蘇章站,方修成,鄧福龍

(江蘇上頻高新科技有限公司,無(wú)錫 惠山 214000)

0 引言

現(xiàn)階段,大部分通信設(shè)備和系統(tǒng)的時(shí)鐘源均采用了晶體振蕩器,如GPS衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)和移動(dòng)通信基站等。這些設(shè)備之間的通信需要采用精確且統(tǒng)一的時(shí)鐘源,因此對(duì)其守時(shí)性能有較高的要求。但天氣溫度以及晶體老化等相關(guān)因素都會(huì)對(duì)設(shè)備的通信造成誤差,對(duì)守時(shí)性能高的時(shí)鐘源進(jìn)行研究能夠進(jìn)一步推動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展。

1 高性能晶體振蕩器

1.1 晶體振蕩器的應(yīng)用

晶體振蕩器作為一種電子元件,能夠產(chǎn)生精確穩(wěn)定的電信號(hào)[1],被廣泛地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、電視、遙控器等各種振蕩電路以及各類(lèi)通信系統(tǒng)中的頻率發(fā)生器中,為處理數(shù)據(jù)的設(shè)備提供時(shí)鐘信號(hào)或?yàn)樘囟ǖ南到y(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)[2]。晶體振蕩器具有較為廣泛的應(yīng)用范圍,如數(shù)字電路中用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)以及保持信號(hào)同步;無(wú)線電通信中作為調(diào)制器、頻率合成器以及解調(diào)器等使用;計(jì)算機(jī)及控制系統(tǒng)中用來(lái)進(jìn)行定時(shí)和計(jì)時(shí)等[3]。時(shí)鐘脈沖采用石英晶體諧振器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)。微處理器、CTVVTR、常見(jiàn)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(guān)系,頻率是固定的。晶體振蕩器采用了能夠?qū)㈦娔芘c機(jī)械能進(jìn)行互相轉(zhuǎn)化的晶體,其共振狀態(tài)能夠提供精確和穩(wěn)定的單頻振蕩。常規(guī)條件下,普通的晶振頻率能夠達(dá)到0.005%的絕對(duì)精度。充分利用這一特性,晶振能夠提供穩(wěn)定的脈沖信號(hào),因此被廣泛應(yīng)用在時(shí)鐘電路中。施加在晶片上的電場(chǎng)能夠讓晶片產(chǎn)生機(jī)械形變,利用這種壓電效應(yīng)制成振蕩器產(chǎn)生機(jī)械共振進(jìn)而產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的電信號(hào),如圖1所示。

圖1 晶體振蕩器工作原理

2 晶體振蕩器守時(shí)失效問(wèn)題

2.1 靜態(tài)工作點(diǎn)異常

(1)異?，F(xiàn)象:晶體振蕩器在靜態(tài)模式下無(wú)輸出信號(hào)。(2)異常成因:諧振器失常;三極管基極、集電極、發(fā)射極靜態(tài)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)失常;電子元器件故障。

2.2 動(dòng)態(tài)振蕩電路失效

(1)異常現(xiàn)象:晶體振蕩器在動(dòng)態(tài)模式下無(wú)輸出或異常輸出。(2)異常成因:元器件電路靜態(tài)工作異常,輸入電平異常,電路動(dòng)態(tài)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(xiàn)象:晶體振蕩器無(wú)法正常工作,無(wú)輸出信號(hào),輸出波形異常,輸出波形的高電平偏低。(2)異常成因:開(kāi)封電路工作異常,三極管工作異常,放大電路輸入異常,對(duì)地輸出異常,電子元器件故障。

3 晶振守時(shí)補(bǔ)償方案

3.1 守時(shí)總體方案

守時(shí)方案設(shè)計(jì):晶體振蕩器將脈沖輸出到晶振計(jì)數(shù)模塊上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖周期內(nèi)的脈沖數(shù)記錄。記錄的時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的均值和方差進(jìn)行計(jì)算。如果導(dǎo)航衛(wèi)星失聯(lián),則根據(jù)前面30 min的均值和方差動(dòng)態(tài)對(duì)晶體振蕩器計(jì)數(shù)模塊設(shè)置脈沖產(chǎn)生計(jì)數(shù)器的閾值和高精度模擬秒脈沖。

3.2 守時(shí)硬件設(shè)計(jì)

芯片采用CycloneI系列的EP2C8T144C8N,這款芯片具備144個(gè)IO端口、36個(gè)RAM塊、2個(gè)PLL鎖相環(huán)、18個(gè)嵌入式乘法器、4種配方式和AS、JTAG下載調(diào)試接口。導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的接收模塊主芯片采用MHKJ-1612,其精準(zhǔn)度更高。通過(guò)量化誤差信息對(duì)時(shí)間脈沖中的顆粒誤差進(jìn)行補(bǔ)償,能夠確保導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的接收模塊授時(shí)精度達(dá)到15 ns。系統(tǒng)晶體振蕩器采用恒溫晶體振蕩器,頻率精度能夠達(dá)到±0.2 ppm,電流為300 mA～2 A。

3.3 守時(shí)軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 同步秒脈沖信號(hào)設(shè)計(jì)

授時(shí)系統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星在正常連接的狀態(tài)下能夠接收到衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖以及時(shí)間碼,發(fā)送給時(shí)間解碼模塊。通過(guò)鎖相環(huán)將50MHz的恒溫晶體振蕩器倍頻到200MHz。當(dāng)檢測(cè)到標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)上升或晶體振蕩器的計(jì)數(shù)模塊脈沖計(jì)數(shù)值達(dá)到閾值時(shí),時(shí)間解碼模塊就會(huì)產(chǎn)生100ms高電平信號(hào),并清零晶體振蕩器計(jì)數(shù)器,產(chǎn)生低電平信號(hào)。

