基于FPGA的溫補(bǔ)晶振精度校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

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(bǔ)晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源，而飛行器研制周期較長(zhǎng)，在這段時(shí)間內(nèi)，溫補(bǔ)晶振會(huì)發(fā)生較大程度的老化，使得飛行器定時(shí)偏差變大。本文基于FPGA平臺(tái)，提出了一種巧妙、精簡(jiǎn)的頻率補(bǔ)償電路，消除溫補(bǔ)晶振由長(zhǎng)期老化引起的頻率偏差，極大地提高了溫補(bǔ)晶振的定時(shí)精度。

關(guān)鍵詞：溫補(bǔ)晶振 FPGA 時(shí)鐘校準(zhǔn) 頻率補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，要求其每秒定時(shí)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(xiàng)因素，采用了10MHz的溫補(bǔ)晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源。飛行器是利用溫補(bǔ)晶振振蕩次數(shù)來(lái)定時(shí)的，若標(biāo)稱10MHz的溫補(bǔ)晶振，則認(rèn)為它振蕩107次則是1s。在這樣的計(jì)時(shí)模式下，要使得每秒定時(shí)誤差小于5×10-7s，其頻率偏差應(yīng)小于5Hz。然而性能較好溫補(bǔ)晶振年老化率為10-6量級(jí)[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(nèi)，由于老化引起的頻率偏差已經(jīng)超出了最大定時(shí)誤差允許的范圍。為了提高定時(shí)精度，消除老化引起的頻率偏差是目前亟需攻關(guān)的任務(wù)。

傳統(tǒng)的溫補(bǔ)晶振校準(zhǔn)方法[3，4，5]的原理是：晶振實(shí)際輸出的頻率會(huì)隨著晶振兩端電壓的改變而發(fā)生改變。根據(jù)實(shí)際測(cè)得晶振頻率偏差的大小改變晶振兩端的電壓，來(lái)調(diào)整晶振輸實(shí)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(jiǎn)的頻率補(bǔ)償電路，消除了溫補(bǔ)晶振由長(zhǎng)期老化引起的頻率偏差，可以極大地提高了飛行器的定時(shí)精度。

2 溫補(bǔ)晶振精度校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

2.1 校準(zhǔn)思想

某溫補(bǔ)晶振標(biāo)稱頻率為，單位：Hz，測(cè)得其實(shí)際輸出頻率為，單位：Hz；實(shí)際振蕩周期為，單位s。此溫補(bǔ)晶振定時(shí)偏差達(dá)到一個(gè)振蕩周期時(shí)，振蕩次數(shù)N為：

（式1）

把N作為校準(zhǔn)電路的修正參數(shù)。若N為正，則，說(shuō)明溫補(bǔ)晶振輸出頻率比標(biāo)稱頻率小，定時(shí)會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)的少；若N為負(fù)，則，說(shuō)明溫補(bǔ)晶振輸出頻率比標(biāo)稱頻率大，定時(shí)會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)的多。

當(dāng)溫補(bǔ)晶振累積誤差達(dá)到一個(gè)振蕩周期 ，溫補(bǔ)晶振的統(tǒng)計(jì)時(shí)間多了或者少了。在FPGA的定時(shí)器中，將這個(gè)多的或者少的從溫補(bǔ)晶振統(tǒng)計(jì)的時(shí)間中補(bǔ)償?shù)?，這樣就能保證溫補(bǔ)晶振統(tǒng)計(jì)時(shí)間的準(zhǔn)確性和定時(shí)的精度。

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

2.2 校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的校準(zhǔn)思想基于FPGA平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種巧妙的、精簡(jiǎn)的頻率補(bǔ)償電路。FPGA設(shè)計(jì)靈活，并行處理速度快，通過(guò)軟件的修改可達(dá)到修改硬件電路的目的。另外，選擇FPGA作為校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)平臺(tái)是為了保證校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)可以移植到飛行器的信息處理的邏輯設(shè)計(jì)中。在振蕩次數(shù)為N，溫補(bǔ)晶振定時(shí)偏差達(dá)到一個(gè)振蕩周期時(shí)，校準(zhǔn)電路會(huì)對(duì)這個(gè)偏差進(jìn)行補(bǔ)償，使得定時(shí)偏差一直保持在一個(gè)振蕩周期以內(nèi)。

各信號(hào)含義和功能如表1所示。校準(zhǔn)電路邏輯框圖如圖1所示。頻率補(bǔ)償電路由分頻器、計(jì)數(shù)器、選擇器、控制寄存器等部分構(gòu)成。主要介紹分頻器、關(guān)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(zhǔn)后的溫補(bǔ)晶振進(jìn)行10分頻，得到周期為，脈寬的脈沖信號(hào)。雖然某一個(gè)微秒脈沖信號(hào)存在一個(gè)振蕩周期的偏差，但是通過(guò)對(duì)此1信號(hào)的計(jì)數(shù)，可以得到穩(wěn)定、準(zhǔn)確的定時(shí)，整個(gè)定時(shí)偏差也將小于一個(gè)振蕩周期。

