一種基于FPGA的壓控晶振同步頻率控制系統(tǒng)

于亞靜

摘要：晶振時鐘信號存在長期穩(wěn)定度差和累積誤差的問題。本文是利用GPS提供的1pps秒脈沖信號，在FPGA的基礎(chǔ)上利用干擾秒脈沖信號消除和偏差頻率平均運(yùn)算等方法，減少外圍電路，既消減了GPS時鐘信號的隨機(jī)干擾誤差，又消除了本地晶振時鐘信號的累計誤差，從而控制本地壓控晶振輸出頻率，提高晶振的長期穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：壓控晶振；FPGA控制；晶體振蕩器；同步秒脈沖

1頻率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

FPGA頻率控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)輸入是GPS接收機(jī)在跟蹤衛(wèi)星時產(chǎn)生的1pps秒脈沖信號，邏輯電平輸出，高電平持續(xù)時間為1.01±0.01ms，以高電平的上升沿作為秒脈沖信號輸出的基準(zhǔn)時間。數(shù)字控制電路為FPGA控制電路，主控芯片為EP1C6144TQFP，可以反復(fù)軟件編程，修改電路方案，外圍硬件電路少，可靠性高。該電路將測量本地壓控晶振產(chǎn)生同步秒脈沖與1pps秒脈沖之間的相位差，采用干擾秒脈沖信號消除和偏差頻率平均運(yùn)算等方法得到同步信號所需的相對頻差。D/A轉(zhuǎn)換器將相對頻差轉(zhuǎn)換為模擬控制電壓，反饋到本地恒溫壓控晶振的控制端調(diào)整高穩(wěn)晶振的頻率信號，減小與1pps秒脈沖的同步相差，從而提高振蕩器高頻準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步時鐘的馴服功能。

圖1FPGA頻率控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理

2系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能設(shè)計主要包含硬件設(shè)計和軟件設(shè)計2大部分，軟件實(shí)現(xiàn)部分為：以VHDL編程語言實(shí)現(xiàn)GPS信號對晶振的馴服功能，包括如何消除GPS干擾信號的方法，實(shí)現(xiàn)GPS同步時鐘的方法，丟失GPS信號后繼續(xù)對晶振頻率的馴服控制，以及輸出本地同步秒時鐘信號。硬件實(shí)現(xiàn)部分為：D/A轉(zhuǎn)換器提供轉(zhuǎn)換后的模擬控制電壓，恒溫壓控晶振根據(jù)模擬電壓校準(zhǔn)頻率，并反饋回FPGA處理器。

2.1干擾信號判斷及消除

1pps秒脈沖信號以方波形式輸出，高電平表示有秒脈沖輸出，高電平脈沖寬度不是恒定值，持續(xù)時間約為1ms，有0.01ms的誤差，這就導(dǎo)致在1pps信號高電平期間的晶振計數(shù)值不相等。另外由于干擾，接受到的1pps信號中有干擾脈沖信號，若把干擾脈沖上升沿作為1pps信號的上升沿開始計數(shù)，計數(shù)結(jié)果必然不準(zhǔn)確，所測得的晶振頻率值與實(shí)際值偏差過大。需要軟件判斷出干擾信號并作出處理。

數(shù)字電路中干擾脈沖的高電平持續(xù)時間多數(shù)是微秒級，很少有超過1pps秒脈沖信號高電平持續(xù)時間的，因此以秒脈沖高電平持續(xù)時間作為判斷依據(jù)，以本地壓控晶振計數(shù)來實(shí)現(xiàn)計時功能。晶振標(biāo)稱頻率是10MHz，2ms的計數(shù)值理論值為20000。在晶振高頻脈沖輸出事情發(fā)生clkeventandclk=1的前提下，遇到1pps信號事件sclkeventandsclk=1開始計數(shù)，同時用寄存器counter4保存計數(shù)值，如超過2ms高電平的脈沖信號為正常1pps信號，若小于2ms則認(rèn)為是干擾信號，寄存器counter4計數(shù)值返回至該信號脈沖上升沿前的計數(shù)值。

2.2頻率偏差值計算

由于本地恒溫壓控晶振短期穩(wěn)定度高，小于1×10-10/s，可以不考慮晶振秒脈沖的隨機(jī)誤差，只考慮累積誤差產(chǎn)生的頻率偏差及線性漂移誤差，晶振分頻秒時間序列的第x個秒時鐘的時間誤差e（x）為：

