CEOB2B晶振平台

在进行系统测试时,被锁晶振采用高稳定度f="/OCXOcrystal.html" title="恒温晶体振荡器" target="_blank">恒温晶体振荡器(10MHz±3Hz),GPS接收机选用LASSEN IQ型,采用5585B-PRS型铯原子频标作为频率参考,该铯原子频标可输出10MHz信号,具有较好的频率准确度及稳定度,其频率准确度优于5×10-12,秒级频率稳定度优于1×10-11/s。

采用相位比对的方法来测试被锁f="/Quartzcrystal.html" title="石英晶振" target="_blank">石英晶振的相对频率准确度,测试连接图如图5.1所示。将被锁定的晶体振荡器的10MHz频率信号和铯原子频标产生的10MHz频率信号分别作为开关门信号输入到精密时间间隔测试仪HP5370B(分辨率为20ps) 进行比对测试,HP5370B输出的时间间隔值与两个比对信号的相位差成正比。该时间间隔值的变化反映了两个信号的相位差的变化。计算相对频差的公式为:

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其中,τ为取样周期;△T为在取样周期τ内两信号累积的相位差变化。由此式可以看出,△T的测量误差取决于HP5370B的时间间隔测量分辨率,最小为±20ps,也就是在ls闸门时间内相对晶振频率准确度为±2×10-11,但是随着采样时间r的增大,测量误差可以大大的减小,精度也不断提高。

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由于天气等原因,对接收机工作有影响,所以做实验时适当选择比较好的天气。取样时间设定为40s,OCX0f="/OSCillator.html" title="石英晶体振荡器" target="_blank">石英晶体振荡器在系统运行3小时后即进入锁定状态,开始对晶体振荡器锁定状态下与铯原子频标进行相位比对测试,记录系统连续工作10小时的数据,图5.2为OCXO晶振的频率准确度随时间的变化曲线。

从图5.2中可以看出,锁定后OCXO晶振的频率值在标称频率上下起伏,最大起伏约为9.0×10-11。通过计算,图5.2中所显示的频率平均准确度达到73×10-12,相对于所采用晶体振荡器的约5×10-10/d的老化率有明显改进,同时也说明晶振频率的漂移得到了一定程度的修正。

在进行石英f="/SMDcrystal.html" title="贴片晶振" target="_blank">贴片晶振频率稳定度测试时,由于实验室测频仪器测量的分辨率的有限,ls和10s的稳定度由直接测频法计算得到,而100s、1000s、5000s和10000S由比相间接测频法计算得到,相位比对数据采用上面图5.2中所采集的数据。锁定后, OCXO的频率稳定度测试结果如表5.1所示:

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从表51中可以看出,锁定后的OCXO恒温晶体振荡器的短期稳定度基本保持了其本身的指标,而其中长期稳定度不是非常理想,这是由lPPS中存在的中长期相位漂移以及Kalman滤波和PID控制参数还不是很合理造成的,但总体较其本身指标,有一定程度的提高。因此,后续工作需要增大滤波时间常数,进一步继续优化 Kalman滤波和PID控制模型的参数,使得 Kalman滤波的收敛值更小,对OCXO晶振频率的调整幅度和频度更低。

高精度的时间测量是实现驯服保持的基础,一般都使用比时法测频差的方法实现对f="/OCXOcrystal.html" title="OCXO晶振" target="_blank">OCXO晶振的锁定,其中最常用的方法就是直接计数法,即在有待测时间间隔构成的闸门信号中填入脉冲,通过必要的计数电路,得到填充脉冲的个数后再乘以填充周期便可计算出待测的时间间隔。但是这种方法的测量精度很低,主要取决于填充脉冲的频率,频率越高测量精度越高,但在实际应用中,这会大大提高对相应器件和线路的要求,同时还存在±1个字的量化误差,直接计数法如图4.3

所示：

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其它常用的时间间隔测量方法还有模拟内插法、游标法、量化延迟法、时间幅度转化法,虽然这些方法都具有很高的测量分辨率,但是它们的测量范围都很小,于是考虑将直接计数法和上述某一种高分辨率测量方法相结合的测量方法, 从而可以同时兼顾到测量分辨率和测量范围。

本文采用将直接计数法和时间一幅度转化法相结合的时间间隔测量方法,对时间间隔闸门首先用直接计数法计数,由图43所示,T为被测时间间隔值,T为由直接计数法计算得到的时间间隔测量结果,T和T2分别代表代表时间间隔的开始信号和结束信号与计数时钟信号之间的不同步部分,即直接计数法中存在的f="/Quartzcrystal.html" title="石英晶振" target="_blank">石英晶振量化误差部分,而这两部分短时间间隔值由采用时间一幅度转换法来测量。因此被测时间间隔值可由下式计算得到:

