恒溫晶振主要應(yīng)用與一些較為高端的設(shè)備類(lèi)產(chǎn)品，經(jīng)常會(huì)使用到恒溫晶振的地方有無(wú)線(xiàn)衛(wèi)星通信產(chǎn)品，衛(wèi)星導(dǎo)航GPS產(chǎn)品，雷達(dá)接收發(fā)射基站等高端產(chǎn)品設(shè)備。恒溫晶振被這些高端產(chǎn)品稱(chēng)呼為主要核心零部件!產(chǎn)品本身具有高頻的頻率點(diǎn)，穩(wěn)定性能高，噪音小，能在溫度起伏比較大的環(huán)境下正常工作，由于晶體本身具有恒溫效果，從而使產(chǎn)品的頻率效果穩(wěn)定，功耗小等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用到高端設(shè)備中。

恒溫貼片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?chē)h(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。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以FPGA作為控制器，芯片選用Altera公司的EP3C25E144C8，內(nèi)部具有豐富的邏輯資源。開(kāi)發(fā)平臺(tái)是Quartus II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用Vetilog HDL語(yǔ)言對(duì)各功能模塊進(jìn)行邏輯描述，并完成了邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線(xiàn)，并使用Modelsim、Signalnap II進(jìn)行邏輯仿真，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的原理框圖所示。

2．1 數(shù)字鎖相環(huán)
    石英晶振的頻率調(diào)整功能是靠數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)實(shí)現(xiàn)的，同模擬鎖相環(huán)類(lèi)似，它屬于閉環(huán)的控制系統(tǒng)，由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)、D／A轉(zhuǎn)換器、壓控恒溫晶振(OCXO)組成。系統(tǒng)啟動(dòng)后，在FPGA內(nèi)部，數(shù)字鑒相器模塊首先以GPS接收機(jī)輸出的10 kHz時(shí)鐘信號(hào)作為基準(zhǔn)源，對(duì)恒溫晶振整形并經(jīng)過(guò)分頻后的10 kHz信號(hào)進(jìn)行快速鑒相，用恒溫晶振倍頻后的300 MHz時(shí)鐘對(duì)相位差進(jìn)行量化，得到具體的超前或滯后數(shù)據(jù)，進(jìn)而傳遞給環(huán)路濾波器模塊，設(shè)置抖動(dòng)門(mén)限參數(shù)，若相位超前或滯后量達(dá)到門(mén)限值，則迅速通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換器，對(duì)晶振的壓控端電壓進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。此方法可令晶振頻率快速接近10 MHz，但是恒溫晶振頻率的改變需有一定的響應(yīng)時(shí)間，快速調(diào)整壓控端的電壓會(huì)產(chǎn)生過(guò)調(diào)現(xiàn)象，頻率穩(wěn)定度不佳。
    為進(jìn)一步提高晶振頻率的精度與穩(wěn)定性，結(jié)合恒溫晶振短期穩(wěn)定度高的特點(diǎn)，在數(shù)字鑒相器模塊中，以GPS的1PPS信號(hào)為基準(zhǔn)，測(cè)量1PPS與恒溫晶振分頻出的1Hz信號(hào)的相位差。依據(jù)GPS沒(méi)有累積誤差的優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)路濾波器模塊中采用滑動(dòng)平均濾波法來(lái)降低GPS秒脈沖對(duì)測(cè)量帶來(lái)的干擾，設(shè)計(jì)FIFO存儲(chǔ)器來(lái)配合計(jì)算出最近200 s的平均相位差，通過(guò)不斷對(duì)比短時(shí)的相位差及長(zhǎng)時(shí)的平均相位差，分析相位差的長(zhǎng)期與短期變化動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)恒溫晶振的控制電壓，保證晶振輸出穩(wěn)定且準(zhǔn)確的10 MHz時(shí)鐘信號(hào)。石英晶體振蕩器頻率調(diào)整的過(guò)程，此方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可有效抑制1PPS抖動(dòng)對(duì)晶振造成的影響。
2．2 電路設(shè)計(jì)
    D／A芯片選用TI公司TLV5616，它是低功耗單片12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器，分辨率為4096，該芯片采用三線(xiàn)制(SCLK、SYNC、DIN)串行接口，SCLK方波信號(hào)為下降沿時(shí)，TLV5616讀取DIN的電平信號(hào)，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓送往恒溫晶振，用于晶振的微調(diào)，晶振頻率調(diào)整硬件電路如圖4所示。
2．3 授時(shí)功能
    在許多現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中需要毫秒、微秒、納秒等這些更小的時(shí)間單位量，但是GPS接收機(jī)一般只能提供最小時(shí)間單位為秒的UTC時(shí)間，本系統(tǒng)在GPS基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了授時(shí)功能。

