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原来晶振在通电情况下会产生压电效应，然后与振荡电路产生谐振现象，从而经过放大驱动和输出电路输出标准频率信号。基本上多数的晶振原理都是这样。但是适用范围不一样，所以晶振可以分为三类：晶体振荡器，温补晶振，恒温晶振。晶体振荡器是指温度变化不对频率做出调整。温补晶振是指根据温度传感器调整晶振的输出频率，其性能比普通晶体振荡器优越。还有一种就是恒温晶体振荡器是指在晶体外部增加恒温箱体，保证近似恒温环境，使其性能比普通晶体振荡器改进1000倍以上。

石英晶振除了压电效应以外，还有一个不能被忽略的特性，就是温漂。晶振的振荡频率会随着环境温度的变化发生微小的偏移，这是晶振固有的特性。正是由于温漂的存在，普通晶振的精度很难做的很高，常见的晶振精度多为40ppm，20ppm，很难做到10ppm以下。这种精度在一些对晶振精度要求不高的场合，如微处理器的时钟输入等，完全能够满足需求。但是在无线通信，蜂窝应用，广播电视等应用领域，需要时钟精确同步，普通晶振就很难满足系统需求了。

为了解决温漂带来的影响，系统就要选择精度更高的温补晶振或者恒温晶振。温补晶振是通过感应环境温度，然后将温度信息转换成控制量控制晶振的输出频率。现在的温补晶振多采用数字化技术，能够达到更精确的控制。而恒温晶振更进一步，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使恒温槽保持一个恒温的状态，晶体在恒温槽内就可以不受外界温度的影响，大大提高晶振输出频率的稳定度。温补晶振和恒温晶振的输出精度都能够达到1ppm甚至更高。能够满足严苛的系统需求。

科技的发展造就多种多样的智能产品,同时加大了对电子零件,频率元件等组成部件的性能要求.比如有源晶振,石英晶体振荡器,石英贴片晶振等,加大了性能的使用要求,具有高品质,高精密,高性能,极具稳定度等特点.

高稳定度石英晶体振荡器是目前应用数量最多的频率源。它们被广泛应用于通信、电子仪器、计量、应用电子技术、航空航天、雷达、国防军工等各个领域,随着科学技术的发展和应用领域的扩大,对其精度和稳定度提出了新的要求。

本文设计了一种基于GPS秒信号的恒温晶振(OCXO驯服保持技术,该技术采用了将时间一幅度转换法和直接计数法相结合的时间间隔测量方法,对GPS接收机输出的lPPS信号与OCXO恒温晶振进行相位差测量,这种测量方法具有分辨率高的优点,有效地减小了±1个字计数误差,其分辨率达到100ps,测量精度达到±200ps满足了驯服系统的设计要求。同时采用 Kalman滤波算法对相位差测量数据进行处理,以消除lPPS信号的相位抖动引入的测量误差,实验显示该滤波算法可将原本±50ns的抖动减小到±2ns以内,从而大大降低了抖动的影响,提高了系统的驯服精度。最后用PID控制算法对晶振进行校准,大大提高了控制的智能化和准确性。

对锁定后的晶振性能进行了测试,测试结果表明锁定后该系统能输出高精度的频率信号,其短期稳定度基本能保持OCXO石英晶体振荡器的原有水平,秒级稳定度接近1×101/s, 率信号,其短期稳定度基本能保持OCXO晶振的原有水平,秒级稳定度接近1×101/s, 指标,解决了OCXO石英晶体振荡器由于老化和温度所导致的频率漂移和长期稳定度差的问题, 使得它实时的频率准确度优于9.0×101,平均频率准确度优于7.3×10-12,长期频率稳定度在锁定后得到了一定程度的改善,基本达到了预期的设计目标。此外针对在GPS信号丢失的情况下,采用保持算法,虽然目前只适合于短期的预测, 但是对以后的研究打下了有力的基础。

经过一年多的努力,基本完成了基于GPS的1PPS信号的恒温晶振驯服保持的原理验证、方案设计、电路设计、PCB板设计、软硬件调试以及系统测试验证。该系统将GPS信号的长期稳定度和准确度与OCXO石英晶体振荡器的短期稳定度相结合,获得了一种性能优良且价格低廉的频率源,具有一定的应用推广价值。

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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。

图中的CLK信号由高稳定度的恒温晶振提供,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。

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OCXO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。