论文研究-一种高精度温补晶振自动标定与测试系统设计 .pdf

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一种高精度温补晶振自动标定与测试系统设计,法帅,刘兰军,高精度时钟同步是海洋水下分布式同步观测系统的关键技术之一,与原子钟、恒温晶振相比,小体积、低功耗的温补晶振可广泛应用于海
山国武技记文在 补偿测试算法;温补晶振模垬由压控温补晶振、温度测量电路以及电歴控制电嵱构成,是被 标定对象; 接收机定位成功后的秒脉冲输出信号作为系统的吋钟基准。数控晑精度恒 温槽在上位杋的控制下为标定与测试主控板提供的髙精度的温度环境,并将所测量的恒温槽 温度实时反馈给上位机。 频率标定和测试评价方法 频率标定方法 木文设计了一种基」时钟信号的温补晶振频率测量自动标定方法,工作原理如图 所示。该方法包括高精度频率测量模块、频率偏差控制调节模块、频率偏差评价模块、环 境温度控制与评价模块。髙精度频率测量模块采用内的数子逻辑实现,采用接 收机的秒脉沖时钟信号作为基准时钟,连续测量一定时间间隔内的晶振脉冲数,计算获得实 际晶振频率;频率偏差控制调节模采用嵌λ式软件实现,根据测量的实际贔振频率与标称 频率的偏差,采用调节算法实时调整温补晶振的压控输入信号,使温补晶振的输出频率 逐渐接近于标称频率;频率偏差评泙价模块采用嵌入式软件实现,实时评价频率偏差是否达到 标定偏差要求,若达到要求则记录温度测量值和压控输入,并通知环境温度控制与评价模 块调整温度进入下一个标定温度点;环境温度控制与评价模块釆用上位机软件实现,根据标 定温度表设定高精度数控恒温槽旳温度,并实时监控数控恒温槽的环境温度是否达到标定要 求,若达到则選知下位标定系统廾始新温度点的标定。 位机 建立温度补偿是 表,标定结束 结束? 目标温度调整 温度控制指令 数控高 精度恒 记录A/D值 A/D值山达标而度达 温度数据采集温槽 和D/A值 超时 异常处理 异常处埋}← 超时烦率达 温补品振模块 判定 1L[A模块驱动烂}A/澳块[测温电匠 →DA模块驱动逻辑D/A碘块小出 目标频率设定 P调节器 温补晶振 频率测量数字逻辑 I Nios I处理器 FPGA GPS接收叽 」 图频率自动标定方法 频率测试评价方法 为了测试评估温补晶振模块根据标定获得的频夲温度补偿衣进行二次温度补偿后的吋 钟精度,本文设计了一种基于时钟信号的累积时钟偏差自动测试评估方法,工作原理 如图所示。该方法包括髙精度累积时钟偏差测量模玦、温补贔振二次温度补偿模块和环境 温度调节模块。髙精度累积时钟偏差测量模块采用内的数字逻辑实现,实时测量温补 品振模块时钟信号与时钟信号的累积时钟偏差;温补晶振二次温度补偿模块采用嵌入 式软件实现,根据温补晶振的测温电路测得的环境温度(值),査询标定获得的频率温 度补偿表获得温补皛振的压控输入(值),实时调节温补晶振的压控输入:环境温度凋 节模块采用上位机实现,按照一定的温度变化策略调芇数控髙精度恒温槽的环境温度。 山国武技记文在 NiosⅡI处理器 上位机 温度控制指令 查 A/D值 目标温度调整 表 数控高 法D4份 精度恒 达标温厦达标 度数据釆集温槽 判定 时钟偏差计算 超时 脉冲计数脉冲计数 异常处理 二二二二 二二二二 温补晶振模块 A心D模块驱动逻辑州LA/D模块[测温电路 数据锁存器 计效模块 冲捕获控制器 数据锁存器 DA模弘动逻钼MD/A模块→「乐捡 计数模块 温补晶振 Clock PPS FPGA GPS接收机 图累积时钟偏差自动测试评估方法 关键模块设计 高精度频率测量 与嵌入式软件相比, 的数字逻辑具有高速并行、高可靠性的特点,本文采用基 的数字逻辑方案来实现温补晶振频率的高精度测量,测量原理如图所示。由于 时钟与时钟的偏差不随时间积累,将时钟作为频率测量的时钟基准。