基于GPS的恒温晶振频率校准系统分析,该文是关于系统函授毕业论文范文跟晶振和研究分析和校准类硕士学位论文范文.
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【摘 要】 目前对高精度频率源的需求越来越多,通过FPGA 设计一种恒温晶振频率校准系统就很有必要.系统使用的秒脉冲信号以GPS 接收机为基准源,通过结合GPS 跟踪保持特性强、长期稳定特性好与高精度恒温晶振短期稳定度高的优点,设计了数字锁相环调控恒温晶振的频率.本文详细介绍了系统的设计方法原理,测试的结果也表明能快速将恒温晶振的频率校准到10MHz,频率的误差小于0.01Hz,长期稳定性良好,在许多的领域中都能作为时间频率的标准.
【关键词】 频率校准 恒温晶振 数字锁相环 FPGA
一、 前言
在现代科学技术中时钟技术有着很广泛的应用,随着许多领域对时间指标的要求越来越高,比如军事、电力、通讯、航空航天等,都需要同步时钟的高精度作为参考,使系统正常运行.当前世界上应用广泛的GPS 实用性强、精密度高.高精度频标目前主要包括有铯钟、伽钟、氢钟等原子钟以及高精度晶体振荡器.其中,高精度晶体振荡器因为其较低、使用寿命长等优点,得到了广泛应用.但另一方面晶体振荡器会因为受到温度、老化等因素产生频率的漂移,长期稳定性相对差.为了使时间频率标准的长短期稳定度都比较优良,本系统将授时型GPS 信号当为参考,由数字锁相环对高稳晶振的频率进行修正控制.此方法具有廉价、便携等优势.
二、系统设计
1、GPS 接收机测试.系统采用并行12 通道,在接收卫星时,秒脉冲时间精度优于100ns,并且输出与秒脉冲完全同步的10kHz 信号的Jupiter 授时型G 接收机.恒温晶振信号随机误差存在较大,但不会有累计误差,但是恒温晶振时钟信号的随机误差相对比较小,但是会受到外界温度和自身老化等因素的一些影响,会存在频率漂移现象,具有较大的累计误差.如果恒温晶振长期不间断的运行,频率就无法满足工作所需的稳定度和准确度,所以就需要通过实时的自动调控压控端的电压来校准频率.以FPGA 作为系统的控制器,芯片选用Altera 公司的EP3C25E144C8,其内部拥有丰富的逻辑资源.开发平台是QuanusII 集成开发环境,采用HDL语言对各功能模块来进行逻辑的描述,并完成了逻辑化简、逻辑编译、逻辑布局布线、综合及优化,并使用SignalnapII进行逻辑仿真,以此达到系统的设计要求.
2、数字锁相环.恒温晶振的频率调整功能由数字锁相环（DHL) 实现,和模拟锁相环一样,它是闭环的控制系统,由D/A 转换器、鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、压控恒温晶振（OCXO）构成.在系统启动后,在FPGA 内部,数字鉴相器模块首先从GPS 接收机输出的10kHz 时钟信号当作基准源,对恒温晶振经过分频后的10kHz 信号快速鉴相,通过恒温晶振倍频后的3MHz 时钟量化相位差,从而得到具体的滞后或超前数据,从而传递给环路滤波器模块,通过调整抖动门限参数,如果相位超前或滞后的量达到了门限值,就通过D/A 转换器迅速对晶振的压控端电压进行相应的调节.这种方法能令晶振频率快速地接近10MHz, 但改变恒温晶振频率还需有一定的响应时间,另外快速调整压控端的电压还会产生过调现象,让稳定度不佳.为进一步提高晶振频率的精度与稳定性,结合恒温晶振短期稳定度高的特点,在数字鉴相器模块中,以GPS 的IPPS 信号作为基准,测量信号相位差.依据GPS 没有累积误差的特点,采用滑动平均滤波法来降低GPS 秒脉冲对量带来的干扰在环路滤波器模块中设计FIFO 存储器来配合计算出最近200s 的平均相位差,通过不停地对比长时的平均相位差和短时的相位差,分析相位差的长短期变化的动态,实时调节恒温晶振的控制电压.从而保证晶振输出稳定的同时准确的10MHz 时钟信号.此方法简单实用而且可有效抑制IPPS 抖动对晶振产生的影响.
3、电路设计.D/A 芯片选用TLV5616,它是低功耗单片12 位串行数模转换器,分辨率为4096,该芯片采用三线制（SYNC、DIN）串行接口,SCLK 方波信号下降沿时,TLV5616 将读取的DIN 的电平信号转化成对应的电压送往恒温晶振.在GPS 基础上设计了授时功能.
三、实验结果
当正确接收到卫星信号时,系统短时间内能将恒温晶振的频率校准到更高的准确度和稳定性. 实验结果表明,恒温晶振可以调整输出更精确的10MHz 信号,误差小于0.01Hz,频率精度和长期稳定性得到了显着改善.IPPS 信号没有累积误差. 在IPPS 信号的201 个连续上升沿之间,使用200s 作为闸门时间,并且当恒温晶体MV180 处于受控和未调节状态时,测量每200 秒的平均频率偏差.
四、结束语
从文中的分析和详细的实验结果可以看出,基于GPS 的秒信号实现了自动测量恒温晶体振荡器的频率漂移和晶振电压控制端功率的自动控制,能有效抑制晶体振荡器受到老化和外部干扰的影响,可以在较短的时间内将晶振校准到更高的频率精度,并提高了长期稳定性. 晶振频率精度的显着提高也有利于授时功能的设计. 总之,本系统采用实用简便的方法,达到了恒温晶振调整到更高指标的目的,应用价值更加广泛.
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