式中：a為秒時間序列的初始誤差，b為頻率偏差的誤差系數(shù)，c為頻率線性漂移的誤差系數(shù)。通過一元二次回歸分析可得式（1）的晶振誤差估計值服從正態(tài)分布：

根據(jù)回歸分析，可得，當(dāng)x=0時，秒時鐘的時間誤差的方差有最大值Dmax。通過分析上式最大方差Dmax與回歸分析樣本數(shù)n之間關(guān)系得，樣本數(shù)n越大，最大方差Dmax越小，也就是晶振分頻秒脈沖與GPS秒時鐘的偏差越小。但樣本數(shù)n不能取無限大，受FPGA軟硬件資源的限制，一般來說，當(dāng)n≥3時，調(diào)整后的晶振分頻秒脈沖的時間偏差小于GPS秒時鐘的偏差，可以滿足要求。

2.3D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器后有二級放大器，第一級實(shí)現(xiàn)電流輸出向電壓輸出的轉(zhuǎn)換；第二級將上級輸出的0～+5V的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極性輸出，即-5V～+5V直流電壓，以供晶體振蕩器EFC端需要。系統(tǒng)中的D/A轉(zhuǎn)換采用十二位的CB1230芯片，其分辨力為1/4096。當(dāng)基準(zhǔn)電壓為+5V時，加在EFC端電壓將在-5V～+5V之間，電壓最小分辨力為2.44mv。由于本系統(tǒng)中晶振壓控特性規(guī)定了晶振在-5V～+5V電壓范圍內(nèi)，輸出頻率將在-l×10-7～1×10-7Hz內(nèi)變化，因而頻率調(diào)整最小步進(jìn)量為0.488MHz，準(zhǔn)確度調(diào)整最小步進(jìn)量為4.88×10-11，可滿足1×10-10準(zhǔn)確度控制要求。

2.4壓控晶體振蕩器

系統(tǒng)使用的是DX2116數(shù)字補(bǔ)償壓控溫補(bǔ)晶體振蕩器，該振蕩器標(biāo)稱頻率為10MHz，溫度穩(wěn)定度為±1×10-7，年老化率為±1×10-6，短期1s穩(wěn)定度為±1×10-10。壓控晶體振蕩器電路原理圖如圖2所示。VCC端為電源端，接+5V電源，電容C1、C2構(gòu)成電源穩(wěn)壓濾波電路。OUT為晶振頻率輸出端。RL、CL構(gòu)成防脈沖干擾尖峰作用。晶振第2引腳接地。VC為壓控晶振電壓控制輸入端，接收由FPGA輸出頻率偏差值經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的模擬控制電壓值。晶振第3引腳輸出晶振脈沖反饋給FPGA控制器?？刂齐妷号c晶振輸出頻率數(shù)值如表1所示。

圖2壓控晶體振蕩器電路原理

表1控制電壓與晶振輸出頻率數(shù)值

3本地同步秒脈沖

本地壓控晶振經(jīng)數(shù)字控制頻率后，頻率準(zhǔn)確度和長期累積頻率誤差已達(dá)到要求。對校準(zhǔn)后的壓控晶振輸出10MHz進(jìn)行分頻，以接收GPS的第1個1pps信號上升沿作為時間同步基準(zhǔn)，軟件進(jìn)行分頻，輸出本地的1pps秒同步信號。此時本地同步秒脈沖信號通用性好，其高電平持續(xù)時間可在線編程改變，滿足不同場合要求，消除GPS信號跟蹤丟失的問題。

4結(jié)論

本文根據(jù)壓控晶振時鐘精度長期累積誤差的特點(diǎn)，采用用晶振信號同步GPS時鐘信號產(chǎn)生高精度時鐘，以FPGA為主要的控制部件，詳述了系統(tǒng)硬件和軟件的應(yīng)用設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了本地壓控晶振的數(shù)字同步時鐘馴服控制，該電路避免使用分立硬件電路和單片機(jī)，能夠消除或削弱干擾的影響，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，提高了可靠性和容錯性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李方洲，張建平.高精度壓控晶振頻率控制特性分析及控制系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)， 2000，23（1）：22-24.

[2]左建生，董蓮，陸福敏，等.時間頻率遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2010，33（4）：1-3.

