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)

張 帆，陳 錕，朱正平，藍(lán)加平

（中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

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[1]。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)[2]。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(huì)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[3]。

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(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(shù)據(jù)有很大的噪聲分量[4]。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)1PPS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(dòng)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[5]。

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間斷的運(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[6]。

圖1 Jupiter GPS對比測試Fig.1 Comparison test of Jupiter GPS

恒溫晶振選用俄羅斯莫里恩（Morion）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 MVl80。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 2×10-12/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。

表1 控制電壓與頻率近似關(guān)系Tab.1 Similarity relation of control voltage and frequency

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Verilog 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。

圖2 系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Block diagram of system principle

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(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信號為基準(zhǔn)，測量1PPS與恒溫晶振分頻出的1 Hz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(dòng)平均濾波法來降低GPS秒脈沖對測量帶來的干擾[7]，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，通過不斷對比短時(shí)的相位差及長時(shí)的平均相位差[8]，分析相位差的長期與短期變化動(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。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(dòng)對晶振造成的影響。

圖3 晶振頻率調(diào)整流程圖Fig.3 Flowchart of frequency calibration

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)[9]，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[10]。

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SDO1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(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，則不進(jìn)行校對，直到1PPS正常后再恢復(fù)校對功能。

圖4 晶振頻率調(diào)整電路圖Fig.4 Circuit of frequency calibration

圖5 授時(shí)工作流程圖Fig.5 Flowchart of time service

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10 MHz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-7.41×10-5Hz，均方差為 3.10×10-3Hz。

圖6 每200秒恒溫晶振的平均頻率偏差Fig.6 200s average frequency deviation of OCXO

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(dòng)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0.60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。

圖7 兩套系統(tǒng)的相位差Fig.7 Two systems phase difference

表2 圖7中相位差的統(tǒng)計(jì)Tab.2 Figure 7 phase difference statistics

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(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(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)。總之，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。

[1]謝強(qiáng)，錢光弟.基于授時(shí)GPS的高精度頻率源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007，20（3）:15-16.

XIE Qiang，QIAN Guang-di.Design and realization of highprecise frequency source based on timing GPS[J].Industrial Control Computer，2007，20（3）:15-16.

[2]張瑩，周渭，梁志榮.基于GPS鎖定高穩(wěn)晶體振蕩器技術(shù)的研究[J].宇航計(jì)測技術(shù)，2005，25（1）:54-58.

ZHANG Ying，ZHOU Wei，LIANG Zhi-rong.Research of techniques to lock high-stability crystal oscillators based on GPS[J].Journal of Astronautic Metrology and Measurement，2005，25（1）:54-58.

[3]CHENG Chia-Lung，CHANG Fan-ren，TU Kun-yuan.Highly accurate real-time GPS carrier phase-disciplined oscillator[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2005，2（54）:819-824.

[4]馬濤，焦群.基于卡爾曼濾波算法GPS校鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)通信，2009，32（219）:66-68.

MA Tao，JIAO Qun.Design of GPS clock calibration system based on Kalman filteralgorithm [J].PowerSystem Communication，2009，32（219）:66-68.

[5]許國宏，李鐵成，李星.基于GPS馴服技術(shù)的高穩(wěn)頻蹤設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（4）:63-65.

XU Guo-hong，LI Tie-cheng，LI Xing.Design of high stability frequency synthesizer based on GPS tame technology[J].Electronic Design Engineering，2010，18（4）:63-65.

[6]郭芳.用GPS秒信號鎖定高頻振蕩器的方法研究 [J].時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，2004.12（27）:94-101.

GUO Fang.Research of techniques to lock high frequency oscillator based on PPS[J].Journal of Time and Frequency，2004，12（27）:94-101.

[7]盧祥弘，陳儒軍，何展翔.基于FPGA的恒溫晶振頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010（7）:101-104.

LU Xiang-hong，CHEN Ru-jun，HE Zhan-xiang.The design of frequency calibration system for OCXO based FPGA[J].Application of Electronic Technique，2010（7）:101-104.

[8]CUI Bao-jian，HOU Xin-gao，ZHOU De-hai.Methodological approach to GPS disciplined OCXO based on PID PLL[C]//The Ninth International Conference on Electronic Measurement&Instruments，Huludao，2009:528-533.

[9]黨曉圓，單慶曉，肖昌炎，等.基于GPS與北斗雙模授時(shí)的壓控晶振校頻系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2009，17（11）:2246-2248.

DANG Xiao-yuan，SHAN Qing-xiao，XIAO Chang-yan，et al.Research on voltage-controlled crystal oscillator calibration based on GPS&BD double time service[J].Computer Measurement&Control，2009，17（11）:2246-2248.

[10]文躍秀，韓寶民，邱燦，等.一種GPS定位技術(shù)在繪制10 kV電氣線路地理接線圖中的應(yīng)用[J].陜西電力，2012（5）：22-25，38.

WEN Yue-xiu，HAN Bao-min，QIU Can，et al.Application of GPS technology in 10 kV electrical lines geographical wiring diagram[J].Shaanxi Electric Power，2012（5）：22-25，38.