基于晶體振蕩器的高性能守時方法研究

蘇章站,方修成,鄧福龍

(江蘇上頻高新科技有限公司,無錫 惠山 214000)

0 引言

現階段,大部分通信設備和系統的時鐘源均采用了晶體振蕩器,如GPS衛星定位導航系統和移動通信基站等。這些設備之間的通信需要采用精確且統一的時鐘源,因此對其守時性能有較高的要求。但天氣溫度以及晶體老化等相關因素都會對設備的通信造成誤差,對守時性能高的時鐘源進行研究能夠進一步推動通信領域的發展。

1 高性能晶體振蕩器

1.1 晶體振蕩器的應用

晶體振蕩器作為一種電子元件,能夠產生精確穩定的電信號[1],被廣泛地應用在計算機、電視、遙控器等各種振蕩電路以及各類通信系統中的頻率發生器中,為處理數據的設備提供時鐘信號或為特定的系統提供基準信號[2]。晶體振蕩器具有較為廣泛的應用范圍,如數字電路中用于產生時鐘信號以及保持信號同步;無線電通信中作為調制器、頻率合成器以及解調器等使用;計算機及控制系統中用來進行定時和計時等[3]。時鐘脈沖采用石英晶體諧振器產生標準的脈沖信號。微處理器、CTVVTR、常見的鐘表都采用石英晶體諧振器。

1.2 晶體振蕩器的基本工作原理

晶體振蕩器的諧振頻率與石英斜面的傾角有較大的關系,頻率是固定的。晶體振蕩器采用了能夠將電能與機械能進行互相轉化的晶體,其共振狀態能夠提供精確和穩定的單頻振蕩。常規條件下,普通的晶振頻率能夠達到0.005%的絕對精度。充分利用這一特性,晶振能夠提供穩定的脈沖信號,因此被廣泛應用在時鐘電路中。施加在晶片上的電場能夠讓晶片產生機械形變,利用這種壓電效應制成振蕩器產生機械共振進而產生穩定頻率的電信號,如圖1所示。

圖1 晶體振蕩器工作原理

2 晶體振蕩器守時失效問題

2.1 靜態工作點異常

(1)異常現象:晶體振蕩器在靜態模式下無輸出信號。(2)異常成因:諧振器失常;三極管基極、集電極、發射極靜態工作點數據失常;電子元器件故障。

2.2 動態振蕩電路失效

(1)異常現象:晶體振蕩器在動態模式下無輸出或異常輸出。(2)異常成因:元器件電路靜態工作異常,輸入電平異常,電路動態振蕩異常,電子元器件故障。

2.3 整形放大電路失效

(1)異常現象:晶體振蕩器無法正常工作,無輸出信號,輸出波形異常,輸出波形的高電平偏低。(2)異常成因:開封電路工作異常,三極管工作異常,放大電路輸入異常,對地輸出異常,電子元器件故障。

3 晶振守時補償方案

3.1 守時總體方案

守時方案設計:晶體振蕩器將脈沖輸出到晶振計數模塊上進行標準秒脈沖周期內的脈沖數記錄。記錄的時間達到30 min時對數據的均值和方差進行計算。如果導航衛星失聯,則根據前面30 min的均值和方差動態對晶體振蕩器計數模塊設置脈沖產生計數器的閾值和高精度模擬秒脈沖。

3.2 守時硬件設計

芯片采用CycloneI系列的EP2C8T144C8N,這款芯片具備144個IO端口、36個RAM塊、2個PLL鎖相環、18個嵌入式乘法器、4種配方式和AS、JTAG下載調試接口。導航衛星信號的接收模塊主芯片采用MHKJ-1612,其精準度更高。通過量化誤差信息對時間脈沖中的顆粒誤差進行補償,能夠確保導航衛星信號的接收模塊授時精度達到15 ns。系統晶體振蕩器采用恒溫晶體振蕩器,頻率精度能夠達到±0.2 ppm,電流為300 mA～2 A。

3.3 守時軟件設計

3.3.1 同步秒脈沖信號設計

授時系統的導航衛星在正常連接的狀態下能夠接收到衛星信號產生的標準秒脈沖以及時間碼,發送給時間解碼模塊。通過鎖相環將50MHz的恒溫晶體振蕩器倍頻到200MHz。當檢測到標準秒脈沖信號上升或晶體振蕩器的計數模塊脈沖計數值達到閾值時,時間解碼模塊就會產生100ms高電平信號,并清零晶體振蕩器計數器,產生低電平信號。

