基于GPS的恒溫晶振頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)目前廣泛對(duì)高精度頻率源的需求，利用FPGA設(shè)計(jì)一種恒溫晶振頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)。系統(tǒng)以GPS接收機(jī)提供的秒脈沖信號(hào)為基準(zhǔn)源，通過結(jié)合高精度恒溫晶振短期穩(wěn)定度高與GPS長(zhǎng)期穩(wěn)定特性好、跟蹤保持特性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)數(shù)字鎖相環(huán)調(diào)控恒溫晶振的頻率。詳細(xì)闡述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及方法，測(cè)試結(jié)果表明，恒溫晶振的頻率可快速被校準(zhǔn)到10 MHz，頻率偏差小于0．01Hz，具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，適合在多領(lǐng)域中作為時(shí)間頻率的標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：頻率校準(zhǔn)；恒溫晶振；數(shù)字鎖相環(huán)；FPGA

    時(shí)鐘技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，許多領(lǐng)域?qū)r(shí)間指標(biāo)的要求越來越高，如電力、通訊、軍事、航空航天等，都需要高精度的同步時(shí)鐘作為參考，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。GPS是目前世界上應(yīng)用范圍最廣、實(shí)用性最強(qiáng)的全球精密授時(shí)、測(cè)距和導(dǎo)航定位系統(tǒng)。高精度頻標(biāo)目前主要有銣鐘、銫鐘、氫鐘等原子鐘以及高精度晶體振蕩器。其中，高精度晶體振蕩器以其使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格較為便宜等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛應(yīng)用，但是晶體振蕩器會(huì)由于溫度、老化等因素產(chǎn)生頻率的漂移，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。為了獲得一個(gè)短期及長(zhǎng)期穩(wěn)定度都比較優(yōu)良的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)以授時(shí)型GPS秒信號(hào)為參考，通過數(shù)字鎖相環(huán)對(duì)高穩(wěn)晶振的頻率進(jìn)行控制與修正，此方法具有便攜、廉價(jià)等優(yōu)勢(shì)。

1 GPS接收機(jī)測(cè)試及恒溫晶振選型
1．1 GPS接收機(jī)測(cè)試
    系統(tǒng)選用并行12通道，正常接收衛(wèi)星時(shí)，秒脈沖(1PPS)時(shí)間精度優(yōu)于100 ns，并且輸出與秒脈沖完全同步的10 kHz信號(hào)的Jupiter授時(shí)型GPS接收機(jī)。由于天線角度、電離層、對(duì)流層、多徑效應(yīng)、接收機(jī)自身特性的影響，GPS會(huì)產(chǎn)生失鎖或者雖然鎖定但秒信號(hào)抖動(dòng)較大，此時(shí)測(cè)得的時(shí)差數(shù)據(jù)有很大的噪聲分量。在同一地點(diǎn)，當(dāng)兩臺(tái)Jupiter授時(shí)型GPS接收機(jī)都正常接收衛(wèi)星時(shí)，連續(xù)10小時(shí)以一臺(tái)GPS的1PPS作為基準(zhǔn)，對(duì)比另一臺(tái)GPS的1PPS到達(dá)時(shí)刻，繪出到達(dá)時(shí)間差的柱狀統(tǒng)計(jì)圖，從圖1中可得出，兩臺(tái)GPS接收機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)1PIPS信號(hào)的時(shí)間差99％以上集中在0～100 ns之間，時(shí)間差的均值是54 ns，主要是由GPS天線引起；計(jì)算出均方差為7．64 ns，可以看出兩臺(tái)Jupiter GPS接收機(jī)的1PPS信號(hào)一致性很高，抖動(dòng)較小。但是對(duì)于隨機(jī)誤差引起的1PPS跳變或者GPS接收機(jī)偶然鎖星失敗，雖然也輸出1PPS信號(hào)，但其精度較低不能作為基準(zhǔn)源。

