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晶振是种控制频率元件，在电路模块中提供频率脉冲信号源，在信号源传输的过程中晶振在电路配合下发出指令，通过与其他元件配合使用。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的石英晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

单片机工作时，是一条一条地从RoM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。—个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了12MHz石英晶振，它的时钟周期是1／12us，它的一个机器周期是12×(1／12)us，也就是1us。单片机中少不了石英贴片晶振的使用，那么关于单片机选择又有哪些窍门呢？

随着计算机和微电子技术的迅猛发展,单片机技术在各个行业得到了广泛的应用。由于单片机集成度高、体积小、功能强、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点,被广泛的应用在各种智能仪表、工业控制及家电控制领域。根据系统设计的要求,单片机是整个系统的控制和数据处理中心,需要丰富的lO资源实。

现点阵液晶显示并与FPGA等芯片进行数据传输;需要串口完成与PC机通信的功能;需要该单片机具有片上A/D(模数)转换功能配合FPGA芯片,石英贴片晶振完成时间间隔测量,还需要L/O口中断、串口中断和A/D转换完成中断等中断资源满足设计中的各种中断处理,而且系统还需要在单片机上实现 Kalman滤波等算法,需要芯片具有硬件乘法器,具有一定的数据处理能力综合以上要求选择TI公司的MSP430系列中的MSP430F247型单片机作为整个系统的控制部分。

MSP430系列中的MSP430F247型单片机采用的是“冯-诺依曼”结构,具有16位结构的CPU,采用RSC指令集,最高工作频率8M,片上集成了64K的 FLASH ROM和1K的RAM,通过JAG接口,可以方便的实现在线编程和调试,非常利于软件程序的调试。

这款单片机的特点有:

(1)具有丰富的I/O资源,六个8位的I/O端口,所有的o位都可以独立程,任何输入输出和中断条件的组合都是可以的,其中PI和P2口的8位都具中断能力,如串口接收、发送中断和A/D转换完成中断等,所以此款单片机的中断能力得到大大提高,符合此系统设计需要用到中断处理的要求;

(2)具有丰富的外围模块:8路12位的A/D输入可实现A/D转换的功个 USART串行接口可实现与PC机通信的功能.

(3)具有硬件乘法器,可以大大的提高对数据的处理能力,例如实现 Kalman滤波等算法。该的单片机功能齐全,完全可以满足系统设计的需求,而且还有利于系统进一步的扩展升级。

通过前面CEOB2B晶振所发表的文章中相信大家对GPS系统以及晶振在GPS中的应用有了更深的了解.我们知道GPS输出的1PPS信号具有很好的长期稳定性,但是短期稳定性却很差。利用GPS信号来定时估计出晶振输出频率的偏差,并实时地进行校准,就可以得到短期稳定性和长期稳定性都很好的频率标准。锁定后的晶体振荡器能输出高精度的频率信号,其短期稳定度能保持本地振荡器的水平,优于l×10-11/s,并能在本地被控振荡器上有效地复现接收的标准时间频率信号的长期稳定度和准确度,锁定状态下频率准确度优于5×10-11,日漂移率达到10-13量级。

根据系统需要开发成本低、安全可靠的设计原则,提出了系统的整体设计方案。整个系统由高稳定度有源晶振,恒温石英晶体振荡器、GPS接收机、时间间隔测量模块、微处理器模块、高分辨率DA转化及信号调理模块、分频模块和显示等部分构成, 在控制软件(包括FPGA、单片机两部分)的控制下协调工作,其组成框图如图

3.1所示

方案各模块功能介绍

1.GPS接收机模块:接收GPS信号,输出标准IPPS秒信号(一般含有干扰脉冲),所以直接使用此信号不合适,必须通过解码判断其有效性并进行处理,然后用于校准石英晶振。

2.时间间隔测量模块:测量GPS接收机输出的1PPS信号和OCXO分频产的1Hz秒信号的上升沿之间的时间间隔值,并把测量结果传送给数据处理模块, 考虑到精度问题,先把OCXO晶振倍频到100MHz再分频成1Hz。

