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。