3.3.2 平均脈沖數(shù)及方差設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)的時(shí)間到達(dá)30 min時(shí)可以通過(guò)1 s內(nèi)的晶體振蕩器脈沖數(shù)值公式來(lái)進(jìn)行平均脈沖數(shù)與方差的計(jì)算。對(duì)數(shù)據(jù)中的數(shù)值進(jìn)行篩選,剔除大于±s+3 s或小于±s-3 s的異常值,通過(guò)公式對(duì)剔除后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值和方差的計(jì)算。

3.3.3 導(dǎo)航衛(wèi)星失聯(lián)后的高精度秒脈沖產(chǎn)生設(shè)計(jì)

導(dǎo)航衛(wèi)星失聯(lián)之后,時(shí)間解碼模塊根據(jù)每秒內(nèi)的警惕振蕩器脈沖數(shù)的平均值及方差對(duì)±s+3 s和±s-3 s的脈沖計(jì)數(shù)閾值BV1、BV2進(jìn)行計(jì)算。在T周期內(nèi)晶振脈沖的計(jì)數(shù)到達(dá)BV1時(shí),產(chǎn)生滯后的模擬秒脈沖;當(dāng)晶振脈沖的計(jì)數(shù)到達(dá)BV2時(shí),產(chǎn)生超前的模擬秒脈沖。

3.4 晶振守時(shí)補(bǔ)償模型

晶體振蕩器的馴服原理主要時(shí)間源的參考偏差,根據(jù)狀態(tài)的具體參數(shù)來(lái)控制警惕振蕩器的輸出。晶體振蕩器的馴服目的是對(duì)頻偏和老化參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償,以此來(lái)確保晶體振蕩器的精準(zhǔn)和穩(wěn)定性。

時(shí)間偏差規(guī)律計(jì)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(shí)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(nèi)的穩(wěn)定性最佳表現(xiàn)為10 min內(nèi),這階段的噪聲可以忽略不計(jì)。晶體振蕩器的初始相位計(jì)算公式為:

T(t)=a0+a1·t

(2)

T(t)和t的關(guān)系無(wú)限接近直線。假設(shè)t1時(shí)刻的時(shí)間偏差為T(mén)1,t1～t2時(shí)間段代表晶體振蕩器與參考時(shí)間源測(cè)量的時(shí)間間隔。t1～t2的時(shí)間段設(shè)為常數(shù)△t,則晶體振蕩器頻率系數(shù)計(jì)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(shù)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(diào)整后能夠讓晶體振蕩器與參考信號(hào)的時(shí)間達(dá)成同步。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采用4套授時(shí)系統(tǒng)板能夠有效避免測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偶然性情況,采用50MHz標(biāo)稱(chēng)值的恒溫晶體振蕩器能夠達(dá)到精度在±0.2 ppm的效果。將恒溫晶體振蕩器的50MHz脈沖信號(hào)倍頻成200MHz,再對(duì)標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)的每個(gè)周期中的授時(shí)系統(tǒng)恒溫晶體振蕩器產(chǎn)生的脈沖數(shù)值平均值與方差進(jìn)行統(tǒng)計(jì),具體結(jié)果如表1所示。

表1 不同時(shí)刻秒脈沖單位時(shí)間內(nèi)晶振的脈沖數(shù)值的平均值和方差

計(jì)算晶體振蕩器的實(shí)時(shí)溫度偏差需要考慮到周?chē)沫h(huán)境溫度,對(duì)參考溫度進(jìn)行平均計(jì)算,對(duì)周邊溫度進(jìn)行采集和計(jì)算,則參考溫度的公式為:

(5)

公(5)式中r代表周邊環(huán)境溫度,N代表時(shí)長(zhǎng),r代表參考溫度。

晶體振蕩器進(jìn)入周?chē)h(huán)境變化的偏差計(jì)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(guān)系的公式為:

P=-β×αr

(7)

式(7)中:β代表調(diào)節(jié)系數(shù),型號(hào)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(shí)系統(tǒng)的基準(zhǔn)采用了國(guó)家授時(shí)中心主鐘所輸出的1PPS信號(hào),馴服后24h的晶體振蕩器進(jìn)行自我保持狀態(tài)。采用測(cè)量時(shí)間間隔的設(shè)備對(duì)兩者的鐘差進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算出晶體振蕩器輸出的UTC鐘差。晶體振蕩器進(jìn)行24h的自由運(yùn)行,對(duì)頻偏去除之后的殘差峰值為每天556.5 ns。設(shè)門(mén)限為時(shí)間偏差1 μs進(jìn)行統(tǒng)計(jì)能夠得出,晶體振蕩器馴服時(shí)長(zhǎng)56 h運(yùn)行24 h后輸出的1PPS與UTC鐘差優(yōu)于380 ns,得出晶體振蕩器馴服56h后進(jìn)入了保持的狀態(tài),如表2所示。

表2 晶振進(jìn)入保持狀態(tài)運(yùn)行24 h的ADEV比較

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)30 min內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖鐘晶體振蕩器的每秒脈沖數(shù)值的平均值與方差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)進(jìn)行晶體振蕩器技術(shù)模塊閾值的動(dòng)態(tài)設(shè)置,產(chǎn)生模擬秒脈沖來(lái)達(dá)到高精度的守時(shí)目的。實(shí)驗(yàn)得出,秒脈沖在導(dǎo)航衛(wèi)星失聯(lián)的1 h內(nèi),對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖的誤差并未超過(guò)250 ns,能夠滿(mǎn)足靶場(chǎng)和電力等系統(tǒng)的守時(shí)需求。