基于GPS的恒溫晶振頻率校準系統的設計與實(shí)現

摘要：針對目前廣泛對高精度頻率源的需求，利用FPGA設計一種恒溫晶振頻率校準系統。系統以GPS接收機提供的秒脈沖信號為基準源，通過(guò)結合高精度恒溫晶振短期穩定度高與GPS長(cháng)期穩定特性好、跟蹤保持特性強的優(yōu)點(diǎn)，設計數字鎖相環(huán)調控恒溫晶振的頻率。詳細闡述系統的設計原理及方法，測試結果表明，恒溫晶振的頻率可快速被校準到10 MHz，頻率偏差小于0．01Hz，具有良好的長(cháng)期穩定性，適合在多領(lǐng)域中作為時(shí)間頻率的標準。
關(guān)鍵詞：頻率校準；恒溫晶振；數字鎖相環(huán)；FPGA

時(shí)鐘技術(shù)在現代科學(xué)技術(shù)中有著(zhù)廣泛的應用，許多領(lǐng)域對時(shí)間指標的要求越來(lái)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)調整個(gè)系統的正常運行。GPS是目前世界上應用范圍最廣、實(shí)用性最強的全球精密授時(shí)、測距和導航定位系統。高精度頻標目前主要有銣鐘、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(cháng)、價(jià)格較為便宜等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛應用，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(cháng)期穩定性較差。為了獲得一個(gè)短期及長(cháng)期穩定度都比較優(yōu)良的時(shí)間頻率標準，本系統以授時(shí)型GPS秒信號為參考，通過(guò)數字鎖相環(huán)對高穩晶振的頻率進(jìn)行控制與修正，此方法具有便攜、廉價(jià)等優(yōu)勢。

1 GPS接收機測試及恒溫晶振選型
1．1 GPS接收機測試
系統選用并行12通道，正常接收衛星時(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。由于天線(xiàn)角度、電離層、對流層、多徑效應、接收機自身特性的影響，GPS會(huì )產(chǎn)生失鎖或者雖然鎖定但秒信號抖動(dòng)較大，此時(shí)測得的時(shí)差數據有很大的噪聲分量。在同一地點(diǎn)，當兩臺Jupiter授時(shí)型GPS接收機都正常接收衛星時(shí)，連續10小時(shí)以一臺GPS的1PPS作為基準，對比另一臺GPS的1PPS到達時(shí)刻，繪出到達時(shí)間差的柱狀統計圖，從圖1中可得出，兩臺GPS接收機正常運行時(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(xiàn)引起；計算出均方差為7．64 ns，可以看出兩臺Jupiter GPS接收機的1PPS信號一致性很高，抖動(dòng)較小。但是對于隨機誤差引起的1PPS跳變或者GPS接收機偶然鎖星失敗，雖然也輸出1PPS信號，但其精度較低不能作為基準源。

1．2 恒溫晶振選型
GPS接收機輸出的1PPS信號存在較大的隨機誤差，但是沒(méi)有累計誤差，而恒溫晶振時(shí)鐘信號的隨機誤差較小，不過(guò)由于自身老化和外界溫度等一些因素的影響，存在頻率漂移現象，具有較大的累計誤差。如果恒溫晶振長(cháng)期不問(wèn)斷的運行，頻率無(wú)法滿(mǎn)足工作所需的準確度與穩定度，因此需要通過(guò)實(shí)時(shí)的自動(dòng)調控壓控端電壓來(lái)進(jìn)行頻率校準。根據衛星時(shí)鐘信號和恒溫晶振時(shí)鐘信號精度互補這一特點(diǎn)，通過(guò)調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(cháng)期的時(shí)間精度和穩定性。
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。該恒溫晶振輸出標準頻率為10 MHz的正弦波，短期穩定度小于2x10-12／秒，年老化率為±1×10-8／年，對周?chē)h(huán)境變化敏感度低，長(cháng)期溫度-頻率穩定度可達±1× 10-10，還提供了一個(gè)直流電壓控制端。通過(guò)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 系統設計
系統以FPGA作為控制器，芯片選用Altera公司的EP3C25E144C8，內部具有豐富的邏輯資源。開(kāi)發(fā)平臺是Quartus II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用Vetilog HDL語(yǔ)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(jiǎn)、綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線(xiàn)，并使用Modelsim、Signalnap II進(jìn)行邏輯仿真，實(shí)現系統的設計要求，系統的原理框圖如圖2所示。

2．1 數字鎖相環(huán)
恒溫晶振的頻率調整功能是靠數字鎖相環(huán)(DPLL)實(shí)現的，同模擬鎖相環(huán)類(lèi)似，它屬于閉環(huán)的控制系統，由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)、D／A轉換器、壓控恒溫晶振(OCXO)組成。系統啟動(dòng)后，在FPGA內部，數字鑒相器模塊首先以GPS接收機輸出的10 kHz時(shí)鐘信號作為基準源，對恒溫晶振整形并經(jīng)過(guò)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據，進(jìn)而傳遞給環(huán)路濾波器模塊，設置抖動(dòng)門(mén)限參數，若相位超前或滯后量達到門(mén)限值，則迅速通過(guò)D／A轉換器，對晶振的壓控端電壓進(jìn)行相應調節。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時(shí)間，快速調整壓控端的電壓會(huì )產(chǎn)生過(guò)調現象，頻率穩定度不佳。

