打造一颗高端的石英晶体振荡器技艺相当繁杂,而且涉及多种技术,不仅要求车间无尘安全化,过程中也要非常小心,因为晶振本来就是一种非常微小,而且相对脆弱的电子元器件,多方面的因素,都有可能导致其不能振荡或停止振荡,本次主要讲述的是有源晶体的PID控制器具体实现.
  在本系统中,由于每次调节后恒温晶振都需要一定的时间使其输出频率稳定下来,即对它的控制具有较大的滞后性,并且由于对输出频率的调节精度和相位噪声指标要求较高,所以每次频率的拉动幅度不宜过大,并且拉动周期相应要长, 即KP,K1和KD不宜过大,KD相应要大。通过实验,我们确定了合适的KP、K1和KD, 使得控制频度和幅度对OCXO的短期稳定度影响很小。
  在实际应用中,标准PID算法存在饱和效应,其原因是控制变量u(k)受到执行元件机械和物理性能的约束而只能在有限范围内进行有效控制,即

因此如果由微处理器给出的控制量u(k)在上述范围内,那么控制可以按预期的结果进行。一旦超出了上述范围,那么实际执行的控制量就不再是计算值,由此将引起不期望的效应。这里采用遇限削弱积分法和积分分离法,流程图如图4.14所示。遇限削弱积分法在计算u(k)时先判断u(k-1)是否超出了预设的范围,如果超出,根据偏差的正负判断是否加入积分累计,其中Umax和Umin是根据实际情况确定的DA输出的上、下限。当控制变量超出了饱和上限时,e(k)≤0则加入积分环节;当控制变量超出了饱和下限时,e(k)≥0则加入积分环节。积分分离法根据偏差的大小决定是否加入积分环节,即|e(k)|≥ε时采用PD控制,p(k)≤时采用PID控制,在具体实现上,按照实际控制晶振精度的要求和控制量的大小选择了合适的积分阈值ε和饱和上下限值, ε值要选取合适,过大不能达到积分分离的作用,过小不能消除静差。

如图4.14所示,Kn=0时表示不加入积分环节,Kn=K1时加入积分环节。为了增强PID控制的抗干扰性,在输入偏差发生迅速变化时,为了防止出现过大的控制量,可以增加一个前置滤波器,如指数滤波器。
  因为 Kalman滤波器对噪声有很好的抑制作用,而PID控制器对输入信号也有很好的跟踪能力,通过一段时间的控制后可以使得输入与输出的稳态误差为0,所以可以将 Kalman滤波器和PD控制器结合使用9。即经 Kalman滤波器处理后的数据接入PID控制器后再进行DA转化,用输出电压校正石英晶振,这样可以改善系统的性能。图4.15和图416分别是经过 Kalman后加有PID控制和没有加PID制的波形图。

图4.16中出现较大的过冲,称之为振铃现象,这是由图4.l5中的“野值”引起的,但是系统又在较短的时间内达到稳态,即相对频差趋于零,可以明显看到, 采用了 Kalman滤波后的PID控制系统更加平稳,更快的跟踪输入信号的相位。