TX=TN+T1-T2           式(4-1)

由于输入到时间间隔测量模块的两信号为来自GPS接收机的IPPS信号和OCXO晶振分频得到的1Hz信号,分别以待测闸门的上升沿和下降沿作为短时间间隔T和T的开门信号,以紧随它们的第一个填充信号的上升沿和下降沿作为关门信号。

因为填充脉冲为OCXOf="/OSCillator.html" title="石英晶体振荡器" target="_blank">石英晶体振荡器输出的10MHz信号,理论上1Hz信号和填充脉冲的上升沿是严格对齐的或者有一个固定的相位差,所以可以认为结束信号与填充脉冲之间的相位关系不再是随机的,而是相关的。也就是在该系统中只需考虑待测时间向间隔开门后的短时间间隔T,而不必考虑关门后的短时间间隔T2,所以待测时间间隔变为T=T+T1,时间一幅度转换法的原理图如图4.4所示同。

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具体电路实现时采用CPLD和带有AD转换器的单片机MSP430F247)以及外围的电流源电路、高度开关、放电MOS管等构成,充放电电路如图45所示。

CPLD用于取出直接计数法中计数时钟信号和代表被测时间间隔闸门的开始信号和结束信号之间的不同步部分,并将它们转化为窄脉冲输出。当短时间间隔脉冲CH1的开门信号输入到三极管Q1的基极时,用+5V的直流电源对电容进行充电,以实现时间一幅度初步转换;当短时间间隔闸门的关门信号到来时,三极管截止,停止充电并保持充电电压。

f="/" title="晶振" target="_blank">晶振信号调理电路将其幅度调理到单片机AD转换器的输入范围内后送入单片机的AD转换器进行转化,完成转化后向效应管BS170发出个复位信号CH_2,使场效应管导通,电容迅速放电,为下一次测量做好准备最后单片机根据AD转换结果,计算出对应的时间间隔值,从而完成了一次完整的测量过程。

这种方法的优点是测量分辨率高,转换时间短。但不足之处就是转换存在非线性误差,因此使用前需要对其校准,将时间间隔随时间变化的两路不同源信号同时输入测量模块和HP5370B,进行测量范围内的约40点逐点校准,而后将校准数据存入单片机自带的Fash存储器,测量时査表并线性拟合得到结果,该区间内根据式(4-2)按线性关系计算该电压值所对应的短时间间隔值T1.

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其中U为AD转换得到的电压值,Um和U-分别为所对应电压区间的上限电压值,Tm和T分别为Um和Um所对应的标准时间间隔值,这样就在一程度上减小了非线性误差。

未来温补晶振的发展方向是向小型化、片式化、高精度和高稳定度方向不断发展，实现晶振的低噪声、高频化以及低功耗。近年来，国内的温补晶振产品水平得到了很大的提高，实现了在室温下精度优于±face="Calibri">1ppmface="宋体">，第一年的频率老化率为±face="Calibri">1ppmface="宋体">，频率（机械）微调≥±face="Calibri">3ppmface="宋体">，电源功耗≤face="Calibri">120mwface="宋体">。最高精度可达±face="Calibri">0.05ppmface="宋体">。由此可见，face="Calibri">TCXOface="宋体">晶振的技术水平还有很大的提升空间，创新的内容和潜力还很大。然而，科学技术的发展不能一蹴而就，它将伴随整个电子行业的发展一同前行。

在前面的文章中我们有提到过对基于GPS信号的OCXO驯服保持的总体设计方案进行了介绍,而在接下来的文章中CEOB2B晶振平台将对该系统中的关键部分:时间间隔测量模块、 Kalman滤波消除IPPS信号抖动模块以及频率校准等进行详细的阐述。

GPS秒信号的判断及处理

由第二章的叙述可知,GPS接收机正常工作的条件是至少同时可以接收到四颗以上卫星的有效信号,当接收到的卫星个数少于4颗时,定位和定时信息是不准确的甚至是错误的。

出现这样的原因一般有:个别卫星退出工作、天线安装位置不当、卫星故障等,这些都有可能造成接收到有效信号的卫星个数过少。而且有实验证明即使将接收天线从接收机上拔掉,在其后的很长一段时间内GPS接收机仍有PS输出,但此时的1PS与UTC已经有很大的差别,由此可见,GPS接收机完全有可能输出错误的lPPS信号。另外,信号在传递过程中受到来自外界电磁信号的干扰,GPS接收机输出的1PPS信号中可能含有毛刺,导致伪1PPS信号的产生,从而导致系统的误动作,因此有必要采取抗干扰措施。这里采用硬件开窗方法消除干扰2,原理如图4.1所示。

