自校准晶体振荡器设计理论与方法

The frequency stability and accuracy of the crystal oscillator are the core of the time-frequency reference. The accuracy of the frequency is affected by the aging drift, which limits its independence of precision application. The change of the phase shift at both ends of the crystal resonator reflects the change of the crystal resonance parameter and also reflects the change of the output frequency of the crystal oscillator. Through the study of the phase shift characteristics of the crystal resonator at both ends, the relationship between the crystal resonance parameters and the phase shift, this project proposed a new compensation technology of the crystal resonator aging. According to the cumulative change characteristics of the phase shift at the both ends of the crystal resonator without the need of an external reference, this project study the crystal resonator’ aging compensation technology and self-calibration method which will improve the accuracy of crystal oscillator by at least an order of magnitude. At the same time, study the characteristics and phenomena of the transient phase-shift of the crystal oscillator in the 100 ns-us range and use the method of delay self-feedback, the transient stability of the crystal oscillator is obtained. Based on the change rule of 1/τ in the phase-locked frequency stabilization, the overall frequency stability curve will down, and then the frequency stability of crystal oscillator can also be. This method will fill the gap of crystal oscillator aging compensation high-precision technology internationally and provide a new technology for improving the oscillator stability.

晶体振荡器的频率稳定度和准确度是时频基准的关键。由于存在老化现象，晶体振荡器的频率准确度受到影响，限制了其精密应用的独立性。晶体谐振器两端相移的变化，不仅是晶体谐振参数变化的直接反映，也反映了晶体振荡器输出频率的变化。本项目通过对晶体谐振器两端相移变化特性的研究，分析晶体谐振参数和相移变化的关系，提出了一种新的晶体振荡器老化补偿技术。在不需外接校准源的情况下，根据谐振器两端相移的累积变化特性，研究晶体振荡器的老化补偿自校准方法，使得晶体振荡器的准确度提高至少一个量级，同时，对晶体振荡器在100ns-µs范围内输出瞬态相移的特性进行研究，采取振荡器的延迟自反馈比对技术，获得晶体振荡器的瞬态稳定特性。按照锁相稳频处理的1/τ变化规律，频率稳定度曲线将会整体下移，从而实现晶体振荡器频率稳定度整体特性的改善。这将填补国际晶体振荡器老化补偿高精度技术方面的空白，并为振荡器稳定度提升提供新的技术。

晶体振荡器作为时间基准广泛应用于通信、导航、授时、精密仪器等多个高科技领域。然而晶体振荡器随着工作时间的增加或温度的变化，其输出频率会发生缓慢地漂移，无法独立应用在授时、守时等要求高精度的领域。因此，晶体振荡器漂移补偿问题成为了当前国际时频领域的研究热点。本项目通过研究晶体谐振器两端的相移变化特性，提出了一种新的晶体振荡器自校准补偿技术，实现了晶体振荡器的自校准补偿。. 谐振器的谐振参数变化会导致相移的累积变化，与阻抗角之间存在复杂的反正切关系，晶体谐振器谐振参数的变化同时也使得晶振的输出频率发生变化，两者之间呈现近似的二次函数关系，从而能够推导出晶体谐振器相移累积变化量与输出频率的数学关系。在阻抗角变化非常小的时候，两者的关系可等效为简单的线性数学模型。利用数字化线性相位比对方法进行鉴相处理，通过实验数据分析对转换系数进行整定，并采用自反馈处理，研制了晶体振荡器自校准补偿控制实验平台，实现了对晶体振荡器频率漂移的改善。晶体振荡器的日老化从1.46E-9提高到8.35E-11量级，3天老化控制在1.85E-10，验证了该理论的正确性，后经过对多种晶振进行反复实验，晶体振荡器的频率准确度均可提高至少一个数量级。该技术填补了国际上在晶体振荡器老化补偿高精度技术方面的空白，为晶体振荡器稳定度的提升提供了新的方法。