[3]曾祥君，尹項(xiàng)根，林干，等.晶振信號同步GPS信號產(chǎn)生高精度時鐘的方法及實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27（8）：49-53.endprint

摘要：晶振時鐘信號存在長期穩(wěn)定度差和累積誤差的問題。本文是利用GPS提供的1pps秒脈沖信號，在FPGA的基礎(chǔ)上利用干擾秒脈沖信號消除和偏差頻率平均運(yùn)算等方法，減少外圍電路，既消減了GPS時鐘信號的隨機(jī)干擾誤差，又消除了本地晶振時鐘信號的累計誤差，從而控制本地壓控晶振輸出頻率，提高晶振的長期穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：壓控晶振；FPGA控制；晶體振蕩器；同步秒脈沖

1頻率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

FPGA頻率控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)輸入是GPS接收機(jī)在跟蹤衛(wèi)星時產(chǎn)生的1pps秒脈沖信號，邏輯電平輸出，高電平持續(xù)時間為1.01±0.01ms，以高電平的上升沿作為秒脈沖信號輸出的基準(zhǔn)時間。數(shù)字控制電路為FPGA控制電路，主控芯片為EP1C6144TQFP，可以反復(fù)軟件編程，修改電路方案，外圍硬件電路少，可靠性高。該電路將測量本地壓控晶振產(chǎn)生同步秒脈沖與1pps秒脈沖之間的相位差，采用干擾秒脈沖信號消除和偏差頻率平均運(yùn)算等方法得到同步信號所需的相對頻差。D/A轉(zhuǎn)換器將相對頻差轉(zhuǎn)換為模擬控制電壓，反饋到本地恒溫壓控晶振的控制端調(diào)整高穩(wěn)晶振的頻率信號，減小與1pps秒脈沖的同步相差，從而提高振蕩器高頻準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步時鐘的馴服功能。

圖1FPGA頻率控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理

2系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能設(shè)計主要包含硬件設(shè)計和軟件設(shè)計2大部分，軟件實(shí)現(xiàn)部分為：以VHDL編程語言實(shí)現(xiàn)GPS信號對晶振的馴服功能，包括如何消除GPS干擾信號的方法，實(shí)現(xiàn)GPS同步時鐘的方法，丟失GPS信號后繼續(xù)對晶振頻率的馴服控制，以及輸出本地同步秒時鐘信號。硬件實(shí)現(xiàn)部分為：D/A轉(zhuǎn)換器提供轉(zhuǎn)換后的模擬控制電壓，恒溫壓控晶振根據(jù)模擬電壓校準(zhǔn)頻率，并反饋回FPGA處理器。

2.1干擾信號判斷及消除

1pps秒脈沖信號以方波形式輸出，高電平表示有秒脈沖輸出，高電平脈沖寬度不是恒定值，持續(xù)時間約為1ms，有0.01ms的誤差，這就導(dǎo)致在1pps信號高電平期間的晶振計數(shù)值不相等。另外由于干擾，接受到的1pps信號中有干擾脈沖信號，若把干擾脈沖上升沿作為1pps信號的上升沿開始計數(shù)，計數(shù)結(jié)果必然不準(zhǔn)確，所測得的晶振頻率值與實(shí)際值偏差過大。需要軟件判斷出干擾信號并作出處理。

數(shù)字電路中干擾脈沖的高電平持續(xù)時間多數(shù)是微秒級，很少有超過1pps秒脈沖信號高電平持續(xù)時間的，因此以秒脈沖高電平持續(xù)時間作為判斷依據(jù)，以本地壓控晶振計數(shù)來實(shí)現(xiàn)計時功能。晶振標(biāo)稱頻率是10MHz，2ms的計數(shù)值理論值為20000。在晶振高頻脈沖輸出事情發(fā)生clkeventandclk=1的前提下，遇到1pps信號事件sclkeventandsclk=1開始計數(shù)，同時用寄存器counter4保存計數(shù)值，如超過2ms高電平的脈沖信號為正常1pps信號，若小于2ms則認(rèn)為是干擾信號，寄存器counter4計數(shù)值返回至該信號脈沖上升沿前的計數(shù)值。