3.3.2 平均脈沖數及方差設計

存儲的時間到達30 min時可以通過1 s內的晶體振蕩器脈沖數值公式來進行平均脈沖數與方差的計算。對數據中的數值進行篩選,剔除大于±s+3 s或小于±s-3 s的異常值,通過公式對剔除后的數據進行平均值和方差的計算。

3.3.3 導航衛星失聯后的高精度秒脈沖產生設計

導航衛星失聯之后,時間解碼模塊根據每秒內的警惕振蕩器脈沖數的平均值及方差對±s+3 s和±s-3 s的脈沖計數閾值BV1、BV2進行計算。在T周期內晶振脈沖的計數到達BV1時,產生滯后的模擬秒脈沖;當晶振脈沖的計數到達BV2時,產生超前的模擬秒脈沖。

3.4 晶振守時補償模型

晶體振蕩器的馴服原理主要時間源的參考偏差,根據狀態的具體參數來控制警惕振蕩器的輸出。晶體振蕩器的馴服目的是對頻偏和老化參數進行計算和補償,以此來確保晶體振蕩器的精準和穩定性。

時間偏差規律計算公式為:

T(t)=a0+a1+1/2a2·t2+ζ(t)

(1)

式(1)中:a0代表初始的晶體振蕩器參考時間偏差,a1代表頻偏,a2代表老化,ζ(t)代表噪聲。

晶體振蕩器短期內的穩定性最佳表現為10 min內,這階段的噪聲可以忽略不計。晶體振蕩器的初始相位計算公式為:

T(t)=a0+a1·t

(2)

T(t)和t的關系無限接近直線。假設t1時刻的時間偏差為T1,t1～t2時間段代表晶體振蕩器與參考時間源測量的時間間隔。t1～t2的時間段設為常數△t,則晶體振蕩器頻率系數計算公式為:

a1=T2-T1/t2-t1

(3)

可以得出晶體振蕩器的初始相位系數公式為:

a0=T1·t2-T2·t1/△t

(4)

可以得出晶體振蕩器的頻偏與初始相位,頻率調整后能夠讓晶體振蕩器與參考信號的時間達成同步。

3.5 實驗結果分析

實驗采用4套授時系統板能夠有效避免測試結果出現偶然性情況,采用50MHz標稱值的恒溫晶體振蕩器能夠達到精度在±0.2 ppm的效果。將恒溫晶體振蕩器的50MHz脈沖信號倍頻成200MHz,再對標準秒脈沖信號的每個周期中的授時系統恒溫晶體振蕩器產生的脈沖數值平均值與方差進行統計,具體結果如表1所示。

表1 不同時刻秒脈沖單位時間內晶振的脈沖數值的平均值和方差

計算晶體振蕩器的實時溫度偏差需要考慮到周圍的環境溫度,對參考溫度進行平均計算,對周邊溫度進行采集和計算,則參考溫度的公式為:

(5)

公(5)式中r代表周邊環境溫度,N代表時長,r代表參考溫度。

晶體振蕩器進入周圍環境變化的偏差計算公式為:

αr=ri-r

(6)

公(6)式中α代表溫度的偏差。

溫度偏差和控制量關系的公式為:

P=-β×αr

(7)

式(7)中:β代表調節系數,型號不同的晶體振蕩器在振值方面有一定的差異性,P代表晶體振蕩器的控制量。

晶體振蕩器授時系統的基準采用了國家授時中心主鐘所輸出的1PPS信號,馴服后24h的晶體振蕩器進行自我保持狀態。采用測量時間間隔的設備對兩者的鐘差進行測量,計算出晶體振蕩器輸出的UTC鐘差。晶體振蕩器進行24h的自由運行,對頻偏去除之后的殘差峰值為每天556.5 ns。設門限為時間偏差1 μs進行統計能夠得出,晶體振蕩器馴服時長56 h運行24 h后輸出的1PPS與UTC鐘差優于380 ns,得出晶體振蕩器馴服56h后進入了保持的狀態,如表2所示。

表2 晶振進入保持狀態運行24 h的ADEV比較

4 結語

本文通過對30 min內標準秒脈沖鐘晶體振蕩器的每秒脈沖數值的平均值與方差進行統計進行晶體振蕩器技術模塊閾值的動態設置,產生模擬秒脈沖來達到高精度的守時目的。實驗得出,秒脈沖在導航衛星失聯的1 h內,對比標準秒脈沖的誤差并未超過250 ns,能夠滿足靶場和電力等系統的守時需求。