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罗毕锋，罗毕锟
(电子科技大学 自动化工程学院，成都 611731)
0引言
目前雷达测量、空间通信、卫星导航、电子对抗等行业越来越受到重视，对电子系统的性能的要求也越来越高。而这些系统都是利用信号的频率和相位信息来完成其功能。并且随着现代通信技术的发展特别是5G通信技术的发展，电子通信系统对频率参考源的电性能指标提出了更高的要求[1-2]。
恒温晶体振荡器是电子通信系统的核心器件，为系统提供时间频率参考信号，而晶振的频率准确度，则是恒温晶振的核心指标之一。频率准确度代表了晶振输出频率的精度，对整个系统的时间频率准确性有着至关重要的作用[3]。而晶振作为系统的一个元器件，功耗指标同样是一项相当重要的指标。
本文通过建立理论模型，利用Matlab进行仿真设计的方法，指导实际电路的设计和调试，在传统恒温晶振的内部，增加驯服锁相印制板，并通过应用RTOS来减小晶振的实际功耗，最终设计了一种标称频率为10 MHz的低功耗驯服恒温晶振。
1.1 整体设计
驯服恒温晶振的核心就是晶振的驯服，晶振驯服就是通过锁相环来实现的。锁相环是一种能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统，广泛应用于信号处理、时钟同步、倍频、频率综合等领域。它根据输入信号和反馈信号的相位差来调整压控振荡器的输出频率，达到输入信号频率和输出信号频率相等，输入信号和输出信号保持恒定的相位差，从而达到锁定的目的。
该带驯服恒温晶振的整体理论框图如图1所示。锁相环为PID控制系统，故对驯服晶振设计前，先需对该驯服PID进行相应的设计。
图1 驯服恒温晶振的整体理论
1.2 驯服 PID的设计
PID的基本原理如图2所示。
常见的数字PID控制方法有位置式和增量式，位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积误差；
而增量式PID只需计算增量，当存在计算误差或精度不足时，对控制量计算的影响较小。
所以本设计采用了增量型PID控制算法，该算法数学模型如下：
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)
图2 PID基本原理
在本设计中，由于每次调节后OCXO都需要一定的时间使其输出频率稳定下来，即对它的控制具有较大的滞后性，并且由于对输出频率的调节精度和相位噪声指标要求较高，所以每次频率的拉动幅度不宜过大，并且拉动周期相应要长，即KP和KI不能过大，而KD可以相应的增大[4]。
1.3 基于Matlab的驯服PID仿真
继续利用Matlab对驯服PID控制设计进行仿真，结果如图3所示。
图3 驯服PID控制设计仿真结果
如图3所示，通过该种驯服PID控制设计，系统对输出的信号有非常明显的收敛效果，可以清晰地发现输出信号与标准时间的相位差可以快速地拉近并保持，可以让晶振的频率准确度大幅提高。
由于在整个时间频率系统中，晶振为核心元器件，而作为元器件，功耗是至关重要的一项核心指标，而该设计在传统恒温晶振的基础上，增加了驯服控制的功能，故功耗势必比传统恒温晶振有所增加。
为尽可能降低该设计与传统恒温晶振在功耗差距，在硬件设计上，采用了极低功耗的单片机来对整个驯服系统进行控制。
并在软件设计上，利用实时操作系统(Real-time Operating System， RTOS)可多任务运行，并在当外界事件或数据产生时，能够接收并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内控制生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行以及RTOS可多级中断、具有优先级调度机制等的特性。将传统的嵌入式C语言代码，运行在RTOS上，可以尽可能地降低对内存的占用率以及尽可能地提升对CPU的利用率，从而提升整个驯服系统的效率，以此来尽可能地降低驯服系统的功耗，从而降低驯服晶振整体的功耗，以期尽可能地缩小该设计与传统恒温晶振在功耗差距。
同时，在使用RTOS后，使驯服系统的应用程序分成了多个程序模块，从而实现模块化，因此应用程序将更易于设计和维护。
整体低功耗驯服系统的设计如图4所示[5]。
图4 低功耗驯服系统
将以上的设计进行了实物生产，产品封装尺寸为50 mm×50 mm×20 mm，信号由标准SMA-K输入和输出，如图5所示。
图5 驯服恒温晶振实物
该型晶振的恒温晶振部分并未进行重新设计，采用现有的成熟技术，在现有成熟设计恒温晶振的基础上，在传统恒温晶振外，再加入驯服锁相印制板，对原有晶振进行驯服，再予以输出。对原有成熟设计恒温晶振的频率准确度进行了测试，测试结果如图6所示。
由图6可知，原有成熟设计传统恒温晶振的频率准确度为≤5E-8量级，属于普通恒温晶振的正常水平。
图6 不带驯服的恒温晶振频率准确度测试
然后对该型低功耗驯服恒温晶振的频率准确度进行测试，由于晶振在驯服后，频率准确度很高，所以普通频率计的测量精度不足，故选择采用XHTF3596K型多路频标测试仪进行测试，测试结果如图7所示。
由图7可知，该型低功耗驯服恒温晶振的频率准确度，在驯服150 min后，达到≤5E-12量级，与图6相比，对晶振的频率准确度有较大的改善。
随后对该低功耗驯服晶振、采用相同硬件设计但未采用RTOS的驯服晶振，以及原有成熟设计的传统恒温晶振进行了功耗测试，测试结果如表1所示。
图7 低功耗驯服的恒温晶振频率准确度测试
表1 晶振功耗测试结果
由表1可知，在开机启动时，不论是基于RTOS的驯服晶振，还是未采用RTOS的驯服晶振的功耗，都高于传统不带驯服的恒温晶振，但在晶振驯服稳定后，基于RTOS驯服晶振的功耗会明显低于未采用RTOS的驯服晶振，且基于RTOS驯服晶振在稳定后的功耗，与传统不带驯服的恒温晶振的稳定功耗仅相差约0.01 W，差距很小，实现了设计目标。
从本文设计的一种低功耗驯服恒温晶振的测试数据可以看出，该型晶振的各项指标达到预期研制目的，频率准确度对比传统恒温晶振有着较大改善，且利用RTOS降低功耗，可以满足无线基站、通信设备、时间基准、导航系统等对晶振高频率准确度以及低功耗的要求，有着较好的应用前景。
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