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图中的CLK信号由高稳定度的f="/OCXOcrystal.html" title="恒温晶振" target="_blank">恒温晶振提供,在系统上电复位后,启动单片机的串行通讯口,接收GPS信息,根据解码信息中的工作状态指示判断PPS的有效性。当初始触发分频信号到来之后,通过控制信号设置FPGA中的计数器在接收到的GPS1PS上升沿的附近产生一个短时间的高电平窗口信号,相当于一个与门,过滤掉窗口外的干扰信号。

另外,通过f="/Quartzcrystal.html" title="石英晶振" target="_blank">石英晶振单片机自带的外部中断模块来对去掉干扰后的PPS信号的上升沿进行检测,根据检测结果判断GPS接收机是否正常工作,来决定系统的工作模式是驯服模式还是保持模式,具体消除1PS中干扰脉冲的波形图如图4.2所示。

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下面主要介绍处理干扰时的重点:

1.初始触发分频信号的判断

系统初始化后,用单片机的外部中断连续三次检测来自GPS接收机的1PPS信号,如果三次都检测到则给出初始触发分频信号。

2.设置合理的“窗口”信号

由于OCXO晶振的输出频率比较稳定,当初始触发分频信号到来吋刻起,利用FPGA中的计数器和OCXOf="/OSCillator.html" title="石英晶体振荡器" target="_blank">石英晶体振荡器输出的倍频信号可以大致计算出下一个有效PPS脉冲的到来时刻,经过(1-△)秒后打开“窗口”,在计算得到的第二个PPS脉冲的到来时刻后的M秒后关闭该“窗口”,只要M选择得足够小,则抗干扰效果就非常的明显。

3.GPS信号的失效检测及处理

对于整个驯服系统来说,GPS信号丢失会产生严重的后果,原因可能是接收机接收到的卫星个数少于四颗,如上面所说的天线的安装,有源晶振,石英f="/SMDcrystal.html" title="贴片晶振" target="_blank">贴片晶振选用问题等,使接收机处于非正常工作状态。或者是GPS接收机与单片机模块或者与门逻辑的接口出现问题,使GPS秒脉冲信号或时间状态信息不能正常传输。

假如是第一种情况,接收模块可通过GPS接收机串口输出的状态信息判断其输出信号是否失效,后面的软件程序作出相应的处理。假如是第二种情况,属于两种功能模块之间的通信故障,系统相关模块不可能从GPS接收模块获得GPS的工作状态信息或者秒脉冲信号,GPS_1PPS秒脉冲入口处的电平不会出现任何变化。

此时,相关模块必须有独自判断GPS是否失效的能力。可以在“窗口”信号开通期间使用单片机相关外部中断模块,如果没有检测到正确跳变,说明GPS信号失效;如果“窗口”信号开通期间相关中断模块能捕捉到正确跳变,则说明GPS信号可能已恢复正常,此时系统可以继续对OCXO晶振进行校准。

晶振是种控制频率元件，在电路模块中提供频率脉冲信号源，在信号源传输的过程中f="/" title="http://www.jingzhen95.com/" target="_blank">晶振在电路配合下发出指令，通过与其他元件配合使用。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的f="/Quartzcrystal.html" title="石英晶振" target="_blank">石英晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

单片机工作时，是一条一条地从RoM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。—个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了12MHz石英晶振，它的时钟周期是1／12us，它的一个机器周期是12×(1／12)us，也就是1us。单片机中少不了石英f="/SMDcrystal.html" title="贴片晶振" target="_blank">贴片晶振的使用，那么关于单片机选择又有哪些窍门呢？

随着计算机和微电子技术的迅猛发展,单片机技术在各个行业得到了广泛的应用。由于单片机集成度高、体积小、功能强、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点,被广泛的应用在各种智能仪表、工业控制及家电控制领域。根据系统设计的要求,单片机是整个系统的控制和数据处理中心,需要丰富的lO资源实。

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现点阵液晶显示并与FPGA等芯片进行数据传输;需要串口完成与PC机通信的功能;需要该单片机具有片上A/D(模数)转换功能配合FPGA芯片,石英贴片晶振完成时间间隔测量,还需要L/O口中断、串口中断和A/D转换完成中断等中断资源满足设计中的各种中断处理,而且系统还需要在单片机上实现 Kalman滤波等算法,需要芯片具有硬件乘法器,具有一定的数据处理能力综合以上要求选择TI公司的MSP430系列中的MSP430F247型单片机作为整个系统的控制部分。

