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(xiàn)階段,大部分通信設備和系統(tǒng)的時鐘源均采用了晶體振蕩器,如GPS衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(wěn)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(tǒng)中的頻率發(fā)生器中,為處理數(shù)據(jù)的設備提供時鐘信號或為特定的系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)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(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到0.005%的絕對精度。充分利用這一特性,晶振能夠提供穩(wěn)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(wěn)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(tài)工作點異常

(1)異?，F(xiàn)象:晶體振蕩器在靜態(tài)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(fā)射極靜態(tài)工作點數(shù)據(jù)失常;電子元器件故障。

2.2 動態(tài)振蕩電路失效

(1)異常現(xiàn)象:晶體振蕩器在動態(tài)模式下無輸出或異常輸出。(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?，F(xiàn)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(shù)模塊上進行標準秒脈沖周期內的脈沖數(shù)記錄。記錄的時間達到30 min時對數(shù)據(jù)的均值和方差進行計算。如果導航衛(wèi)星失聯(lián),則根據(jù)前面30 min的均值和方差動態(tài)對晶體振蕩器計數(shù)模塊設置脈沖產生計數(shù)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(huán)、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(wèi)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(wèi)星信號的接收模塊授時精度達到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(tǒng)的導航衛(wèi)星在正常連接的狀態(tài)下能夠接收到衛(wèi)星信號產生的標準秒脈沖以及時間碼,發(fā)送給時間解碼模塊。通過鎖相環(huán)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(shù)模塊脈沖計數(shù)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(shù)器,產生低電平信號。

3.3.2 平均脈沖數(shù)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(shù)值公式來進行平均脈沖數(shù)與方差的計算。對數(shù)據(jù)中的數(shù)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(shù)據(jù)進行平均值和方差的計算。

3.3.3 導航衛(wèi)星失聯(lián)后的高精度秒脈沖產生設計

導航衛(wèi)星失聯(lián)之后,時間解碼模塊根據(jù)每秒內的警惕振蕩器脈沖數(shù)的平均值及方差對±s+3 s和±s-3 s的脈沖計數(shù)閾值BV1、BV2進行計算。在T周期內晶振脈沖的計數(shù)到達BV1時,產生滯后的模擬秒脈沖;當晶振脈沖的計數(shù)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(jù)狀態(tài)的具體參數(shù)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(shù)進行計算和補償,以此來確保晶體振蕩器的精準和穩(wěn)定性。

時間偏差規(guī)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(wěn)定性最佳表現(xiàn)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(shù)△t,則晶體振蕩器頻率系數(shù)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(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(tǒng)板能夠有效避免測試結果出現(xiàn)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(tǒng)恒溫晶體振蕩器產生的脈沖數(shù)值平均值與方差進行統(tǒng)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(shù)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(huán)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(huán)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(huán)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(jié)系數(shù),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(tǒng)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(tài)。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(tǒng)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(yōu)于380 ns,得出晶體振蕩器馴服56h后進入了保持的狀態(tài),如表2所示。

表2 晶振進入保持狀態(tài)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(shù)值的平均值與方差進行統(tǒng)計進行晶體振蕩器技術模塊閾值的動態(tài)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(wèi)星失聯(lián)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(tǒng)的守時需求。