OCXO工作參數(shù)與應(yīng)用！
來(lái)源：http://www.ytxiaoping.cn 作者：金洛電子網(wǎng)絡(luò)部 2014年03月01
恒溫晶振主要應(yīng)用與一些較為高端的設(shè)備類產(chǎn)品，經(jīng)常會(huì)使用到恒溫晶振的地方有無(wú)線衛(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。
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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，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。
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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)線和虛線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。
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，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)線和虛線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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