MSP430系列中的MSP430F247型单片机采用的是“冯-诺依曼”结构,具有16位结构的CPU,采用RSC指令集,最高工作频率8M,片上集成了64K的 FLASH ROM和1K的RAM,通过JAG接口,可以方便的实现在线编程和调试,非常利于软件程序的调试。

这款单片机的特点有:

(1)具有丰富的I/O资源,六个8位的I/O端口,所有的o位都可以独立程,任何输入输出和中断条件的组合都是可以的,其中PI和P2口的8位都具中断能力,如串口接收、发送中断和A/D转换完成中断等,所以此款单片机的中断能力得到大大提高,符合此系统设计需要用到中断处理的要求;

(2)具有丰富的外围模块:8路12位的A/D输入可实现A/D转换的功个 USART串行接口可实现与PC机通信的功能.

(3)具有硬件乘法器,可以大大的提高对数据的处理能力,例如实现 Kalman滤波等算法。该的单片机功能齐全,完全可以满足系统设计的需求,而且还有利于系统进一步的扩展升级。

通过前面CEOB2B晶振所发表的文章中相信大家对GPS系统以及晶振在GPS中的应用有了更深的了解.我们知道GPS输出的1PPS信号具有很好的长期稳定性,但是短期稳定性却很差。利用GPS信号来定时估计出f="http://www.vc-tcxo.com" title="晶振" target="_blank">晶振输出频率的偏差,并实时地进行校准,就可以得到短期稳定性和长期稳定性都很好的频率标准。锁定后的晶体振荡器能输出高精度的频率信号,其短期稳定度能保持本地振荡器的水平,优于l×10-11/s,并能在本地被控振荡器上有效地复现接收的标准时间频率信号的长期稳定度和准确度,锁定状态下频率准确度优于5×10-11,日漂移率达到10-13量级。

根据系统需要开发成本低、安全可靠的设计原则,提出了系统的整体设计方案。整个系统由高稳定度f="/OscillatorCrystal.html" title="有源晶振" target="_blank">有源晶振,恒温石英晶体振荡器、GPS接收机、时间间隔测量模块、微处理器模块、高分辨率DA转化及信号调理模块、分频模块和显示等部分构成, 在控制软件(包括FPGA、单片机两部分)的控制下协调工作,其组成框图如图

3.1所示

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方案各模块功能介绍

1.GPS接收机模块:接收GPS信号,输出标准IPPS秒信号(一般含有干扰脉冲),所以直接使用此信号不合适,必须通过解码判断其有效性并进行处理,然后用于校准f="/Quartzcrystal.html" title="石英晶振" target="_blank">石英晶振。

2.时间间隔测量模块:测量GPS接收机输出的1PPS信号和OCXO分频产的1Hz秒信号的上升沿之间的时间间隔值,并把测量结果传送给数据处理模块, 考虑到精度问题,先把OCXO晶振倍频到100MHz再分频成1Hz。

3.数据处理模块:在GPS信号有效时,接收时间间隔测量模块传送的数据运用Kalman滤波算法对测量的时间间隔进行数字滤波,消除lPPS信号的抖动。具体实现取相隔采样周期τ的两个滤波后的时间间隔差值△T1和△T2,得到相位差△T=△T2-△T1,用比时法计算相对频差：

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其中,f6为被校准f="/OSCillator.html" title="石英晶体振荡器" target="_blank">石英晶体振荡器的标称频率,Δf为石英晶体振荡器的测量频率与标称频率的差值。计算出频率4f后,根据OCXO的压控灵敏度系数K计算被校石英晶体振荡器控制电压的数字量,再通过高精度的D/A转换得出石英晶体振荡器的控制电压(控制电压U=U+Δf/K),达到校正晶体振荡器输出频率的目的。经过多次测量和控制,最终把石英晶体振荡器的准确度和稳定度都锁定在GPS卫星星载钟上。

同时, 系统还有自动记录功能,把校正数据,根据接收传感器组和辅助时钟模块发送的时间和温度等信息,把校正数据和与之对应的时间、温度等信息保存起来,GPS信号有效时,通过相应的算法分离出温度、老化等因素对石英f="/SMDcrystal.html" title="贴片晶振" target="_blank">贴片晶振的影响,如果检测到GPS信号失效后,结合采集到的实时温度和时间信息,利用失效前得到的预测模型,计算出老化和温度各自对输出频率的影响量,然后合成输出校正量来继续校准恒温晶振,使石英晶体振荡器能继续保持一定的精度。同时控制LCD的显示。