1．2 恒溫晶振選型
    GPS接收機(jī)輸出的1PPS信號(hào)存在較大的隨機(jī)誤差，但是沒有累計(jì)誤差，而恒溫晶振時(shí)鐘信號(hào)的隨機(jī)誤差較小，不過由于自身老化和外界溫度等一些因素的影響，存在頻率漂移現(xiàn)象，具有較大的累計(jì)誤差。如果恒溫晶振長(zhǎng)期不問斷的運(yùn)行，頻率無法滿足工作所需的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度，因此需要通過實(shí)時(shí)的自動(dòng)調(diào)控壓控端電壓來進(jìn)行頻率校準(zhǔn)。根據(jù)衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)和恒溫晶振時(shí)鐘信號(hào)精度互補(bǔ)這一特點(diǎn)，通過調(diào)控恒溫晶振的壓控端，使其輸出頻率隨之改變，以維持短期和長(zhǎng)期的時(shí)間精度和穩(wěn)定性。
    恒溫晶振選用俄羅斯莫里恩(Motion)公司的低漂移、低相噪薄型雙恒溫槽超精密恒溫晶體振蕩器OCXO MV180。該恒溫晶振輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率為10 MHz的正弦波，短期穩(wěn)定度小于2x10-12／秒，年老化率為±1×10-8／年，對(duì)周圍環(huán)境變化敏感度低，長(zhǎng)期溫度-頻率穩(wěn)定度可達(dá)±1× 10-10，還提供了一個(gè)直流電壓控制端。通過向壓控端施加一個(gè)0～+5 V的直流電壓，可使該恒溫晶振有±5 Hz左右的頻率調(diào)整范圍，控制電壓與晶振頻率的近似關(guān)系如表1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)以FPGA作為控制器，芯片選用Altera公司的EP3C25E144C8，內(nèi)部具有豐富的邏輯資源。開發(fā)平臺(tái)是Quartus II集成開發(fā)環(huán)境，采用Vetilog HDL語言對(duì)各功能模塊進(jìn)行邏輯描述，并完成了邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線，并使用Modelsim、Signalnap II進(jìn)行邏輯仿真，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

2．1 數(shù)字鎖相環(huán)
    恒溫晶振的頻率調(diào)整功能是靠數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)實(shí)現(xiàn)的，同模擬鎖相環(huán)類似，它屬于閉環(huán)的控制系統(tǒng)，由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)、D／A轉(zhuǎn)換器、壓控恒溫晶振(OCXO)組成。系統(tǒng)啟動(dòng)后，在FPGA內(nèi)部，數(shù)字鑒相器模塊首先以GPS接收機(jī)輸出的10 kHz時(shí)鐘信號(hào)作為基準(zhǔn)源，對(duì)恒溫晶振整形并經(jīng)過分頻后的10 kHz信號(hào)進(jìn)行快速鑒相，用恒溫晶振倍頻后的300 MHz時(shí)鐘對(duì)相位差進(jìn)行量化，得到具體的超前或滯后數(shù)據(jù)，進(jìn)而傳遞給環(huán)路濾波器模塊，設(shè)置抖動(dòng)門限參數(shù)，若相位超前或滯后量達(dá)到門限值，則迅速通過D／A轉(zhuǎn)換器，對(duì)晶振的壓控端電壓進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。此方法可令晶振頻率快速接近10 MHz，但是恒溫晶振頻率的改變需有一定的響應(yīng)時(shí)間，快速調(diào)整壓控端的電壓會(huì)產(chǎn)生過調(diào)現(xiàn)象，頻率穩(wěn)定度不佳。

    為進(jìn)一步提高晶振頻率的精度與穩(wěn)定性，結(jié)合恒溫晶振短期穩(wěn)定度高的特點(diǎn)，在數(shù)字鑒相器模塊中，以GPS的1PPS信號(hào)為基準(zhǔn)，測(cè)量1PPS與恒溫晶振分頻出的1Hz信號(hào)的相位差。依據(jù)GPS沒有累積誤差的優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)路濾波器模塊中采用滑動(dòng)平均濾波法來降低GPS秒脈沖對(duì)測(cè)量帶來的干擾，設(shè)計(jì)FIFO存儲(chǔ)器來配合計(jì)算出最近200 s的平均相位差，通過不斷對(duì)比短時(shí)的相位差及長(zhǎng)時(shí)的平均相位差，分析相位差的長(zhǎng)期與短期變化動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)恒溫晶振的控制電壓，保證晶振輸出穩(wěn)定且準(zhǔn)確的10 MHz時(shí)鐘信號(hào)。晶振頻率調(diào)整的過程如圖3所示，此方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可有效抑制1PPS抖動(dòng)對(duì)晶振造成的影響。
2．2 電路設(shè)計(jì)
    D／A芯片選用TI公司TLV5616，它是低功耗單片12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器，分辨率為4096，該芯片采用三線制(SCLK、SYNC、DIN)串行接口，SCLK方波信號(hào)為下降沿時(shí)，TLV5616讀取DIN的電平信號(hào)，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓送往恒溫晶振，用于晶振的微調(diào)，晶振頻率調(diào)整硬件電路如圖4所示。

2．3 授時(shí)功能
    在許多現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中需要毫秒、微秒、納秒等這些更小的時(shí)間單位量，但是GPS接收機(jī)一般只能提供最小時(shí)間單位為秒的UTC時(shí)間，本系統(tǒng)在GPS基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了授時(shí)功能。