為進(jìn)一步提高晶振頻率的精度與穩定性，結合恒溫晶振短期穩定度高的特點(diǎn)，在數字鑒相器模塊中，以GPS的1PPS信號為基準，測量1PPS與恒溫晶振分頻出的1Hz信號的相位差。依據GPS沒(méi)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(lái)降低GPS秒脈沖對測量帶來(lái)的干擾，設計FIFO存儲器來(lái)配合計算出最近200 s的平均相位差，通過(guò)不斷對比短時(shí)的相位差及長(cháng)時(shí)的平均相位差，分析相位差的長(cháng)期與短期變化動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)調節恒溫晶振的控制電壓，保證晶振輸出穩定且準確的10 MHz時(shí)鐘信號。晶振頻率調整的過(guò)程如圖3所示，此方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可有效抑制1PPS抖動(dòng)對晶振造成的影響。
2．2 電路設計
D／A芯片選用TI公司TLV5616，它是低功耗單片12位串行數模轉換器，分辨率為4096，該芯片采用三線(xiàn)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，轉化成相應的電壓送往恒溫晶振，用于晶振的微調，晶振頻率調整硬件電路如圖4所示。

2．3 授時(shí)功能
在許多現實(shí)的應用中需要毫秒、微秒、納秒等這些更小的時(shí)間單位量，但是GPS接收機一般只能提供最小時(shí)間單位為秒的UTC時(shí)間，本系統在GPS基礎上設計了授時(shí)功能。

授時(shí)工作流程如圖5所示，系統在FPGA中設計串口數據模塊來(lái)接收GPs的SD01管腳發(fā)出的GPRMC格式數據，并將其存放在FPGA內部的雙口RAM中，通過(guò)串口數據模塊及數字鑒相器模塊可以判斷GPS接收機是否正常工作。若識別出準確的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)間數據進(jìn)行處理，得到初始時(shí)間值，當下一個(gè)1PPS上升沿到來(lái)后，系統在初值的基礎上開(kāi)始完全依靠高穩恒溫晶振自行走時(shí)，并每隔5秒與準確的1PPS信號進(jìn)行校對，如果發(fā)現本系統的時(shí)間與1PPS不同步，那么系統時(shí)間將會(huì )短暫停滯或快速跳進(jìn)，達到與1PPS同步，保證時(shí)間信息輸出的連續性與準確性；若GPS接收機非正常輸出1PPS信號，則不進(jìn)行校對，直到1PPS正常后再恢復校對功能。

3 實(shí)驗結果
在衛星信號正確接收的情況下，系統可以在短時(shí)間內把恒溫晶振的頻率校準到較高的準確度與穩定度上。實(shí)驗結果表明，恒溫晶振被調節后可以輸出更準確的10MHz信號，誤差小于0．01 Hz，頻率的精度與長(cháng)期穩定性都得到明顯改善。1PPS信號沒(méi)有累計誤差，在連續不重復的201個(gè)1PPS上升沿之間，即以200 s作為閘門(mén)時(shí)間，測出恒溫晶振MV180在調控與未調控狀態(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(xiàn)和虛線(xiàn)分別代表恒溫晶振在調控與未經(jīng)調控狀態(tài)的測試結果，其中實(shí)線(xiàn)部分的平均頻率偏差是-7．41x10-5Hz，均方差為3．10x10-3Hz。

依照文中方案設計兩套完全獨立的系統，以其中一套系統的恒溫晶振的時(shí)鐘信號為基準，每秒與另一套系統的恒溫晶振的時(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(dòng)平均濾波的方法，在每秒測量?jì)商紫到y相位差的同時(shí)，計算出最近200次的平均相位差，如圖7(b)所示。表2對圖7的實(shí)際測量數據進(jìn)行統計，7(b)中的均方差是0．68度，四分位差為O．60度，說(shuō)明兩套獨立系統的頻率一致性很高，具有良好的穩定度。

恒溫晶振經(jīng)過(guò)校準后的頻率偏差小于0．01 Hz，在1PPS準確輸出時(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GPS接收機未正常工作時(shí)，由于恒溫晶振前期經(jīng)過(guò)頻率校準和自身較高的穩定度，在一定時(shí)間內依然可以保證高精度的授時(shí)功能。

4 結束語(yǔ)
由文中的分析和詳細的實(shí)驗結果可知，基于GPS的秒信號對恒溫晶振頻率偏移的自動(dòng)測量以及對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)間內將晶振校準到較高的頻率準確度上，并提高長(cháng)時(shí)間的穩定性。晶振頻率準確度的顯著(zhù)提高，也有利于對授時(shí)功能的設計?？傊?，該系統采用實(shí)用簡(jiǎn)便的方法達到了將恒溫晶振調整到較高指標的目的，具有廣泛的應用價(jià)值。