羅畢鋒，羅畢錕

(電子科技大學 自動化工程學院，成都 611731)

0引言

目前雷達測量、空間通信、衛(wèi)星導航、電子對抗等行業(yè)越來越受到重視，對電子系統(tǒng)的性能的要求也越來越高。而這些系統(tǒng)都是利用信號的頻率和相位信息來完成其功能。并且隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展特別是5G通信技術的發(fā)展，電子通信系統(tǒng)對頻率參考源的電性能指標提出了更高的要求[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)提供時間頻率參考信號，而晶振的頻率準確度，則是恒溫晶振的核心指標之一。頻率準確度代表了晶振輸出頻率的精度，對整個系統(tǒng)的時間頻率準確性有著至關重要的作用[3]。而晶振作為系統(tǒng)的一個元器件，功耗指標同樣是一項相當重要的指標。

本文通過建立理論模型，利用Matlab進行仿真設計的方法，指導實際電路的設計和調(diào)試，在傳統(tǒng)恒溫晶振的內(nèi)部，增加馴服鎖相印制板，并通過應用RTOS來減小晶振的實際功耗，最終設計了一種標稱頻率為10 MHz的低功耗馴服恒溫晶振。

1 理論設計

1.1 整體設計

馴服恒溫晶振的核心就是晶振的馴服，晶振馴服就是通過鎖相環(huán)來實現(xiàn)的。鎖相環(huán)是一種能夠跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，廣泛應用于信號處理、時鐘同步、倍頻、頻率綜合等領域。它根據(jù)輸入信號和反饋信號的相位差來調(diào)整壓控振蕩器的輸出頻率，達到輸入信號頻率和輸出信號頻率相等，輸入信號和輸出信號保持恒定的相位差，從而達到鎖定的目的。

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)，故對馴服晶振設計前，先需對該馴服PID進行相應的設計。

圖1 馴服恒溫晶振的整體理論

1.2 馴服 PID的設計

PID的基本原理如圖2所示。

常見的數(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過去狀態(tài)有關，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累積誤差；而增量式PID只需計算增量，當存在計算誤差或精度不足時，對控制量計算的影響較小。

所以本設計采用了增量型PID控制算法，該算法數(shù)學模型如下：

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

在本設計中，由于每次調(diào)節(jié)后OCXO都需要一定的時間使其輸出頻率穩(wěn)定下來，即對它的控制具有較大的滯后性，并且由于對輸出頻率的調(diào)節(jié)精度和相位噪聲指標要求較高，所以每次頻率的拉動幅度不宜過大，并且拉動周期相應要長，即KP和KI不能過大，而KD可以相應的增大[4]。

1.3 基于Matlab的馴服PID仿真

繼續(xù)利用Matlab對馴服PID控制設計進行仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3 馴服PID控制設計仿真結(jié)果

如圖3所示，通過該種馴服PID控制設計，系統(tǒng)對輸出的信號有非常明顯的收斂效果，可以清晰地發(fā)現(xiàn)輸出信號與標準時間的相位差可以快速地拉近并保持，可以讓晶振的頻率準確度大幅提高。

2 低功耗馴服系統(tǒng)的設計

由于在整個時間頻率系統(tǒng)中，晶振為核心元器件，而作為元器件，功耗是至關重要的一項核心指標，而該設計在傳統(tǒng)恒溫晶振的基礎上，增加了馴服控制的功能，故功耗勢必比傳統(tǒng)恒溫晶振有所增加。

為盡可能降低該設計與傳統(tǒng)恒溫晶振在功耗差距，在硬件設計上，采用了極低功耗的單片機來對整個馴服系統(tǒng)進行控制。

并在軟件設計上，利用實時操作系統(tǒng)(Real-time Operating System， RTOS)可多任務運行，并在當外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，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)定的時間之內(nèi)控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應，并控制所有實時任務協(xié)調(diào)一致運行以及RTOS可多級中斷、具有優(yōu)先級調(diào)度機制等的特性。將傳統(tǒng)的嵌入式C語言代碼，運行在RTOS上，可以盡可能地降低對內(nèi)存的占用率以及盡可能地提升對CPU的利用率，從而提升整個馴服系統(tǒng)的效率，以此來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計與傳統(tǒng)恒溫晶振在功耗差距。

同時，在使用RTOS后，使馴服系統(tǒng)的應用程序分成了多個程序模塊，從而實現(xiàn)模塊化，因此應用程序?qū)⒏子谠O計和維護。

整體低功耗馴服系統(tǒng)的設計如圖4所示[5]。

圖4 低功耗馴服系統(tǒng)

3 實物設計、生產(chǎn)與測試

將以上的設計進行了實物生產(chǎn)，產(chǎn)品封裝尺寸為50 mm×50 mm×20 mm，信號由標準SMA-K輸入和輸出，如圖5所示。

圖5 馴服恒溫晶振實物

該型晶振的恒溫晶振部分并未進行重新設計，采用現(xiàn)有的成熟技術，在現(xiàn)有成熟設計恒溫晶振的基礎上，在傳統(tǒng)恒溫晶振外，再加入馴服鎖相印制板，對原有晶振進行馴服，再予以輸出。對原有成熟設計恒溫晶振的頻率準確度進行了測試，測試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，原有成熟設計傳統(tǒng)恒溫晶振的頻率準確度為≤5E-8量級，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確度測試

然后對該型低功耗馴服恒溫晶振的頻率準確度進行測試，由于晶振在馴服后，頻率準確度很高，所以普通頻率計的測量精度不足，故選擇采用XHTF3596K型多路頻標測試儀進行測試，測試結(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確度，在馴服150 min后，達到≤5E-12量級，與圖6相比，對晶振的頻率準確度有較大的改善。

隨后對該低功耗馴服晶振、采用相同硬件設計但未采用RTOS的馴服晶振，以及原有成熟設計的傳統(tǒng)恒溫晶振進行了功耗測試，測試結(jié)果如表1所示。

圖7 低功耗馴服的恒溫晶振頻率準確度測試

表1 晶振功耗測試結(jié)果

由表1可知，在開機啟動時，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，實現(xiàn)了設計目標。

4 結(jié)語

從本文設計的一種低功耗馴服恒溫晶振的測試數(shù)據(jù)可以看出，該型晶振的各項指標達到預期研制目的，頻率準確度對比傳統(tǒng)恒溫晶振有著較大改善，且利用RTOS降低功耗，可以滿足無線基站、通信設備、時間基準、導航系統(tǒng)等對晶振高頻率準確度以及低功耗的要求，有著較好的應用前景。