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：針對目前廣泛對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、價(jià)格較為便宜等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛應(yīng)用，但是晶體振蕩器會由于溫度、老化等因素產(chǎn)生頻率的漂移，長期穩(wěn)定性較差。為了獲得一個(gè)短期及長期穩(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秒信號為參考，通過數(shù)字鎖相環(huán)對高穩(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。

1 GPS接收機(jī)測試及恒溫晶振選型
1．1 GPS接收機(jī)測試
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信號的Jupiter授時(shí)型GPS接收機(jī)。由于天線角度、電離層、對流層、多徑效應(yīng)、接收機(jī)自身特性的影響，GPS會產(chǎn)生失鎖或者雖然鎖定但秒信號抖動較大，此時(shí)測得的時(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GPS的1PPS作為基準(zhǔn)，對比另一臺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GPS接收機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)1PIPS信號的時(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Jupiter GPS接收機(jī)的1PPS信號一致性很高，抖動較小。但是對于隨機(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，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)鐘信號和恒溫晶振時(shí)鐘信號精度互補(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，對周圍環(huán)境變化敏感度低，長期溫度-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)平臺是Quartus II集成開發(fā)環(huán)境，采用Vetilog HDL語言對各功能模塊進(jìn)行邏輯描述，并完成了邏輯編譯、邏輯化簡、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)鐘信號作為基準(zhǔn)源，對恒溫晶振整形并經(jīng)過分頻后的10 kHz信號進(jìn)行快速鑒相，用恒溫晶振倍頻后的300 MHz時(shí)鐘對相位差進(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信號為基準(zhǔn)，測量1PPS與恒溫晶振分頻出的1Hz信號的相位差。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平均濾波法來降低GPS秒脈沖對測量帶來的干擾，設(shè)計(jì)FIFO存儲器來配合計(jì)算出最近200 s的平均相位差，通過不斷對比短時(shí)的相位差及長時(shí)的平均相位差，分析相位差的長期與短期變化動態(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。晶振頻率調(diào)整的過程如圖3所示，此方法簡單實(shí)用，可有效抑制1PPS抖動對晶振造成的影響。
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方波信號為下降沿時(shí)，TLV5616讀取DIN的電平信號，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。若識別出準(zhǔn)確的UTC時(shí)間和1PPS信號后，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信號進(jìn)行校對，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，則不進(jìn)行校對，直到1PPS正常后再恢復(fù)校對功能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在衛(wèi)星信號正確接收的情況下，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，誤差小于0．01 Hz，頻率的精度與長期穩(wěn)定性都得到明顯改善。1PPS信號沒有累計(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)鐘信號為基準(zhǔn)，每秒與另一套系統(tǒng)的恒溫晶振的時(shí)鐘信號對比一次，相位差用300 MHz的時(shí)鐘進(jìn)行量化，測量分辨力為3．3 ns，部分測試結(jié)果如圖7所示。圖7(a)顯示每秒測得的相位差；由于存在測量誤差，因此采用滑動平均濾波的方法，在每秒測量兩套系統(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對圖7的實(shí)際測量數(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的秒信號對恒溫晶振頻率偏移的自動測量以及對晶振壓控端電壓的自動控制，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，也有利于對授時(shí)功能的設(shè)計(jì)?？傊?，該系統(tǒng)采用實(shí)用簡便的方法達(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。