频 率测量的闸门信号由秒脉冲信号经过分频器得到,其上升沿和下降沿均和秒脉冲 的上升沿同步,如图所示。清零信号无效且闸门信号为低电平时,一旦待测信号下降沿来 临,计数尜开始计数并对后续的待测信号下降沿进行计薮,数据锁存器功能禁止,中断信号 清零;清零信号无效且闸门信号为高电平时,一旦待测信号下降沿到来,计数器计数停止, 锁存计数值,并产生上升沿的中断信号,通知 Ⅱ处理器读取·个测量闸门时间的 待测信号的脉冲计数值。 由于待测信号与闸门信号不能保证绝对同步,该测量方法会有最多个脉冲的计数偏 差,测量误差满足()式, Af <E f*T 式中△f为晶振频率的测量值与真值的偏差,f为晶振频率的真值,为测量闸门时间 内晶振时钟脉冲的计数值,f为晶振频率的测量值,为测量闸门时间(即图中的间门信 号的低电平持续时间),为测量精度。 由()式得到, T> f半Ef米E ()式中,f为晶振的标称频率。若温补晶振的标称频率为测量精度氵取, 则由()式可得 即对于标称频率为 的温补晶振,要获得的时钟频率 测量精度,测量闸门时间长度要人于秒,本文设计的标定测试系统的闸门时间是一个系 山国武技记文在 统配置参数,以满足不同标定精度的需求。 P信 闸门信号CLK CLK分频器CouT D触发器 中断信号 D 待测信号 CLK计数器q 1入数据锁存器Q/>测 刂量值 清表信号 CLR 图 数字逻辑实现高精度频率测量 待测信号巾几几L PPS信号 闸门信号 图频率测量时序图 压控输入信号模型 压控输入量的产生 在频率标定过程中,压控输入量根据标称频率与频率测量值的差值通过控制算法运 算获得。起始阶段,标称频率与晶振频夲测量值相差较大,采用铰小的测量调节同期,采用 比例调节算法,使晶振频率快速接近其标称频夲;稳定阶段,晶振频率测量值非常接近其标 称频率,将测量调节周期增大,采用调节算法。 频率标定过程巾采用的调节算法如式、所示, u(k)=u(k-1)+△u(k △u(k)=k「e(k)-e(k-1)]+ke(k) 式中,u(k)为第次压控输入量,Δu(k)为第次压控输入量的增量,e(k)为第 次晶振频率测量值与标称频率的差值,k为比例调节系数,k.为积分调节系数。 在测试泮估过程中,压控输入量根据温补晶振的温度测量值査询频率温度补偿表 后通过插补计算获得。压控输入量计算方法如式所示, u=(a-A,)*1 A -A U,(A1≤a<A1 式中,A和U为频率温度补偿表中第组的值和值,a为温补晶振的当前 采样值 控制精度 本文温补晶振的压控输入采用位芯片控制。压控输入满足式(), 山国武技记文在 V our65535 式中,Nn为电压控制量数字值,V为芯片参考电压,高精度低温漂电压基准芯 片提供 由()式可以推出压控输入的控制精度为: REF N65535 温补晶振可以在ˉ定范围内通过改变压控输入调节其输出频率。其控制精度满足() 式 式中S,为温补晶振调频范围,Ⅴ为温补型晶振压控输入调节范围。 由式()和()π得采用位芯片控制的温补晶振模块的频率调芇精度为: E=8,米E 若芯片参考电压V为,温补晶振调频范围S,、是±,压控输入调节范 围Vτκc是~’则经过计算得到模块对温补型晶振进行调频的控制精度为 实验结果 上位机 数控高精度恒温槽|标定与测试主控板 图标定与测试系统 本文设计开发的高精度温补晶振标定与测试系统实物如图所示,标定与测试主控板置 入数控髙精度恒温槽中。为了测试系统的性能,基于自主研发的一款髙精度温补晶振模块开 展了标定和测试实验。自上研发的高精度温补晶振模块基于商业化温补晶振 (频率 温度稳定度)开发,具有温度测量和压控调频功能,温补晶振模块的实物和系统组 成如图所示。主要实验参数如表所示。 