基于FPGA的溫補晶振精度校準電路設計

方求　肖山竹　盧煥章　湯朋文

摘要：小型化空間飛行器常使用溫補晶振作為系統(tǒng)的時鐘源，而飛行器研制周期較長，在這段時間內，溫補晶振會發(fā)生較大程度的老化，使得飛行器定時偏差變大。本文基于FPGA平臺，提出了一種巧妙、精簡的頻率補償電路，消除溫補晶振由長期老化引起的頻率偏差，極大地提高了溫補晶振的定時精度。

關鍵詞：溫補晶振 FPGA 時鐘校準 頻率補償

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0154-02

1 引言

現(xiàn)研制的某小型化空間飛行器需要與地面遙測系統(tǒng)實時收發(fā)數(shù)據(jù)，要求其每秒定時誤差小于5×10-7s。由于該飛行器小型化、低成本的研制要求，綜合考慮精度、體積、重量、工作環(huán)境等各項因素，采用了10MHz的溫補晶振作為系統(tǒng)的時鐘源。飛行器是利用溫補晶振振蕩次數(shù)來定時的，若標稱10MHz的溫補晶振，則認為它振蕩107次則是1s。在這樣的計時模式下，要使得每秒定時誤差小于5×10-7s，其頻率偏差應小于5Hz。然而性能較好溫補晶振年老化率為10-6量級[1，2]， 年頻率偏差大于10Hz。因此在該飛行器幾年的研制周期內，由于老化引起的頻率偏差已經超出了最大定時誤差允許的范圍。為了提高定時精度，消除老化引起的頻率偏差是目前亟需攻關的任務。

傳統(tǒng)的溫補晶振校準方法[3，4，5]的原理是：晶振實際輸出的頻率會隨著晶振兩端電壓的改變而發(fā)生改變。根據(jù)實際測得晶振頻率偏差的大小改變晶振兩端的電壓，來調整晶振輸實際出的頻率。這種的方法涉及電路上元器件的改變，穩(wěn)定性和可移植性都較差。本文提出了一種巧妙、精簡的頻率補償電路，消除了溫補晶振由長期老化引起的頻率偏差，可以極大地提高了飛行器的定時精度。

2 溫補晶振精度校準電路設計

2.1 校準思想

某溫補晶振標稱頻率為，單位：Hz，測得其實際輸出頻率為，單位：Hz；實際振蕩周期為，單位s。此溫補晶振定時偏差達到一個振蕩周期時，振蕩次數(shù)N為：

（式1）

把N作為校準電路的修正參數(shù)。若N為正，則，說明溫補晶振輸出頻率比標稱頻率小，定時會比標準時間統(tǒng)計的少；若N為負，則，說明溫補晶振輸出頻率比標稱頻率大，定時會比標準時間統(tǒng)計的多。

當溫補晶振累積誤差達到一個振蕩周期 ，溫補晶振的統(tǒng)計時間多了或者少了。在FPGA的定時器中，將這個多的或者少的從溫補晶振統(tǒng)計的時間中補償?shù)簦@樣就能保證溫補晶振統(tǒng)計時間的準確性和定時的精度。

一個振蕩周期的時間是目前不改變溫補晶振內部結構，所能糾正的最小的時間差。如果溫補晶振的累積偏差積累到一個振蕩周期時，使得累積偏差不再增加，將溫補晶振的最大定時誤差控制在一個振蕩周期以內，那么10MHz溫補晶振的定時精度會小于每秒10-7s，可以滿足研制要求。

2.2 校準電路設計

根據(jù)以上的校準思想基于FPGA平臺設計了一種巧妙的、精簡的頻率補償電路。FPGA設計靈活，并行處理速度快，通過軟件的修改可達到修改硬件電路的目的。另外，選擇FPGA作為校準電路的設計平臺是為了保證校準電路的設計可以移植到飛行器的信息處理的邏輯設計中。在振蕩次數(shù)為N，溫補晶振定時偏差達到一個振蕩周期時，校準電路會對這個偏差進行補償，使得定時偏差一直保持在一個振蕩周期以內。

各信號含義和功能如表1所示。校準電路邏輯框圖如圖1所示。頻率補償電路由分頻器、計數(shù)器、選擇器、控制寄存器等部分構成。主要介紹分頻器、關鍵控制寄存器和選擇器的功能。

