高加速度下的時(shí)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(dòng)一致和快速，不像RC電路那樣易受到性能欠佳問(wèn)題的阻擾。標準的硅片制造和組裝技術(shù)意味著(zhù)，硅振蕩器本身不受沖擊和震動(dòng)影響，也沒(méi)有磨損問(wèn)題。

為了降低晶振的加速度敏感度，已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，提出了各種改進(jìn)和補償的方法，概括起來(lái)分為兩類(lèi)：無(wú)源法和有源法。

無(wú)源法有選用新切型晶體、改進(jìn)品體結構安裝和加工工藝、雙晶體配對，以及振動(dòng)隔離措施等。有源法是將振動(dòng)效應通過(guò)傳感器、放大器反饋到振蕩電路或晶體上去，包括控制變容管補償法和控制晶體極化效應補償法，還有通過(guò)單片機控制其電壓來(lái)調節晶振的頻率。而以上這些方法普遍存在系統復雜、實(shí)現困難、限制嚴格等弊端，無(wú)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換的方法實(shí)現兩種振蕩器優(yōu)勢互補，采用頻率合成的方法給出轉換的條件，并通過(guò)實(shí)驗來(lái)驗證其可行性。

1 實(shí)驗原理

選用的晶體振蕩器與硅振蕩器的數學(xué)模型為：

u1(t)=U1cos(w1t+θ1) (1)

u2(t)=U2cos(w2t+θ2) (2)

通過(guò)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(shí)，(w2-w1)t+(θ2-θ1)為0，此時(shí)的uo(t)的幅值為最大。而要讓u1(t)和u2(t)能平穩轉換，則要保證它們的相位差為，即使uo(t)的幅值為時(shí)開(kāi)始轉換，此時(shí)選用電壓比較器來(lái)控制。

2 轉換電路設計

先將uo(t)接正極，接負極，作為電壓比較器的兩個(gè)輸入。當uo(t)大于時(shí)，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(gè)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(shí)選擇硅振蕩器為輸出時(shí)鐘。選擇器的選擇信號S由D觸發(fā)器來(lái)產(chǎn)生，其中D觸發(fā)器的邏輯關(guān)系為當C為0、G為上升沿時(shí)輸出Q為Q’，當C為1、G為上升沿時(shí)輸出Q為Q，所以D觸發(fā)器的輸人為C’Q’+CQ。轉換框圖如圖1所示。


3 實(shí)驗結果與分析

通過(guò)電路設計在示波器上觀(guān)察其輸出結果，如圖2～圖4所示。

圖2為晶振的模擬通道和數字通道的對比圖。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，在范圍之內相位差是比較小的，上升沿的轉換是可以一致的。而在范圍之外相位差就比較大了，上升沿與下降沿相對應，轉換會(huì )有跳變，不能實(shí)現平穩轉換。通過(guò)平穩轉換電路實(shí)現的轉換跳變不明顯，示波器上沒(méi)有明顯的跳變反應。

4 結論

通過(guò)實(shí)驗得出的波形與理論相符，在平穩轉換條件下能夠實(shí)現穩定轉換，這為下一步在高加速度條件下實(shí)現時(shí)鐘的精度校準提供了可行依據，也為其他的諸如單片機芯片不同頻率下的轉換提供了實(shí)驗依據和簡(jiǎn)易方法。