3.数据处理模块:在GPS信号有效时,接收时间间隔测量模块传送的数据运用Kalman滤波算法对测量的时间间隔进行数字滤波,消除lPPS信号的抖动。具体实现取相隔采样周期τ的两个滤波后的时间间隔差值△T1和△T2,得到相位差△T=△T2-△T1,用比时法计算相对频差：

其中,f6为被校准石英晶体振荡器的标称频率,Δf为石英晶体振荡器的测量频率与标称频率的差值。计算出频率4f后,根据OCXO的压控灵敏度系数K计算被校石英晶体振荡器控制电压的数字量,再通过高精度的D/A转换得出石英晶体振荡器的控制电压(控制电压U=U+Δf/K),达到校正晶体振荡器输出频率的目的。经过多次测量和控制,最终把石英晶体振荡器的准确度和稳定度都锁定在GPS卫星星载钟上。

同时, 系统还有自动记录功能,把校正数据,根据接收传感器组和辅助时钟模块发送的时间和温度等信息,把校正数据和与之对应的时间、温度等信息保存起来,GPS信号有效时,通过相应的算法分离出温度、老化等因素对石英贴片晶振的影响,如果检测到GPS信号失效后,结合采集到的实时温度和时间信息,利用失效前得到的预测模型,计算出老化和温度各自对输出频率的影响量,然后合成输出校正量来继续校准恒温晶振,使石英晶体振荡器能继续保持一定的精度。同时控制LCD的显示。

4.高分辨率D/A转换及信号调理模块:接收数据处理模块发送的控制数据, 将其转化为模拟控制电压,并通过相应的信号调理电路,使模拟电压的范围符合OCXO晶振的电压压控范围。

5.分频控制模块:将输入的经过校正后的原始频率信号进行分频,产生用于测量和同步输出的秒脉冲,并可以控制输出秒脉冲的脉冲宽度。

6.传感器组和辅助时钟模块:采集对OCXO晶振输出频率精确度有一定影响的温度和老化时间等信息,并传输给数据处理模块,为分离出温度、老化的影响提供相应的数据。

2017年可以说是黑科技和智能化的大爆炸，各种黑科技智能产品层出不穷，就如同雨后春笋一般蹭蹭直往外冒，生长速度也是快的惊人。其中智能手机市场前进的脚步可以说是最快的，如果说2017年的火车站刷脸进站可以说是智能黑科技，那么智能手机新增加的3D人脸立体识别就可以说是黑科技中的黑科技了。智能手机不仅在2017实现了各种新黑科技的增加，在年销量中也是比上一年增长了一大截，小米也实现了它的一个亿的小目标。

GPS介绍及恒温晶体振荡器OCXO模型建设

导航星全球定位系统 NAVSTAR/GPS Global Navigation Satellite Timing and Ranging Positioning System/Global Positioning System,简称GPS)是一个全新体制的定位定时系统,是可供全球共享的具有很高应用价值的空间信息资源,已经成为目前世界上应用范围最广、实用性最强的全球精密授时、测距和导航定位系统.

如图2.1所示。

GPS系统组成:全球定位系统(GPS)出3个部分组成:卫星星座,地面控制/监视网络和用户接收设备,也称其为空间部分、地面支撑系统、用户设备部分。

空间部分:空间为GPS卫星星座,由24颗GPS导航星组成(其中21颗工作3颗备均匀配置在6个与赤道夹角为55°的近圆形轨道上,轨道夹角为60°,这些卫星发播的信号能覆盖全球各个角落。这样可以保证全球任何地方的用户能在任何时刻观测到5~8颗GPS卫星,这些卫星工作在两种频率下:1575.42MHz和1227.6MHLz,卫星上均有遥测遥感天线,用于与地面监控系统通讯,每颗卫星都带有两台小型铯或氢原子钟(稳定度达2×10-13~1×10-14)、微型计算机、电文存储器和数据接收与发射设备,并且由太阳能电池及后备镉镍电池提供电源。

地面测控部分:由五个地面监测站、数据注入站和一个主控站组成。主控站位于科罗拉多州的联合空间执行中心,三个注入站分别设在大西洋的阿松森岛、印度洋的狄哥·伽西亚和太平洋的卡瓦加兰,五个监控站设在主控站、三个注入站和夏威夷岛,其示意图如图2.2。