    授時(shí)工作流程如圖5所示，系統(tǒng)在FPGA中設(shè)計(jì)串口數(shù)據(jù)模塊來接收GPs的SD01管腳發(fā)出的GPRMC格式數(shù)據(jù)，并將其存放在FPGA內(nèi)部的雙口RAM中，通過串口數(shù)據(jù)模塊及數(shù)字鑒相器模塊可以判斷GPS接收機(jī)是否正常工作。若識(shí)別出準(zhǔn)確的UTC時(shí)間和1PPS信號(hào)后，授時(shí)模塊迅速從RAM中提取最新時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到初始時(shí)間值，當(dāng)下一個(gè)1PPS上升沿到來后，系統(tǒng)在初值的基礎(chǔ)上開始完全依靠高穩(wěn)恒溫晶振自行走時(shí)，并每隔5秒與準(zhǔn)確的1PPS信號(hào)進(jìn)行校對(duì)，如果發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)的時(shí)間與1PPS不同步，那么系統(tǒng)時(shí)間將會(huì)短暫停滯或快速跳進(jìn)，達(dá)到與1PPS同步，保證時(shí)間信息輸出的連續(xù)性與準(zhǔn)確性；若GPS接收機(jī)非正常輸出1PPS信號(hào)，則不進(jìn)行校對(duì)，直到1PPS正常后再恢復(fù)校對(duì)功能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在衛(wèi)星信號(hào)正確接收的情況下，系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)把恒溫晶振的頻率校準(zhǔn)到較高的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，恒溫晶振被調(diào)節(jié)后可以輸出更準(zhǔn)確的10MHz信號(hào)，誤差小于0．01 Hz，頻率的精度與長(zhǎng)期穩(wěn)定性都得到明顯改善。1PPS信號(hào)沒有累計(jì)誤差，在連續(xù)不重復(fù)的201個(gè)1PPS上升沿之間，即以200 s作為閘門時(shí)間，測(cè)出恒溫晶振MV180在調(diào)控與未調(diào)控狀態(tài)時(shí)，每200 s的平均頻率偏差，圖6為部分實(shí)際測(cè)試圖，實(shí)線和虛線分別代表恒溫晶振在調(diào)控與未經(jīng)調(diào)控狀態(tài)的測(cè)試結(jié)果，其中實(shí)線部分的平均頻率偏差是-7．41x10-5Hz，均方差為3．10x10-3Hz。

    依照文中方案設(shè)計(jì)兩套完全獨(dú)立的系統(tǒng)，以其中一套系統(tǒng)的恒溫晶振的時(shí)鐘信號(hào)為基準(zhǔn)，每秒與另一套系統(tǒng)的恒溫晶振的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)比一次，相位差用300 MHz的時(shí)鐘進(jìn)行量化，測(cè)量分辨力為3．3 ns，部分測(cè)試結(jié)果如圖7所示。圖7(a)顯示每秒測(cè)得的相位差；由于存在測(cè)量誤差，因此采用滑動(dòng)平均濾波的方法，在每秒測(cè)量?jī)商紫到y(tǒng)相位差的同時(shí)，計(jì)算出最近200次的平均相位差，如圖7(b)所示。表2對(duì)圖7的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，7(b)中的均方差是0．68度，四分位差為O．60度，說明兩套獨(dú)立系統(tǒng)的頻率一致性很高，具有良好的穩(wěn)定度。

    恒溫晶振經(jīng)過校準(zhǔn)后的頻率偏差小于0．01 Hz，在1PPS準(zhǔn)確輸出時(shí)，累加1PPS具有的100 ns誤差，授時(shí)模塊輸出的時(shí)間信息誤差小于105 ns。當(dāng)GPS接收機(jī)未正常工作時(shí)，由于恒溫晶振前期經(jīng)過頻率校準(zhǔn)和自身較高的穩(wěn)定度，在一定時(shí)間內(nèi)依然可以保證高精度的授時(shí)功能。

4 結(jié)束語
    由文中的分析和詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于GPS的秒信號(hào)對(duì)恒溫晶振頻率偏移的自動(dòng)測(cè)量以及對(duì)晶振壓控端電壓的自動(dòng)控制，使晶振受老化和外界干擾的影響得到了明顯的抑制，能夠在較短時(shí)間內(nèi)將晶振校準(zhǔn)到較高的頻率準(zhǔn)確度上，并提高長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。晶振頻率準(zhǔn)確度的顯著提高，也有利于對(duì)授時(shí)功能的設(shè)計(jì)。總之，該系統(tǒng)采用實(shí)用簡(jiǎn)便的方法達(dá)到了將恒溫晶振調(diào)整到較高指標(biāo)的目的，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。