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(duì)目前廣泛對(duì)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(hào)為基準(zhǔn)源，通過(guò)結(jié)合高精度恒溫晶振短期穩(wěn)定度高與GPS長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)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(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(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(cè)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(zhǎng)、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(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。為了獲得一個(gè)短期及長(zhǎng)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(hào)為參考，通過(guò)數(shù)字鎖相環(huán)對(duì)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(shì)。

1 GPS接收機(jī)測(cè)試及恒溫晶振選型
1．1 GPS接收機(jī)測(cè)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(hào)的Jupiter授時(shí)型GPS接收機(jī)。由于天線角度、電離層、對(duì)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(hào)抖動(dòng)較大，此時(shí)測(cè)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(tái)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(tái)GPS的1PPS作為基準(zhǔn)，對(duì)比另一臺(tái)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(tái)GPS接收機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)1PIPS信號(hào)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(tái)Jupiter GPS接收機(jī)的1PPS信號(hào)一致性很高，抖動(dòng)較小。但是對(duì)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(hào)，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(hào)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(hào)的隨機(jī)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(xiàn)象，具有較大的累計(jì)誤差。如果恒溫晶振長(zhǎng)期不問(wèn)斷的運(yùn)行，頻率無(wú)法滿足工作所需的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度，因此需要通過(guò)實(shí)時(shí)的自動(dòng)調(diào)控壓控端電壓來(lái)進(jìn)行頻率校準(zhǔn)。根據(jù)衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)和恒溫晶振時(shí)鐘信號(hào)精度互補(bǔ)這一特點(diǎn)，通過(guò)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(zhǎng)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(duì)周圍環(huán)境變化敏感度低，長(zhǎng)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(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(diào)整范圍，控制電壓與晶振頻率的近似關(guān)系如表1所示。