A/D模块k[测温电路」 I2C I TD/A模块}压控端 时钟输出 温补品振 Clack 图温补晶振模块 山国武技记文在 表标定实验与测试实验主要参数 参数 值 参数 值 温补晶振模块数量 标定测量闸门时间 温补晶振标称频率 标定实验调温范围 标定实验时闰 小时 测试实验调温范围 测试实验时间 小时 恒温槽调温精度 标定实验 标定实验对象选取温补晶振模块和温补晶振模块,标定温度调节范围为℃ 选取个标定温度点(℃、℃、℃、℃、℃、℃、℃、℃、℃、℃、℃ ℃、℃、℃)。标定实验结果分别如图、图所示,横轴和纵轴分别代表温补晶振 模块在不同标定温度点的值(温度测量值)和值(频率压控输入值)。从实验结 果可以看出:在℃到℃范围内,各个温度标定点的值随值的增大而增大,该 结果与温补晶振频窣与环境温度负相关、压控输λ与输岀频率正相关的温补皛振模块旳特性 相对应;温补晶振模和温补晶振模块的二次温度补偿曲线趋势相同,但细节上存在 差异,表明了二次温度补偿的必要性。 值 值 图晶振模块频窣标定出线 图晶振模块频率标定曲线 测试实验 测试实验对比了温补晶振进行二次温度补偿和不进行二次温度补偿的累积时钟偏差。通 过上位杋控制薮控恒温槽调节温补晶振的环境温度:首先调节环境温度至℃,保持约 个小时,然后调节环境温度至℃,保持约个小时,然后调节环境温度至℃,保持约 个小时,然后调节坏境温度至℃,保持约个小时。在前个小时,使能温补晶振的 次温度补偿,在后个小时,禁止温补晶振的二次温度补偿。温补晶振模块和温补 晶振模块的实验数据分别如图、图所示,横轴代衣时间,纵轴左侧为累积时钟偏差, 纵轴石侧为温度,绀线代表环境温度值,粗线代温补晶振模块的吋钟累积偏差值(以 时钟为基准)。从图中可以发现,在进行二次温度补偿的时间段内,温补晶振的频率稳定度 分别为 (小时,累积偏差毫秒)和 (小时,累积偏差毫秒), 在不进行二次温度补偿的时间段内,温补晶振的频率稳定度分别为(小时,累积偏 差毫秒)和 (小时,偏差累积毫秒),表眀了所设计的自动标定与测试 系统对温补晶振模块进行频率标定与测试的有效性。 山国武技记文在 时钟累积偏差 时钟累积偏差 温度 度 时间 时间 图温补晶振模块二次温度补偿结果 图温补晶振模块二次温度补偿结果 结论 本文设计了一种高精度温补晶振自动标定与测试系统,以时钟信号为时钟基准 自动完成在指定标定温度曲线下多温补晶振模块的频率标定,并自动根据标定获得的二次温 度补偿表在指定温度环境中进行二次温度补偿测试。测试实验表明,可将被测温补晶振的频 率稳定度由 提高到 验证了系统设计方案和方法的可行性。该高精度 温补晶振自动标定与沨试系统可有效支撑温补晶振在高精度时钟场合的应用。 参考文献 孙兵锋,阎世栋,陈涛,侯杯山,钟达,梅刚华小型化 恒温晶体振荡器设计波谱学杂志 () 白丽娜,周渭,任车旗一种宽频率调节的精密 西安电子科技大学学报,,(): 常宏,张首刚,王心亮,H晓基准原子钟的发展及国家授时中心光学原子钟的研进展中国科学: 物理学力学天文学 尹毅,张奕,谭伯仲,陈杰华,顾思洪芯片原子钟相干布居闪禁谱线特性研究物理学报, 曹远洪,何庆,杨林芯片原子钟钟研究进展电讯技术, 王艳,黄显核,阎立群,胡志雄,谭峰,魏婧髙精度低噪声集成温度补偿晶体振荡器压电与声光, () 邓明,魏文博,盛堰,景恩,何水原,罗贤虎,史心语深水大地电磁数据采集的若干理论要点与仪 器技术地球物理学报, 李予因,段双敏海洋可控源电磁数据预处理方法研究中国海洋大学学报(自然科学版), 山国武技记文在 郭忠文,罗汉江,洪锋,杨猛,倪明选水下无线传感器网络的硏宄进展计算机研究与发展 程恩,袁飞,苏为,高春仙,曾文俊,孙海信,胡晓毅水声通信抆术研究进展厦门大学学报(自 然科学版), 黄文君,遇彬基于的精確时钟同步方法浙江大学学报(工学版) 李友军,姜雷基于温度补偿的对时守时新方案电力系统自动化, 魏丰,朱广伟,王瑞清,王群一种校准的数字式高精度守时钟仪器仪表学报, ():

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