主控站昼夜不停地自动分析处理来自个监测站地数据,编算出每个卫星的星历和GPS时间系统,将预测的卫星星历、钟差以及状态数据,然后把这些修正数据传送到数据注入站,由注入站再把修正数据分别发送递给相应的卫星。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离,必要时调度卫星,让备用卫星取代失效的工作卫星。

五个监测站的主要任务是对每个卫星进行观测,并向主控站提供观测数据。每个监控站配有GPS接收机(这里对于石英晶振应用的要求就高了),对每个卫星进行常年连续不断的测量,每6秒进行一次伪距测量和多普勒观测、采集气象要素等数据。监测站是一个无人值守的数据采集中心,受主控站的控制,定时将观测的数据传送到主控站。五个监控站分布在全球范围,保证了GPS精密定轨的要求。对卫星的监视加注,每天至少要进行一次。通过这样的加注办法来补偿卫星钟的步调差和信号传播(GPS贴片晶振)过程中的变化,使卫星钟与GPS主钟之间保持精密的同步。

使用传统AT切割晶体封装方法的音叉石英晶振亦能以4.1毫米×1.5毫米、3.2毫米×1.5毫米及2毫米×1.2毫米这样的小尺寸供货。目前主要的目标是将这类石英音叉的厚度推向0.4毫米或更薄，以供轻薄型产品使用。预计在几年后，即会出现需要更小尺寸石英晶体(1.6毫米×1毫米及1毫米×0.8毫米)的应用，而石英晶体制造商正对此进行相应准备。

对石英晶体振荡器的锁定技术国内外已经展开了相关的研究,并且也已经有了些相应的产品。在国外,瑞士的 Special Time等公司都实现了利用卫星信号来锁定级频标的技术,并且将晶振分频得到的秒信号和GPS输出的1PPS信号同步起来,同步精度达到了15ns。对于二级频标的驯服保持技术,虽然有单位曾经做过研究,但是技术不成熟,因此没有推广。

由于近年来二级频标的大范围使用,为了节省成本并达到高稳定度和准确度的要求,加拿大的北方电信就此技术已经初步进行了研究。国内对于卫星信号锁定二级频标的技术已经有相关单位从事这方面的开发工作,但二级频标的精密驯服保持技术还处于起步阶段。

曾祥君曾提出采用高精度石英晶振对GPS时钟进行实时监测,建立了GPS时钟误差的测量模型,给出了一种高精度时钟的产生方法,同时他还提出用晶振信号同步GPS信号产生高精度时钟的一元二次回归数学模型,有效消除了GPS时钟信号的随机误差和晶振的累计误差,这对实际应用有很好的指导意义。国内外还利用相同的原理实现了基于GPS的铷钟的驯服。

例如,北京跟踪与通信技术研究所就实现了铷钟的自适应驯服,并且驯服时间更短, 精度更高;在国外, Juliano tibo narciso等人对数字和模拟两种方法实现的驯服晶振的性能进行了比较,结果表明模拟方法有更好的电气特性,但是电路复杂, 而数字化方法(PGA: Field Programmable Gate Array)实现简单,成本也比较低cha- Lung Cheng等提出了使用实时动态神经网络小波预测滤波器来消除大气延时,通过基于神经网络模型的预测控制器输出差值数字信号,经D/A转换来驯服石英晶振,贴片晶振的方法,但是实现复杂度很高。

英国的PTS公司生产出了基于GPS驯服铷钟的频率标准,结合DDS实现了输出频率在1μHz到80MHz的范围内可调。另外,美国的一家公司也开发出了相应的产品,型号为PRS10,其基准可以在GPS和其他高精度频率源之间进行切换。

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当离子枪使用时间过长使离子枪内部积碳、操作员在清扫真空腔时有异物掉入离子枪内、或因为离子枪冷却不良都会造成离子枪出力不稳定,使不良品数量增加。例如,如图4-1l1所示,当离子枪工作正常,出力稳定时,离子枪的实际刻蚀速度(设备根据设定的各参数计算出离子枪beam电压、放电电流并供给离子枪。离子枪在获得这些电压、电流后实际输出的离于束,对石英晶振晶片刻蚀的速度。

