高加速度下的時鐘源管理

引言

在高加速度環(huán)境下，由于石英晶體振蕩器本身的機械特性，它在100000g的情況下，自身就有損壞的可能。而硅振蕩器啟動一致和快速，不像RC電路那樣易受到性能欠佳問題的阻擾。標準的硅片制造和組裝技術意味著，硅振蕩器本身不受沖擊和震動影響，也沒有磨損問題。

為了降低晶振的加速度敏感度，已經(jīng)開展了大量的研究工作，提出了各種改進和補償?shù)姆椒?，概括起來分為兩類：無源法和有源法。

無源法有選用新切型晶體、改進品體結(jié)構(gòu)安裝和加工工藝、雙晶體配對，以及振動隔離措施等。有源法是將振動效應通過傳感器、放大器反饋到振蕩電路或晶體上去，包括控制變?nèi)莨苎a償法和控制晶體極化效應補償法，還有通過單片機控制其電壓來調(diào)節(jié)晶振的頻率。而以上這些方法普遍存在系統(tǒng)復雜、實現(xiàn)困難、限制嚴格等弊端，無法普及推廣。

為此，提出采用硅振蕩器和晶振在高加速度下轉(zhuǎn)換的方法實現(xiàn)兩種振蕩器優(yōu)勢互補，采用頻率合成的方法給出轉(zhuǎn)換的條件，并通過實驗來驗證其可行性。

1 實驗原理

選用的晶體振蕩器與硅振蕩器的數(shù)學模型為：

u1(t)=U1cos(w1t+θ1) (1)

u2(t)=U2cos(w2t+θ2) (2)

通過鎖相環(huán)和低通濾波器后的輸出為：

當u1(t)和u2(t)的相位差為0時，(w2-w1)t+(θ2-θ1)為0，此時的uo(t)的幅值為最大。而要讓u1(t)和u2(t)能平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，則要保證它們的相位差為，即使uo(t)的幅值為時開始轉(zhuǎn)換，此時選用電壓比較器來控制。

2 轉(zhuǎn)換電路設計

先將uo(t)接正極，接負極，作為電壓比較器的兩個輸入。當uo(t)大于時，輸出C為0，反之則為1。外部榆測信號C是否為0，若為0，則外部信號G給一個上升沿信號作為切換允許的條件，并停止檢測C的狀態(tài)，此時選擇硅振蕩器為輸出時鐘。選擇器的選擇信號S由D觸發(fā)器來產(chǎn)生，其中D觸發(fā)器的邏輯關系為當C為0、G為上升沿時輸出Q為Q’，當C為1、G為上升沿時輸出Q為Q，所以D觸發(fā)器的輸人為C’Q’+CQ。轉(zhuǎn)換框圖如圖1所示。


3 實驗結(jié)果與分析

通過電路設計在示波器上觀察其輸出結(jié)果，如圖2～圖4所示。

圖2為晶振的模擬通道和數(shù)字通道的對比圖。圖3為在頻率合成圖幅值是之間硅振蕩器和晶振的相位對比圖。圖4為總體波形圖，包括頻率合成圖、硅振蕩器輸出圖和晶振的邏輯分析輸出圖。

從圖3中可以清晰地看出，在范圍之內(nèi)相位差是比較小的，上升沿的轉(zhuǎn)換是可以一致的。而在范圍之外相位差就比較大了，上升沿與下降沿相對應，轉(zhuǎn)換會有跳變，不能實現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。通過平穩(wěn)轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換跳變不明顯，示波器上沒有明顯的跳變反應。

4 結(jié)論

通過實驗得出的波形與理論相符，在平穩(wěn)轉(zhuǎn)換條件下能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，這為下一步在高加速度條件下實現(xiàn)時鐘的精度校準提供了可行依據(jù)，也為其他的諸如單片機芯片不同頻率下的轉(zhuǎn)換提供了實驗依據(jù)和簡易方法。