基于比时法的晶振频率测量建模与分析

　　0 引言

　　石英晶体振荡器受制造工艺、器件老化以及外部温度等因素影响，其实际频率值与标称频率值存在偏差。此外，晶体振荡器内部存在着各种噪声也会使频率值产生随机起伏，从而导致晶振频率的准确度和稳定度降低。当前，国内外在研究晶体振荡器的老化和随机噪声、分析晶振频率误差特性方面提出了很多方法，比较常见的有时间对数线性模型法、自适应滤波法及非线性时变预测法。前两种方法的缺点是参数较多，选择合适的参数较难，非线性时变预测法的模型描述能力强，但由于没有函数参数的显式表达式，不能将模型求解归结为参数求解问题，一般通过学习来逼近该函数，主要用于频率变化的预测。

　　在上述方法的基础上，本文利用CPLD设计了一种电路，该电路采用比时法来测量晶振频率变化，并根据其频率随时间变化拟合曲线的特点，用线性回归法分析其频率误差特性。该方法模型简单，参数易于估计，可通过简洁的补偿方法消除晶振相对频偏，具有实际的应用价值。

　　1 晶振频率测量系统组成

　　测量系统由GPS接收机、晶振、时差测量模块、时钟产生模块、计算机数据采集处理组成。组成原理如图1所示。

　　GPS接收机每秒输出1路TTL电平的标准秒脉冲(1 PPS)，晶振是时差测量和时钟产生的频率源。时钟产生电路产生本地秒脉冲。时差测量电路测量GPS秒脉冲与本地秒脉冲的相位差值。

　　采用比时法测量晶振频率的系统工作原理如下：首先由晶振分频得到本地的1 Hz频率源，将GPS秒脉冲与本地晶振秒脉冲送入时差测量模块进行相位比较，得到两者的相位差信号，设计时间间隔计数器对此相差闸门信号计数，计数值即为晶振频率相对于标准频率的偏差，反映了晶振频率的误差特征。时间间隔计数器每秒测量一次两者的偏差值，需要测量的频差数据量由计算机设定，测量结果传送到计算机进行数据统计，并对晶振频率误差特性进行分析。本地时钟产生、时差测量及数据采集电路模块等都由CPLD设计实现。