2.2.1 分頻器

電路中分頻器的模塊是將校準后的溫補晶振進行10分頻，得到周期為，脈寬的脈沖信號。雖然某一個微秒脈沖信號存在一個振蕩周期的偏差，但是通過對此1信號的計數(shù)，可以得到穩(wěn)定、準確的定時，整個定時偏差也將小于一個振蕩周期。

2.2.2 選擇器

電路中共有6個選擇器。

選擇器1、2：當計數(shù)器不等于修正參數(shù)的絕對值時，選擇輸出0，否則選擇輸出1。

選擇器3：當修正參數(shù)為正時，選擇輸出0，否則輸出1。

選擇器4、5：當計數(shù)器小于9時，選擇輸出0，計數(shù)器等于9時，選擇輸出1。

選擇器6：當關鍵寄存器bit1與bit0值為“01”時，選擇輸出2；為“11”時選擇輸出1；否則輸出0。

2.2.3 關鍵寄存器

關鍵寄存器即校準模式控制寄存器由bit1和bit0組成。bit1和bit0的值分別是選擇器3和選擇器2的輸出值。bit1和bit0組合的值作為選擇器6的控制信號。

溫補晶振通過這樣的一個補償電路，會在其統(tǒng)計時間的累積偏差每次達到一個振蕩周期就會被補償?shù)簟Ｈ缛舨煌ㄟ^這樣的補償電路，溫補晶振統(tǒng)計時間的偏差會一直累加，在上述設計的補償機制下，溫補晶振統(tǒng)計時間的偏差不會再一直累加，其最大偏差理論上都不會超過，這樣就大大提高了溫補晶振的定時的準確。

3 校準電路優(yōu)化與性能分析

上述分析可知，當累積誤差積累到一個振蕩周期時，通過補償?shù)姆绞浇o予消除。其實當累積誤差積累到半個振蕩周期時，即振蕩次數(shù)為N/2，即可進行一次補償，這樣在振蕩次數(shù)N/2～N之間，累積誤差將逐漸減小，當振蕩次數(shù)為N時，累積誤差正好消除。在這樣的補償機制下，溫補晶振統(tǒng)計時間的累積誤差將控制在半個振蕩周期以內，精度較以前的補償機制提高了2倍。

在其他影響因素相同的情況下，未校準方案、校準方案以及優(yōu)化的校準方案中，溫補晶振統(tǒng)計時間的累積誤差與振蕩次數(shù)的關系如圖2所示。

從圖2中可明顯看出，如果不對溫補晶振進行校準，溫補晶振統(tǒng)計時間的累積偏差會隨著晶振振蕩次數(shù)的增長成線性增長，這會導致定時器精度嚴重下降。對溫補晶振進行校準后，累積偏差發(fā)生了質的改變，不會再隨晶振的振蕩次數(shù)的增長而累加，該偏差會嚴格控制在一個振蕩周期以內，不考慮其他因素影響，校準后的溫補晶振理論上每秒定時偏差小于10-7s；對校準方案進一步優(yōu)化，不考慮其他因素影響，校準后的溫補晶振理論上每秒定時偏差將小于5×10-8s，遠遠滿足項目研制定時精度小于每秒5×10-7s要求。

4 結語

根據(jù)實際項目需求，本文提出了一種利用頻率補償?shù)姆绞降臏匮a晶振校準電路設計方法，該方法巧妙地把溫補晶振的定時誤差控制在1/2個振蕩周期以內，消除了由溫補晶振長期老化引起的頻率偏差，極大地提高了溫補晶振的定時精度，可以廣泛的應用于對定時精度要求極高的小型化空間飛行器的信息處理系統(tǒng)中。

參考文獻

[1]孫小莉.高穩(wěn)定度晶體振蕩器頻率溫度特性改善的研究[D].西安電子科技大學，2013.

[2]楊宇飛.小型天文測量計時器研究[D].解放軍信息工程大學，2013.

[3]Utpal Sarma，P.K.Boruah.Design and Characterisation of a Temperature Compensated Relative Humidity Measurement System with OnLine Data Logging Feature[J].MAPAN，2014，292.

[4]孫小莉.高穩(wěn)定度晶體振蕩器頻率溫度特性改善的研究[D].西安電子科技大學，2013.

[5杜茗茗，周雒維，馬靜，付志紅.基于GPS與溫補晶振雙同步控制的瞬變電磁測量控制器[J].電工技術學報，2008，12：120-124.