現在國內的經濟水平普通升高,大部分人都可以購買汽車,加上咱們中國是汽車進出口大國,每年的汽車銷量都在大幅度增長,也促進了與汽車相關的產業,和周邊行業的進步與發展.用于汽車身上的電子沒有上千也有幾百,單是石英晶振就用到30~50顆左右,而且大部分都是高性能,耐高溫,低功耗等成本比較高的晶體或振蕩器.車載GPS導航定位系統,是汽車最重要的設備之一,基本上開車都是靠導航,因此用于車載GPS模塊的晶振精準性要求非常高,TCXO晶振是必定會用到,因TCXO是所有晶振分類里,精準度最高的.本文簡要介紹了汽車應用中配備GPS(全球定位系統)的汽車導航系統的水晶零件的使用示例和技術問題.

GPS是一種利用圍繞地球軌道運行的衛星準確確定地球上的位置的系統.四顆GPS衛星(共24顆)在六個圓形軌道上排列,海拔約為20,000公里.來自美國國防部管理的GPS衛星的無線電波.GPS衛星在大約11小時58分鐘內環繞地球.您可以測量接收器和GPS衛星之間的位置關系,并確定當前位置的緯度,經度,高度等,精度約為10米.GPS衛星發射的無線電波具有內置的高性能原子鐘,包含時間的數據以1.2/1.5GHz頻段的無線電波傳輸到地面.它是加密的而不是加密的.有事情.加密數據只能由美國軍方使用,據說誤差為幾厘米到幾十厘米,用于精確制導武器.

可供消費者使用的數據是未加密的數據,故意降低精度,因此誤差約為100米.稱為DGPS(差分GPS)的技術已經投入實際使用,該技術用于校正位置信息以減少錯誤.在具有已知位置的參考站處執行GPS測量,并且通過諸如FM廣播的地面波來發送實際位置與由GPS計算的位置之間的差異,從而校正來自GPS衛星的信號的測量結果.該技術提高了定位精度.普通GPS會出現大約100米的誤差,但DGPS會將誤差降低到約5米.然而,出現100米的誤差是因為出于安全原因故意將噪聲混入美國國防部提供的GPS中,并且現在不采用DGPS,因為不再進行噪聲混合.即便如此,誤差將在10米以內.如果誤差大約為10米,移動的汽車將立即移動,因此沒有問題.

此外,由于GPS衛星在大約七年半的時間內達到使用壽命,每年都會有新衛星進入軌道,大約有30顆衛星在運行.GPS接收器可以接收GPS信號,該GPS信號通過接收來自多個GPS衛星的無線電波并確定與每個GPS衛星的距離來測量當前位置.在可以看到三顆衛星的情況下,可以計算緯度和經度,并且在可以看到四顆衛星的情況下,可以確定高度.(圖1示出了GPS接收的示例)GPS的消費者使用在諸如飛機和船舶的導航系統中進行.

圖1.GPS接收示例

由于信息技術的進步,顯示地圖的計算機系統已經以低價提供,因此位置信息的使用已經變得更加廣泛.提供了各種服務.

2.用于GPS應用的水晶產品

汽車導航系統安裝在汽車中,但電子元件的安裝環境并不好.圖2顯示了TCXO安裝的示例.考慮到諸如高溫和低溫的各種使用環境,具有窄偏差的TCXO晶振(溫度補償晶體振蕩器)被用作接收器中的信號源.由于要求高精度,TCXO的要求如下.

◆頻率溫度特性:±0.5ppm以下

◆短期頻率穩定性(低相位噪聲,低相位抖動)

◆響應突然的頻率變化(如微頻率跳變)

表1顯示了具體要求的規范的示例.對于參考應用,溫度的振蕩器頻率容差為±2.0ppm,對于GPS應用,溫度的石英晶體振蕩器頻率容差為±0.5ppm.GPS應用的頻率精度高出一個數量級.

圖.2TCXO安裝示例

表1.TCXO所需的電氣特性比較(典型示例)

3.用于GPS應用的TCXO的頻率特性

如圖3所示,用于參考的TCXO振蕩器的頻率溫度特性滿足±2.0ppm(規格:外部虛線),具有正常校正,但是±0.5ppm(具有正常校正)(規格:內部虛線)無法實現.因此,需要高度精確的溫度補償.圖4顯示了頻率溫度特性的高精度校正示例.這種高精度校正可以滿足±0.5ppm,如圖5所示.如圖4和5所示,可以通過根據晶體單元的頻率溫度特性執行高精度校正來減小擬合誤差,并且滿足GPS所需的±0.5ppm的振蕩頻率容差.TCXO可以實現.為了實現這種高精度,有必要解決人造晶體,晶體單元和電子電路的所有領域中的技術問題.

圖3.正常校正TCXO的頻率溫度特性

圖4.頻率溫度特性的高精度校正示例

圖5.TCXO的高精度校正的頻率-溫度特性

4.GPS的TCXO小趨勢

近年來,已經以各種方式多樣化的汽車導航系統已經在性能上得到改進,增加了各種功能,并且正在實現多功能和高性能.隨著汽車導航系統性能的提高,使用的晶振數量也在增加.此外,隨著PND(個人導航設備)的出現,這是一種緊湊且簡單的汽車導航系統,必須減小要安裝的部件的尺寸.石英部件也不例外,對較小的TCXO的需求也在增加.圖6顯示了TCXO的小趨勢.原來的7050尺寸現已減少到2520尺寸,預計將安裝2016尺寸.與7050尺寸相比,體積為5％.

圖6.TCXO小趨勢

5.汽車導航系統的趨勢

隨著汽車市場持續停滯,對汽車導航系統的需求將繼續增長,如圖7所示.驅動力是便攜式PND(個人導航設備).PND市場擴張的背景是歐洲,美國和新興國家的擴散.PND的特點是它比車載汽車導航系統更簡單,更小,并且可以方便地安裝到汽車上或從汽車上拆下,便于攜帶.此外,由于價格設定在低價位,因此預計會擴散到不熟悉車載汽車導航系統的用戶.在未來,PND有望變得更受歡迎,因為它通過增加內置內存容量,識別當前位置,獲取交通信息,電視功能以及通過USB擴展功能來提高地圖數據容量.該PND還使用GPS信息來識別當前位置.

車載汽車導航系統將擴展到HDD(硬盤驅動器)類型,而PND(個人導航設備)將擴展到大容量閃存類型.隨著PND擴大到更小的尺寸和更低的價格,對PND的需求將繼續增長.車載導航系統也比PND更加漸進,但預計需求將穩步增長.兩者都使用GPS信號進行位置檢測,因此GPS模塊中使用的汽車級SMD晶振數量將隨著汽車導航系統的需求而增加.

圖7.對汽車導航系統的需求

在本文中,我們簡要介紹了小型溫補晶體振蕩器作為GPS應用中使用的晶體部件的用例和技術問題.車載電子元件的安裝環境永遠不會好,它可用于各種使用環境,如高溫和低溫,晶體設備也不例外.其中,有必要保持短期頻率穩定性,長期質量和可靠性.除非集成了用于石英晶體,電子電路等的集成技術,否則這是一個難以實現的技術領域.作為晶體器件制造商和進口晶振代理商,我們需要努力為客戶提供可靠的產品.