2.2頻率偏差值計算

由于本地恒溫壓控晶振短期穩(wěn)定度高，小于1×10-10/s，可以不考慮晶振秒脈沖的隨機(jī)誤差，只考慮累積誤差產(chǎn)生的頻率偏差及線性漂移誤差，晶振分頻秒時間序列的第x個秒時鐘的時間誤差e（x）為：

式中：a為秒時間序列的初始誤差，b為頻率偏差的誤差系數(shù)，c為頻率線性漂移的誤差系數(shù)。通過一元二次回歸分析可得式（1）的晶振誤差估計值服從正態(tài)分布：

根據(jù)回歸分析，可得，當(dāng)x=0時，秒時鐘的時間誤差的方差有最大值Dmax。通過分析上式最大方差Dmax與回歸分析樣本數(shù)n之間關(guān)系得，樣本數(shù)n越大，最大方差Dmax越小，也就是晶振分頻秒脈沖與GPS秒時鐘的偏差越小。但樣本數(shù)n不能取無限大，受FPGA軟硬件資源的限制，一般來說，當(dāng)n≥3時，調(diào)整后的晶振分頻秒脈沖的時間偏差小于GPS秒時鐘的偏差，可以滿足要求。

2.3D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器后有二級放大器，第一級實(shí)現(xiàn)電流輸出向電壓輸出的轉(zhuǎn)換；第二級將上級輸出的0～+5V的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極性輸出，即-5V～+5V直流電壓，以供晶體振蕩器EFC端需要。系統(tǒng)中的D/A轉(zhuǎn)換采用十二位的CB1230芯片，其分辨力為1/4096。當(dāng)基準(zhǔn)電壓為+5V時，加在EFC端電壓將在-5V～+5V之間，電壓最小分辨力為2.44mv。由于本系統(tǒng)中晶振壓控特性規(guī)定了晶振在-5V～+5V電壓范圍內(nèi)，輸出頻率將在-l×10-7～1×10-7Hz內(nèi)變化，因而頻率調(diào)整最小步進(jìn)量為0.488MHz，準(zhǔn)確度調(diào)整最小步進(jìn)量為4.88×10-11，可滿足1×10-10準(zhǔn)確度控制要求。

2.4壓控晶體振蕩器

系統(tǒng)使用的是DX2116數(shù)字補(bǔ)償壓控溫補(bǔ)晶體振蕩器，該振蕩器標(biāo)稱頻率為10MHz，溫度穩(wěn)定度為±1×10-7，年老化率為±1×10-6，短期1s穩(wěn)定度為±1×10-10。壓控晶體振蕩器電路原理圖如圖2所示。VCC端為電源端，接+5V電源，電容C1、C2構(gòu)成電源穩(wěn)壓濾波電路。OUT為晶振頻率輸出端。RL、CL構(gòu)成防脈沖干擾尖峰作用。晶振第2引腳接地。VC為壓控晶振電壓控制輸入端，接收由FPGA輸出頻率偏差值經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的模擬控制電壓值。晶振第3引腳輸出晶振脈沖反饋給FPGA控制器?？刂齐妷号c晶振輸出頻率數(shù)值如表1所示。

圖2壓控晶體振蕩器電路原理

表1控制電壓與晶振輸出頻率數(shù)值

3本地同步秒脈沖

本地壓控晶振經(jīng)數(shù)字控制頻率后，頻率準(zhǔn)確度和長期累積頻率誤差已達(dá)到要求。對校準(zhǔn)后的壓控晶振輸出10MHz進(jìn)行分頻，以接收GPS的第1個1pps信號上升沿作為時間同步基準(zhǔn)，軟件進(jìn)行分頻，輸出本地的1pps秒同步信號。此時本地同步秒脈沖信號通用性好，其高電平持續(xù)時間可在線編程改變，滿足不同場合要求，消除GPS信號跟蹤丟失的問題。

4結(jié)論

本文根據(jù)壓控晶振時鐘精度長期累積誤差的特點(diǎn)，采用用晶振信號同步GPS時鐘信號產(chǎn)生高精度時鐘，以FPGA為主要的控制部件，詳述了系統(tǒng)硬件和軟件的應(yīng)用設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了本地壓控晶振的數(shù)字同步時鐘馴服控制，該電路避免使用分立硬件電路和單片機(jī)，能夠消除或削弱干擾的影響，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，提高了可靠性和容錯性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李方洲，張建平.高精度壓控晶振頻率控制特性分析及控制系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)， 2000，23（1）：22-24.