授時(shí)工作流程如圖5所示，系統(tǒng)在FPGA中設(shè)計(jì)串口數(shù)據(jù)模塊來(lái)接收GPs的SD01管腳發(fā)出的GPRMC格式數(shù)據(jù)，并將其存放在FPGA內(nèi)部的雙口RAM中，通過(guò)串口數(shù)據(jù)模塊及數(shù)字鑒相器模塊可以判斷GPS接收機(jī)是否正常工作。若識(shí)別出準(zhǔn)確的UTC時(shí)間和1PPS信號(hào)后，授時(shí)模塊迅速?gòu)腞AM中提取最新時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到初始時(shí)間值，當(dāng)下一個(gè)1PPS上升沿到來(lái)后，系統(tǒng)在初值的基礎(chǔ)上開(kāi)始完全依靠高穩(wěn)恒溫晶振自行走時(shí)，并每隔5秒與準(zhǔn)確的1PPS信號(hào)進(jìn)行校對(duì)，如果發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)的時(shí)間與1PPS不同步，那么系統(tǒng)時(shí)間將會(huì)短暫停滯或快速跳進(jìn)，達(dá)到與1PPS同步，保證時(shí)間信息輸出的連續(xù)性與準(zhǔn)確性；若GPS接收機(jī)非正常輸出1PPS信號(hào)，則不進(jìn)行校對(duì)，直到1PPS正常后再恢復(fù)校對(duì)功能。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在衛(wèi)星信號(hào)正確接收的情況下，系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)把恒溫晶振的頻率校準(zhǔn)到較高的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石英晶體振蕩器被調(diào)節(jié)后可以輸出更準(zhǔn)確的10MHz信號(hào)，誤差小于0．01 Hz，頻率的精度與長(zhǎng)期穩(wěn)定性都得到明顯改善。1PPS信號(hào)沒(méi)有累計(jì)誤差，在連續(xù)不重復(fù)的201個(gè)1PPS上升沿之間，即以200 s作為閘門(mén)時(shí)間，測(cè)出恒溫晶振MV180在調(diào)控與未調(diào)控狀態(tài)時(shí)，每200 s的平均頻率偏差，圖6為部分實(shí)際測(cè)試圖，實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)分別代表恒溫晶振在調(diào)控與未經(jīng)調(diào)控狀態(tài)的測(cè)試結(jié)果，其中實(shí)線(xiàn)部分的平均頻率偏差是-7．41x10-5Hz，均方差為3．10x10-3Hz。
    依照文中方案設(shè)計(jì)兩套完全獨(dú)立的系統(tǒng)，以其中一套系統(tǒng)的恒溫晶振的時(shí)鐘信號(hào)為基準(zhǔn)，每秒與另一套系統(tǒng)的恒溫晶振的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)比一次，相位差用300 MHz的時(shí)鐘進(jìn)行量化，測(cè)量分辨力為3．3 ns，部分測(cè)試結(jié)果如圖7所示。圖7(a)顯示每秒測(cè)得的相位差；由于存在測(cè)量誤差，因此采用滑動(dòng)平均濾波的方法，在每秒測(cè)量?jī)商紫到y(tǒng)相位差的同時(shí)，計(jì)算出最近200次的平均相位差，如圖7(b)所示。表2對(duì)圖7的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，7(b)中的均方差是0．68度，四分位差為O．60度，說(shuō)明兩套獨(dú)立系統(tǒng)的頻率一致性很高，具有良好的穩(wěn)定度。
    恒溫晶振經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的頻率偏差小于0．01 Hz，在1PPS準(zhǔn)確輸出時(shí)，累加1PPS具有的100 ns誤差，授時(shí)模塊輸出的時(shí)間信息誤差小于105 ns。當(dāng)GPS接收機(jī)未正常工作時(shí)，由于恒溫晶振前期經(jīng)過(guò)頻率校準(zhǔn)和自身較高的穩(wěn)定度，在一定時(shí)間內(nèi)依然可以保證高精度的授時(shí)功能。
總結(jié)語(yǔ)：應(yīng)用恒溫晶振與臥槽線(xiàn)路的振蕩器能提供非常高的精度與溫度的高低系數(shù)，固產(chǎn)品在工作中能快速啟動(dòng)，在使用石英晶體振蕩器時(shí)還需要考慮其自身的功耗，以及內(nèi)部的線(xiàn)路電容值所決定，與產(chǎn)品本身放大器功耗成正比，假如在線(xiàn)路中功耗電容值達(dá)到100PF左右的時(shí)候，產(chǎn)品自身要在5V的電壓下工作，相當(dāng)于1.8毫安的電流。

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