻率參考信號(hào)，而晶振的頻率準(zhǔn)確度，則是恒溫晶振的核心指標(biāo)之一。頻率準(zhǔn)確度代表了晶振輸出頻率的精度，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間頻率準(zhǔn)確性有著至關(guān)重要的作用[3]。而晶振作為系統(tǒng)的一個(gè)元器件，功耗指標(biāo)同樣是一項(xiàng)相當(dāng)重要的指標(biāo)。

本文通過(guò)建立理論模型，利用Matlab進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的方法，指導(dǎo)實(shí)際電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試，在傳統(tǒng)恒溫晶振的內(nèi)部，增加馴服鎖相印制板，并通過(guò)應(yīng)用RTOS來(lái)減小晶振的實(shí)際功耗，最終設(shè)計(jì)了一種標(biāo)稱頻率為10 MHz的低功耗馴服恒溫晶振。

1 理論設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

馴服恒溫晶振的核心就是晶振的馴服，晶振馴服就是通過(guò)鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。鎖相環(huán)是一種能夠跟蹤輸入信號(hào)相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、時(shí)鐘同步、倍頻、頻率綜合等領(lǐng)域。它根據(jù)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的相位差來(lái)調(diào)整壓控振蕩器的輸出頻率，達(dá)到輸入信號(hào)頻率和輸出信號(hào)頻率相等，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)保持恒定的相位差，從而達(dá)到鎖定的目的。

該帶馴服恒溫晶振的整體理論框圖如圖1所示。鎖相環(huán)為PID控制系統(tǒng)，故對(duì)馴服晶振設(shè)計(jì)前，先需對(duì)該馴服PID進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

圖1 馴服恒溫晶振的整體理論

1.2 馴服 PID的設(shè)計(jì)

PID的基本原理如圖2所示。

常見(jiàn)的數(shù)字PID控制方法有位置式和增量式，位置式PID算法每次輸出與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要用到過(guò)去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累積誤差；而增量式PID只需計(jì)算增量，當(dāng)存在計(jì)算誤差或精度不足時(shí)，對(duì)控制量計(jì)算的影響較小。

所以本設(shè)計(jì)采用了增量型PID控制算法，該算法數(shù)學(xué)模型如下：

Δy(n)=y(n)-y(n-1)=KP(e(i)-e(i-1))+KIe(n)+KD(e(i)-2e(i-1)+e(i-2))

(1)

圖2 PID基本原理

在本設(shè)計(jì)中，由于每次調(diào)節(jié)后OCXO都需要一定的時(shí)間使其輸出頻率穩(wěn)定下來(lái)，即對(duì)它的控制具有較大的滯后性，并且由于對(duì)輸出頻率的調(diào)節(jié)精度和相位噪聲指標(biāo)要求較高，所以每次頻率的拉動(dòng)幅度不宜過(guò)大，并且拉動(dòng)周期相應(yīng)要長(zhǎng)，即KP和KI不能過(guò)大，而KD可以相應(yīng)的增大[4]。

1.3 基于Matlab的馴服PID仿真

繼續(xù)利用Matlab對(duì)馴服PID控制設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3 馴服PID控制設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

如圖3所示，通過(guò)該種馴服PID控制設(shè)計(jì)，系統(tǒng)對(duì)輸出的信號(hào)有非常明顯的收斂效果，可以清晰地發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的相位差可以快速地拉近并保持，可以讓晶振的頻率準(zhǔn)確度大幅提高。

2 低功耗馴服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于在整個(gè)時(shí)間頻率系統(tǒng)中，晶振為核心元器件，而作為元器件，功耗是至關(guān)重要的一項(xiàng)核心指標(biāo)，而該設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)恒溫晶振的基礎(chǔ)上，增加了馴服控制的功能，故功耗勢(shì)必比傳統(tǒng)恒溫晶振有所增加。

為盡可能降低該設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)恒溫晶振在功耗差距，在硬件設(shè)計(jì)上，采用了極低功耗的單片機(jī)來(lái)對(duì)整個(gè)馴服系統(tǒng)進(jìn)行控制。