[2]左建生，董蓮，陸福敏，等.時間頻率遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2010，33（4）：1-3.

[3]曾祥君，尹項(xiàng)根，林干，等.晶振信號同步GPS信號產(chǎn)生高精度時鐘的方法及實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27（8）：49-53.endprint

摘要：晶振時鐘信號存在長期穩(wěn)定度差和累積誤差的問題。本文是利用GPS提供的1pps秒脈沖信號，在FPGA的基礎(chǔ)上利用干擾秒脈沖信號消除和偏差頻率平均運(yùn)算等方法，減少外圍電路，既消減了GPS時鐘信號的隨機(jī)干擾誤差，又消除了本地晶振時鐘信號的累計誤差，從而控制本地壓控晶振輸出頻率，提高晶振的長期穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：壓控晶振；FPGA控制；晶體振蕩器；同步秒脈沖

1頻率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

FPGA頻率控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)輸入是GPS接收機(jī)在跟蹤衛(wèi)星時產(chǎn)生的1pps秒脈沖信號，邏輯電平輸出，高電平持續(xù)時間為1.01±0.01ms，以高電平的上升沿作為秒脈沖信號輸出的基準(zhǔn)時間。數(shù)字控制電路為FPGA控制電路，主控芯片為EP1C6144TQFP，可以反復(fù)軟件編程，修改電路方案，外圍硬件電路少，可靠性高。該電路將測量本地壓控晶振產(chǎn)生同步秒脈沖與1pps秒脈沖之間的相位差，采用干擾秒脈沖信號消除和偏差頻率平均運(yùn)算等方法得到同步信號所需的相對頻差。D/A轉(zhuǎn)換器將相對頻差轉(zhuǎn)換為模擬控制電壓，反饋到本地恒溫壓控晶振的控制端調(diào)整高穩(wěn)晶振的頻率信號，減小與1pps秒脈沖的同步相差，從而提高振蕩器高頻準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)數(shù)字同步時鐘的馴服功能。

圖1FPGA頻率控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理

2系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能設(shè)計主要包含硬件設(shè)計和軟件設(shè)計2大部分，軟件實(shí)現(xiàn)部分為：以VHDL編程語言實(shí)現(xiàn)GPS信號對晶振的馴服功能，包括如何消除GPS干擾信號的方法，實(shí)現(xiàn)GPS同步時鐘的方法，丟失GPS信號后繼續(xù)對晶振頻率的馴服控制，以及輸出本地同步秒時鐘信號。硬件實(shí)現(xiàn)部分為：D/A轉(zhuǎn)換器提供轉(zhuǎn)換后的模擬控制電壓，恒溫壓控晶振根據(jù)模擬電壓校準(zhǔn)頻率，并反饋回FPGA處理器。

2.1干擾信號判斷及消除

1pps秒脈沖信號以方波形式輸出，高電平表示有秒脈沖輸出，高電平脈沖寬度不是恒定值，持續(xù)時間約為1ms，有0.01ms的誤差，這就導(dǎo)致在1pps信號高電平期間的晶振計數(shù)值不相等。另外由于干擾，接受到的1pps信號中有干擾脈沖信號，若把干擾脈沖上升沿作為1pps信號的上升沿開始計數(shù)，計數(shù)結(jié)果必然不準(zhǔn)確，所測得的晶振頻率值與實(shí)際值偏差過大。需要軟件判斷出干擾信號并作出處理。

數(shù)字電路中干擾脈沖的高電平持續(xù)時間多數(shù)是微秒級，很少有超過1pps秒脈沖信號高電平持續(xù)時間的，因此以秒脈沖高電平持續(xù)時間作為判斷依據(jù)，以本地壓控晶振計數(shù)來實(shí)現(xiàn)計時功能。晶振標(biāo)稱頻率是10MHz，2ms的計數(shù)值理論值為20000。在晶振高頻脈沖輸出事情發(fā)生clkeventandclk=1的前提下，遇到1pps信號事件sclkeventandsclk=1開始計數(shù)，同時用寄存器counter4保存計數(shù)值，如超過2ms高電平的脈沖信號為正常1pps信號，若小于2ms則認(rèn)為是干擾信號，寄存器counter4計數(shù)值返回至該信號脈沖上升沿前的計數(shù)值。