当离子枪工作不正常时,实际工作电压、电流也会与计算值产生很大偏差,因此就不能获得相应电流密度的离子束,使得刻蚀速度发生变化)等于设定的速度时,设备根据加工前测定的频率和设定的刻蚀速度计算出的加工时间与实际需要加工的时间相等,经过该时间的加工后可以达到目标频率。当离子枪的实际刻蚀速度大于设定的速度时,则计算出的加工时间大于实际需要加工的时间,此时,经过该时间的加工后,频率必然大于目标频率,而产生F+不良。

离子枪出力不稳定的处理方法

在实际生产中,离子枪的工作状态会逐渐变差。因此操作员遇到少量不良品的出现,不会意识到离子枪已发生异常,而是调整一些参数继续生产,直到出现大量不良品,通过调整参数也无法进行生产时才联系维修人员进行修理和保养。这样,不但会使离子枪长期处于不安定的状态,而且经常出现不良品。为此,本文通过前面的理论知识,利用公式(4.2)和(4.3)针对A品种的石英贴片晶振制作了一个简单的程序,界面如图4-12。

face="新宋体">当操作元将制品放入设备中共，开始刻蚀加工时，只要输入设备仪表上的监控电压和电流,就可以知道现在的离子束刻蚀速度。只要与设定的刻蚀速度比较一下,当两速度相差较大时,便可知道离子枪已工作在不安定状态,应及时联系维修人员进行维修或保养。这样可以避免大量不良品的发生。

快时代的今天网络通信是不可缺少的，卫星网络的全面覆盖不仅使得信息更快速的传达交流，还诞生了各式各样的为人们提供生活方便快捷的网络平台，支付宝微信的盛行使得无现金快捷支付成为可能，淘宝美团滴滴打车更让大家衣食住行显得更加方便快捷提供方便。而在卫星网络通信中晶振又是不可缺少的重要功臣，在声表面谐振器与声表面滤波器等SAW声表面波器件还未诞生前，陶瓷滤波器是主要的网络通信用晶振，但陶瓷滤波器存在着各种弊端，而这些弊端随着科学技术的发展显得更加突兀不足，因此科学家们往更高的晶振领域探索，声表面波器件也因此开始一步步进入科技领域。

石英晶振离子刻蚀频率微调方法

图4-1是基于石英晶振离子刻蚀技术的频率微调示意图,离子刻蚀频率微调方法,当照射面积小于2~3mm2,在beam电压低于100V以下就可获得接近10mA/cm2的高电流密度的离子束,离子束的刻蚀速度在宽范围內可进行调节。图中采用的是小型热阴极PIG型离子枪,放电气体使用Ar,流量很小只需035cc/min。在:圆筒状的阳极周围安装永久磁石,使得在轴方向加上了磁场这样的磁控管就变成了离子透镜,可以对离子束进行聚焦。热阴极磁控管放电后得到的高密度等离子,在遮蔽钼片和加速钼片之间加高达1200V高压后被引出。并且可以通过对热阴极的控制调整等离子的速度。

用离子束照射石英晶振的电极膜,通过溅射刻蚀使得频率上升米进行频率微调。

在调整时,通过π回路使用网络分析仪对石英晶振的频率进行监控,当达到目标频率后就停止刻蚀,调整结束。

因为石英晶振与π回路之间用电容连接,离子束的正电荷无法流到GND而积聚在石英晶片上,使石英晶振晶片带正电荷。其结果不仅会使频率微调速度降低,而且使石英晶片不发振,无法对石英晶振的频率进行监控和调整。为此,必须采用中和器对石英贴片晶振晶振片上的正电荷进行中和。

在进行离子刻蚀频率调整时,离子束对一个制品进行刻蚀所需的时间为1~2秒, 而等待的时间约2秒,等待时间包括对制品的搬送和频率的测量时间。在等待时间中, 是将挡板关闭的。如果在这段时间内,离子枪继续有离子束引|出,则0.5mm厚的不锈钢挡板将很快被穿孔而报废。为此,在等待时间内,必须停止离子枪的离子束引出。