并在軟件設(shè)計(jì)上，利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real-time Operating System， RTOS)可多任務(wù)運(yùn)行，并在當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，能夠接收并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)控制生產(chǎn)過(guò)程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行以及RTOS可多級(jí)中斷、具有優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制等的特性。將傳統(tǒng)的嵌入式C語(yǔ)言代碼，運(yùn)行在RTOS上，可以盡可能地降低對(duì)內(nèi)存的占用率以及盡可能地提升對(duì)CPU的利用率，從而提升整個(gè)馴服系統(tǒng)的效率，以此來(lái)盡可能地降低馴服系統(tǒng)的功耗，從而降低馴服晶振整體的功耗，以期盡可能地縮小該設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)恒溫晶振在功耗差距。

同時(shí)，在使用RTOS后，使馴服系統(tǒng)的應(yīng)用程序分成了多個(gè)程序模塊，從而實(shí)現(xiàn)模塊化，因此應(yīng)用程序?qū)⒏子谠O(shè)計(jì)和維護(hù)。

整體低功耗馴服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖4所示[5]。

圖4 低功耗馴服系統(tǒng)

3 實(shí)物設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與測(cè)試

將以上的設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)物生產(chǎn)，產(chǎn)品封裝尺寸為50 mm×50 mm×20 mm，信號(hào)由標(biāo)準(zhǔn)SMA-K輸入和輸出，如圖5所示。

圖5 馴服恒溫晶振實(shí)物

該型晶振的恒溫晶振部分并未進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)，在現(xiàn)有成熟設(shè)計(jì)恒溫晶振的基礎(chǔ)上，在傳統(tǒng)恒溫晶振外，再加入馴服鎖相印制板，對(duì)原有晶振進(jìn)行馴服，再予以輸出。對(duì)原有成熟設(shè)計(jì)恒溫晶振的頻率準(zhǔn)確度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，原有成熟設(shè)計(jì)傳統(tǒng)恒溫晶振的頻率準(zhǔn)確度為≤5E-8量級(jí)，屬于普通恒溫晶振的正常水平。

圖6 不帶馴服的恒溫晶振頻率準(zhǔn)確度測(cè)試

然后對(duì)該型低功耗馴服恒溫晶振的頻率準(zhǔn)確度進(jìn)行測(cè)試，由于晶振在馴服后，頻率準(zhǔn)確度很高，所以普通頻率計(jì)的測(cè)量精度不足，故選擇采用XHTF3596K型多路頻標(biāo)測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，該型低功耗馴服恒溫晶振的頻率準(zhǔn)確度，在馴服150 min后，達(dá)到≤5E-12量級(jí)，與圖6相比，對(duì)晶振的頻率準(zhǔn)確度有較大的改善。

隨后對(duì)該低功耗馴服晶振、采用相同硬件設(shè)計(jì)但未采用RTOS的馴服晶振，以及原有成熟設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)恒溫晶振進(jìn)行了功耗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖7 低功耗馴服的恒溫晶振頻率準(zhǔn)確度測(cè)試

表1 晶振功耗測(cè)試結(jié)果

由表1可知，在開(kāi)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，不論是基于RTOS的馴服晶振，還是未采用RTOS的馴服晶振的功耗，都高于傳統(tǒng)不帶馴服的恒溫晶振，但在晶振馴服穩(wěn)定后，基于RTOS馴服晶振的功耗會(huì)明顯低于未采用RTOS的馴服晶振，且基于RTOS馴服晶振在穩(wěn)定后的功耗，與傳統(tǒng)不帶馴服的恒溫晶振的穩(wěn)定功耗僅相差約0.01 W，差距很小，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

從本文設(shè)計(jì)的一種低功耗馴服恒溫晶振的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，該型晶振的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期研制目的，頻率準(zhǔn)確度對(duì)比傳統(tǒng)恒溫晶振有著較大改善，且利用RTOS降低功耗，可以滿足無(wú)線基站、通信設(shè)備、時(shí)間基準(zhǔn)、導(dǎo)航系統(tǒng)等對(duì)晶振高頻率準(zhǔn)確度以及低功耗的要求，有著較好的應(yīng)用前景。