2.2.2 選擇器

電路中共有6個(gè)選擇器。

選擇器1、2：當(dāng)計(jì)數(shù)器不等于修正參數(shù)的絕對(duì)值時(shí)，選擇輸出0，否則選擇輸出1。

選擇器3：當(dāng)修正參數(shù)為正時(shí)，選擇輸出0，否則輸出1。

選擇器4、5：當(dāng)計(jì)數(shù)器小于9時(shí)，選擇輸出0，計(jì)數(shù)器等于9時(shí)，選擇輸出1。

選擇器6：當(dāng)關(guān)鍵寄存器bit1與bit0值為“01”時(shí)，選擇輸出2；為“11”時(shí)選擇輸出1；否則輸出0。

2.2.3 關(guān)鍵寄存器

關(guān)鍵寄存器即校準(zhǔn)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(hào)。

溫補(bǔ)晶振通過(guò)這樣的一個(gè)補(bǔ)償電路，會(huì)在其統(tǒng)計(jì)時(shí)間的累積偏差每次達(dá)到一個(gè)振蕩周期就會(huì)被補(bǔ)償?shù)簟Ｈ缛舨煌ㄟ^(guò)這樣的補(bǔ)償電路，溫補(bǔ)晶振統(tǒng)計(jì)時(shí)間的偏差會(huì)一直累加，在上述設(shè)計(jì)的補(bǔ)償機(jī)制下，溫補(bǔ)晶振統(tǒng)計(jì)時(shí)間的偏差不會(huì)再一直累加，其最大偏差理論上都不會(huì)超過(guò)，這樣就大大提高了溫補(bǔ)晶振的定時(shí)的準(zhǔn)確。

3 校準(zhǔn)電路優(yōu)化與性能分析

上述分析可知，當(dāng)累積誤差積累到一個(gè)振蕩周期時(shí)，通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞浇o予消除。其實(shí)當(dāng)累積誤差積累到半個(gè)振蕩周期時(shí)，即振蕩次數(shù)為N/2，即可進(jìn)行一次補(bǔ)償，這樣在振蕩次數(shù)N/2～N之間，累積誤差將逐漸減小，當(dāng)振蕩次數(shù)為N時(shí)，累積誤差正好消除。在這樣的補(bǔ)償機(jī)制下，溫補(bǔ)晶振統(tǒng)計(jì)時(shí)間的累積誤差將控制在半個(gè)振蕩周期以內(nèi)，精度較以前的補(bǔ)償機(jī)制提高了2倍。

在其他影響因素相同的情況下，未校準(zhǔn)方案、校準(zhǔn)方案以及優(yōu)化的校準(zhǔn)方案中，溫補(bǔ)晶振統(tǒng)計(jì)時(shí)間的累積誤差與振蕩次數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

從圖2中可明顯看出，如果不對(duì)溫補(bǔ)晶振進(jìn)行校準(zhǔn)，溫補(bǔ)晶振統(tǒng)計(jì)時(shí)間的累積偏差會(huì)隨著晶振振蕩次數(shù)的增長(zhǎng)成線性增長(zhǎng)，這會(huì)導(dǎo)致定時(shí)器精度嚴(yán)重下降。對(duì)溫補(bǔ)晶振進(jìn)行校準(zhǔn)后，累積偏差發(fā)生了質(zhì)的改變，不會(huì)再隨晶振的振蕩次數(shù)的增長(zhǎng)而累加，該偏差會(huì)嚴(yán)格控制在一個(gè)振蕩周期以內(nèi)，不考慮其他因素影響，校準(zhǔn)后的溫補(bǔ)晶振理論上每秒定時(shí)偏差小于10-7s；對(duì)校準(zhǔn)方案進(jìn)一步優(yōu)化，不考慮其他因素影響，校準(zhǔn)后的溫補(bǔ)晶振理論上每秒定時(shí)偏差將小于5×10-8s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足項(xiàng)目研制定時(shí)精度小于每秒5×10-7s要求。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，本文提出了一種利用頻率補(bǔ)償?shù)姆绞降臏匮a(bǔ)晶振校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)方法，該方法巧妙地把溫補(bǔ)晶振的定時(shí)誤差控制在1/2個(gè)振蕩周期以內(nèi)，消除了由溫補(bǔ)晶振長(zhǎng)期老化引起的頻率偏差，極大地提高了溫補(bǔ)晶振的定時(shí)精度，可以廣泛的應(yīng)用于對(duì)定時(shí)精度要求極高的小型化空間飛行器的信息處理系統(tǒng)中。

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