可以用高压继电器切断离子枪的各电源,除保留离子枪的放电电源(可维持离子枪的放电稳定)。这样,在等待时间没有离子束的刻蚀,使挡板的使用寿命大大增长。同是,出于高压继电器的动作速度很快,动作时间比机械式挡板的动作时间少很多,所以调整精度也可得到提高。

石英晶振中有有源晶振和无源晶振之分，并且有源晶振不仅在外观尺寸上表现的多样化，在功能运用上也是复杂多样的。都知道有源晶体振荡器比无源石英晶体精准度高，温度稳定性强不易发生频飘等现象。且石英晶体振荡器大多是四个脚位以上采用金属外封装的，一般情况下在有源晶振表面都有一个小圆点，这个小圆点对应的脚位被称为脚一，而其他脚位命名则从1脚开始按顺时针方向命名区分。

face="新宋体">在前面的文章中我们介绍了石英晶振的由来,工作原理,以及晶振频率的微调研究,离子束加工原理等技术资料,接下来CEOB2B晶振平台要给大家介绍的是晶振离子束刻蚀设备.

离子束刻蚀需要使用适当的电压和电流将某种气体电离成离子,然后对其进行聚焦和加速,使之形成高能的离子束对工件进行加工。这些过程在大气压状态是无法完成的,所以离子刻蚀加工必须在高真空环境中进行。为此石英晶振离子束刻蚀设备必须包括真空腔和排气系统。此外,为了产生高能离子束还必须有离子源以及控制离子源的电源系统。最后,根据加工的石英贴片晶振和目的不同,还需要配备不同的监测系统和控制系统。

3.3.1离子

离子源也称离子枪,是产生高能离子束的装置。因此,离子源是这个离子刻蚀设备的核心。离子源的工作状态决定着整个石英晶振晶体设备的工作效率和刻蚀精度。并且,在不同的应用中,离子源的种类也各不相同。为此,在实际应用中,一般用以下参数来衡量离子源的性能：

1.束流强度和束流密度。离了束的离子流的大小称为束流强度,用Ⅰ表示。离子束的单位面积上的离子流大小称为束流密度,用J表示。当离子束的横截面是S,则: I=JS。当其他因素不变时,束流强度或束流密度增大时,离子刻蚀的能力就增大。

2.离子束的尺寸和张角。离了束的尺是指离子束直径的大小。离子束的张角则是指当使用的宽离子束是汇聚束或发散束时的收敛角或发散角。或者细直径离子束的束救角。

3.气体利用率。也就是气体输入离子源后,经过电离、聚焦和加速后能成为有效离子的百分比。

4.功率和效率。效率是指高子源输出的高能离子束的能量与输入离子源的能量的比。在石英晶振,石英晶体振荡器实际应用中,为了提高能源的利用率,必须尽可能的提高离子源的效率。

5.离子源的运行特性。运行特性用于衡量离子源工作的稳定性和可靠性。保证设备能够安定的生产。

3.3.2工作腔

真空腔的大小要适中或者将真空腔分为加工室和准备室,加工室一直保持高真空。这样可以减轻真空泵的负担减少抽真空所需的时间。另外,在真空腔中需安装摆放石英晶体,贴片晶振等工件的工作台。工作台的移动可以通过马达或R0B0T控制,以便调整离子束与工件的位置。当马达在真空腔外时,还必须保证转动轴的真空密封性。避免由于转动轴处发生空气泄露,破坏加工的真空环境,影响晶振加工的品质。同时空气泄露后会加重真空泵的负担,如果是湿泵还容易加速真空油的劣化,缩短真空泵的使用寿命:工作台和离子源按不同应用可以分别配备水冷循环系统,对工件与离子源进行降温,以保证石英晶振的品质与离子源的出力稳定。最后,真空腔还应有一个观察窗口,以便观察加工的情况。