2.2頻率偏差值計算

由于本地恒溫壓控晶振短期穩(wěn)定度高，小于1×10-10/s，可以不考慮晶振秒脈沖的隨機(jī)誤差，只考慮累積誤差產(chǎn)生的頻率偏差及線性漂移誤差，晶振分頻秒時間序列的第x個秒時鐘的時間誤差e（x）為：

式中：a為秒時間序列的初始誤差，b為頻率偏差的誤差系數(shù)，c為頻率線性漂移的誤差系數(shù)。通過一元二次回歸分析可得式（1）的晶振誤差估計值服從正態(tài)分布：

根據(jù)回歸分析，可得，當(dāng)x=0時，秒時鐘的時間誤差的方差有最大值Dmax。通過分析上式最大方差Dmax與回歸分析樣本數(shù)n之間關(guān)系得，樣本數(shù)n越大，最大方差Dmax越小，也就是晶振分頻秒脈沖與GPS秒時鐘的偏差越小。但樣本數(shù)n不能取無限大，受FPGA軟硬件資源的限制，一般來說，當(dāng)n≥3時，調(diào)整后的晶振分頻秒脈沖的時間偏差小于GPS秒時鐘的偏差，可以滿足要求。

2.3D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器后有二級放大器，第一級實(shí)現(xiàn)電流輸出向電壓輸出的轉(zhuǎn)換；第二級將上級輸出的0～+5V的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極性輸出，即-5V～+5V直流電壓，以供晶體振蕩器EFC端需要。系統(tǒng)中的D/A轉(zhuǎn)換采用十二位的CB1230芯片，其分辨力為1/4096。當(dāng)基準(zhǔn)電壓為+5V時，加在EFC端電壓將在-5V～+5V之間，電壓最小分辨力為2.44mv。由于本系統(tǒng)中晶振壓控特性規(guī)定了晶振在-5V～+5V電壓范圍內(nèi)，輸出頻率將在-l×10-7～1×10-7Hz內(nèi)變化，因而頻率調(diào)整最小步進(jìn)量為0.488MHz，準(zhǔn)確度調(diào)整最小步進(jìn)量為4.88×10-11，可滿足1×10-10準(zhǔn)確度控制要求。

2.4壓控晶體振蕩器

系統(tǒng)使用的是DX2116數(shù)字補(bǔ)償壓控溫補(bǔ)晶體振蕩器，該振蕩器標(biāo)稱頻率為10MHz，溫度穩(wěn)定度為±1×10-7，年老化率為±1×10-6，短期1s穩(wěn)定度為±1×10-10。壓控晶體振蕩器電路原理圖如圖2所示。VCC端為電源端，接+5V電源，電容C1、C2構(gòu)成電源穩(wěn)壓濾波電路。OUT為晶振頻率輸出端。RL、CL構(gòu)成防脈沖干擾尖峰作用。晶振第2引腳接地。VC為壓控晶振電壓控制輸入端，接收由FPGA輸出頻率偏差值經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的模擬控制電壓值。晶振第3引腳輸出晶振脈沖反饋給FPGA控制器。控制電壓與晶振輸出頻率數(shù)值如表1所示。

圖2壓控晶體振蕩器電路原理

表1控制電壓與晶振輸出頻率數(shù)值

3本地同步秒脈沖

本地壓控晶振經(jīng)數(shù)字控制頻率后，頻率準(zhǔn)確度和長期累積頻率誤差已達(dá)到要求。對校準(zhǔn)后的壓控晶振輸出10MHz進(jìn)行分頻，以接收GPS的第1個1pps信號上升沿作為時間同步基準(zhǔn)，軟件進(jìn)行分頻，輸出本地的1pps秒同步信號。此時本地同步秒脈沖信號通用性好，其高電平持續(xù)時間可在線編程改變，滿足不同場合要求，消除GPS信號跟蹤丟失的問題。

4結(jié)論

本文根據(jù)壓控晶振時鐘精度長期累積誤差的特點(diǎn)，采用用晶振信號同步GPS時鐘信號產(chǎn)生高精度時鐘，以FPGA為主要的控制部件，詳述了系統(tǒng)硬件和軟件的應(yīng)用設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了本地壓控晶振的數(shù)字同步時鐘馴服控制，該電路避免使用分立硬件電路和單片機(jī)，能夠消除或削弱干擾的影響，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，提高了可靠性和容錯性。

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