4.高分辨率D/A转换及信号调理模块:接收数据处理模块发送的控制数据, 将其转化为模拟控制电压,并通过相应的信号调理电路,使模拟电压的范围符合f="/OCXOcrystal.html" title="OCXO晶振" target="_blank">OCXO晶振的电压压控范围。

5.分频控制模块:将输入的经过校正后的原始频率信号进行分频,产生用于测量和同步输出的秒脉冲,并可以控制输出秒脉冲的脉冲宽度。

6.传感器组和辅助时钟模块:采集对OCXO晶振输出频率精确度有一定影响的温度和老化时间等信息,并传输给数据处理模块,为分离出温度、老化的影响提供相应的数据。

2017年可以说是黑科技和智能化的大爆炸，各种黑科技智能产品层出不穷，就如同雨后春笋一般蹭蹭直往外冒，生长速度也是快的惊人。其中智能手机市场前进的脚步可以说是最快的，如果说2017年的火车站刷脸进站可以说是智能黑科技，那么智能手机新增加的3D人脸立体识别就可以说是黑科技中的黑科技了。智能手机不仅在2017实现了各种新黑科技的增加，在年销量中也是比上一年增长了一大截，小米也实现了它的一个亿的小目标。

GPS介绍及恒温晶体振荡器OCXO模型建设

导航星全球定位系统 NAVSTAR/GPS Global Navigation Satellite Timing and Ranging Positioning System/Global Positioning System,简称GPS)是一个全新体制的定位定时系统,是可供全球共享的具有很高应用价值的空间信息资源,已经成为目前世界上应用范围最广、实用性最强的全球精密授时、测距和导航定位系统.

如图2.1所示。

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GPS系统组成:全球定位系统(GPS)出3个部分组成:卫星星座,地面控制/监视网络和用户接收设备,也称其为空间部分、地面支撑系统、用户设备部分。

空间部分:空间为GPS卫星星座,由24颗GPS导航星组成(其中21颗工作3颗备均匀配置在6个与赤道夹角为55°的近圆形轨道上,轨道夹角为60°,这些卫星发播的信号能覆盖全球各个角落。这样可以保证全球任何地方的用户能在任何时刻观测到5~8颗GPS卫星,这些卫星工作在两种频率下:1575.42MHz和1227.6MHLz,卫星上均有遥测遥感天线,用于与地面监控系统通讯,每颗卫星都带有两台小型铯或氢原子钟(稳定度达2×10-13~1×10-14)、微型计算机、电文存储器和数据接收与发射设备,并且由太阳能电池及后备镉镍电池提供电源。

地面测控部分:由五个地面监测站、数据注入站和一个主控站组成。主控站位于科罗拉多州的联合空间执行中心,三个注入站分别设在大西洋的阿松森岛、印度洋的狄哥·伽西亚和太平洋的卡瓦加兰,五个监控站设在主控站、三个注入站和夏威夷岛,其示意图如图2.2。

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主控站昼夜不停地自动分析处理来自个监测站地数据,编算出每个卫星的星历和GPS时间系统,将预测的卫星星历、钟差以及状态数据,然后把这些修正数据传送到数据注入站,由注入站再把修正数据分别发送递给相应的卫星。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离,必要时调度卫星,让备用卫星取代失效的工作卫星。

五个监测站的主要任务是对每个卫星进行观测,并向主控站提供观测数据。每个监控站配有GPS接收机(这里对于石英晶振应用的要求就高了),对每个卫星进行常年连续不断的测量,每6秒进行一次伪距测量和多普勒观测、采集气象要素等数据。监测站是一个无人值守的数据采集中心,受主控站的控制,定时将观测的数据传送到主控站。五个监控站分布在全球范围,保证了GPS精密定轨的要求。对卫星的监视加注,每天至少要进行一次。通过这样的加注办法来补偿卫星钟的步调差和信号传播(GPSf="/SMDcrystal.html" title="贴片晶振" target="_blank">贴片晶振)过程中的变化,使卫星钟与GPS主钟之间保持精密的同步。

使用传统AT切割晶体封装方法的音叉石英晶振亦能以4.1毫米×1.5毫米、3.2毫米×1.5毫米及2毫米×1.2毫米这样的小尺寸供货。目前主要的目标是将这类石英音叉的厚度推向0.4毫米或更薄，以供轻薄型产品使用。预计在几年后，即会出现需要更小尺寸石英晶体(1.6毫米×1毫米及1毫米×0.8毫米)的应用，而石英晶体制造商正对此进行相应准备。