3.3.3排气系统

排气系统一般分两段对真空腔进行排气,先用油旋转泵等低真空泵排气,使真空度达到0Pa左右,然后用油扩散泵等高真空泵排气,使得真空腔达到各种加工所要求的高真空度。一般情况下,真空腔的本底真空度应高于103Pa,这样可以避免真空腔内混入过多的其他气体分子和水蒸气,这些气体分子和水蒸气不仅对离子源出力的稳定产生影响,还会污染石英贴片晶振工件,降低产品品质。此外在使用油扩散泵时,还必须在泵前加装冷凝阱防止油蒸汽付真空腔的污染。

3.4离子束刻蚀的应用

离子束蚀具有多项优点:入射离子的方向性很强,刻蚀分辨率高,能刻蚀任何材料,一次能刻蚀多层材料,刻蚀在高真空中进行,刻蚀过程不易受污染。因此被广泛应用于电子工业、生物医疔等行业中.

首先,出于离子束刻蚀具有上述优点,在电子工业中特别适合于对半导体元件的引线制作和图形刻蚀,以及石英晶振晶片的减薄加工。其次,在生物医疗应用中,可以将人造器官的表面刻蚀成特定的结构,使人体的组织在其表面容易生长。另外,在电子显微镜和做表面分析用的试样制备中,出于离子束刻蚀使用物理的撞击效应和溅射效应,并且分辨率高容易控制,因此可以制成无化学污染的高质量的试样。

要说现在科技社会最火热的还是电子科技产品，不仅热销更新换代的速度也是令人咂舌，这里面缺不了晶振这类电子元器件的助阵，但也正是这些火热的电子科技产品才使得目前全球整个的晶振市场沸腾翻涌。当然不要只以为独有进口晶振在那里一枝独秀，国产晶振近些年也是快马加鞭迎赶着科技高速发展的好时机，国内众多晶振厂家不断崛起，一些晶振厂家不仅自己生产石英晶振等，还得到了其他全球知名晶振品牌的青睐取得了相应的产品代理权限。

石英晶振频率微调国内外研究现状

石英晶体元器件的生产从晶片的切割到成品包装。在整个工艺流程中,以下几个工序主要影响着产品的频率。

1.晶振晶片的制作,根据目标频率制作出相应切割方位、尺寸的晶片。

2.在晶片表面镀敷导电电极层(根据要求可以镀银或金)。

3.通过微量增厚或减薄镀层的厚度,进行频率的微调。

国内外在石英晶体元器件生产过程中使用的频率微调方法主要有蒸发频率微调技术,喷射频率微调技术,激光刻蚀频率微调技术,离子刻蚀频率微调技术

如图1-1所示,蒸发频率微调技术是石英晶体元器件加工中出现最早的微调技术。是在真空状态下,对装有蒸发材料(银)的钨制料舟进行加热,使银气化沉积在石英晶体表面而达到频率微调的目的。因为此技术频率偏差大,效率低,原料消耗大,国内外的使用在逐渐减少。

如图1-2所示,喷射频率微调技术是蒸发频率微调技术的改进型。是在真空状态下,对装有蒸发材料(银)钼盒进行加热,使银气化后从钼盒的孔中喷出,沉积在石英晶振晶体表面而达到频率微调的目的。因为此技术易于实现,相应的设备简单,成本低,频率偏移不是很大。因此目前国内外使用较多。

如图1-3所示,激光刻蚀频率微调技术是将激光发生器产生的激光照射石英贴片晶振晶体表面的电极层,使其气化而达到减薄电极层的膜厚度,从而达到调整频率的目的。因其精度高,速度快而被广泛的应用于石英晶体元器件的生产中。

虽然激光刻蚀频率微调技术精度高,加工质量稳定,生产效率高,但是激光频率微调后石英晶振晶片表面并不是均匀一致的,而是凸凹不平的。因此,并不适用于所有的石英晶体的频率调整,特别是AT系列产品。为此20世纪80年代末期开始,出现了关于离子東刻蚀频率微调技术的研究,经过多年的发展,国内外有些厂商已开始应用。如图1-4所示,离子束刻蚀频率微调技术是将离子发生器产生的离子加速后轰击晶片表面,使晶片表面的电极层脱落,减薄电极层膜厚,从而达到调整频率的目的.