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摘要：恒温晶体振荡器具有精确度高、頻率稳定等特点，在稳定度、温度稳定性和老化率方面都具有优势，是一种非常精密的时频信号源，在网络分析仪、计量、通信和全球定位系统中都得到了广泛的应用。恒温晶振驯服保持技术将晶体振荡器的短期稳定度和GPS信号的准确度和长期稳定度有效融合在一起，促使频率源的性能得到了很大的改善，使其得到了更广泛的应用。本文就恒温晶振驯服保持技术进行分析，旨在为人们提供一定的参考。
关键词：恒温晶振；驯服保持技术；频率测量
晶体振荡器的锁定技术在国内外都已经有相应的研究，并且也取得了一定的成果，研制出了相应的产品，国外一些公司的二级频标技术采用卫星信号来进行锁定，就能够同步GPS 输出的1PPS信号和晶振分频得到的秒信号，同步的精度非常高。近年来二级频标的应用非常广泛和普及，因此对准确性和稳定性也提出了更高的要求，加强二级频标的驯服保持技术的研究才能够满足现阶段人们的需求和要求。
一、恒温晶振驯服保持技术系统设计
（一）恒温晶振驯服保持技术系统总体方案
恒温晶振驯服保持技术系统总体方案由微处理器模块、GPS接收机、恒温晶体整荡器、信号调理模块、时间间隔测量模块、显示器和分频模块等组成，由控制软件来控制发挥作用。其中微处理器模块；GPS接收机模块主要用于GPS信号的接收，同时输出标准的秒信号，但是秒信号一般含有干扰脉冲，所以并不会直接使用，而是要经过解码、处理等之后用来校准晶振；时间间隔测量模块对GPS接收机输出的秒信号和恒温晶振分频产生的秒信号上升沿之间的时间间隔进行测量，同时将测定得到的结果输送给数据处理模块；数据处理模块对测定得到的时间间隔进行数字滤波，消除信号抖动[1]。数据处理模块完成对数据的处理之后，发出控制数据，由信号调理模块和高分辨率D/A转换器接收，并将其转化为模拟控制电压，通过对应的信号调理电路就能够将模拟电压的范围和恒温晶振的电压压控范围相符合。分频控制模块主要负责对原始频率信号进行分频，一般是对经过校正之后的原始频率分频，产生同步输出的秒脉冲，这个秒脉冲可以用于测量，可以对秒脉冲脉冲宽度进行控制。传感器组在整个系统中具有重要的功能，恒温晶振输出的频率精确度会受到老化时间和温度的影响，而传感器组就可以将有影响的信息采集起来，并将其传输到数据处理模块中，由数据处理模块来进行相应的处理，就能够将老化和温度的影响分离出来，并提供相应的数据。
系统控制部分和数据处理都是通过单片机来完成的，接收到的时间间隔测量值可以采用单片机中的滤波算法来进行处理，这样就能够将GPS接收机输出的秒信号中的随机跳变引入的影响进行消除。但是由于其是由单片机来完成的，而单片机的接口数量有限，其储存的数据量也是十分有限的，为了减少数据的存储量，可以采用 Kalman滤波器。而采用非常普遍和常用的PID控制算法也能够将系统的静差消除。
系统会实时监控GPS信号，并对信号进行判断，掌握信号是否正常，这样就能够有效提升整个系统的可靠性，满足人们对可靠性和准确性的要求。系统中的数字逻辑部分主要是由FPGA和CPLD组合来实现的，这一数字逻辑部位能够对恒温晶振的输出进行分频，提供1赫兹和10兆赫兹的秒信号输出。FPGA对恒温晶振的输出进行分频是通过计数器来实现的，经过分频之后的频率标称值为1赫兹，此时就可以采用时间各个测量器来测量恒温竞争和秒信号之间的相位差。经过分频之后得到秒信號，秒信号可以用来测量时间间隔，也可以对外输出。
（二）恒温晶振驯服保持技术硬件方案
要实现GPS信号锁定恒温晶振系统，最重要的就是要确保时间间隔测量的精确性，同时提升数据处理能力。单片机的设计非常简单和便捷，其时序控制能力非常强，但是系统的可靠性不高，端口的数量也比较少，而FPGA/CPLD则能够有效使整个系统的效率提高，在逻辑功能方面实现比较简单，并且具有较高的可靠性，但是其时序控制能力比较差[2]。因此，FPGA/CPLD和单片机的互补性很强，所以系统的核心数据处理器可以采用FPGA/CPLD+MSP430单片机，其中单片机选择TI公司的MSP430系列中的 MSP430F247 型单片机。选择的恒温晶振的控制电压为 0～12V，频率调整范围为10MHz±3Hz，输出频率为10MHz。GPS 接收机选择LASSEN iQ GPS接收机。系统要发挥作用，需要将单片机得到的数字转化为对应模拟电压，才能校准恒温晶振的输出频率，因此还需要D/A转换器，选择高分辨率的D/A转换器。温度传感器采用数字式集成温度传感器，其具有更好的抗干扰能力，并且能够将电路的设计有效简化。
（三）恒温晶振驯服保持技术软件设计
恒温晶振驯服保持技术软件设计主要包括单片机的软件设计和FPGA的软件，主要采用C语言和 Verilog 硬件描述语言编写。单片机是在整个系统中具有非常重要的作用，是系统的控制协调中心，也是数据信息处理的中心[3]。在实际运行过程中，单片机先初始化整个系统，初始化要按照一定的顺序，先初始化单片机，然后将配置FPGA芯片下载下来，然后对其他的外围设备进行初始化。完成了初始化之后，整个系统就可以开始工作了，经FPGA传递时间间隔测量数据，由单片机的一个端口接收，此时会触发I/O口中断，GPS输出信号到串口通信接口，对接受到的GPS信号进行判断，确定其是否为有效信息。接下来是对数据进行处理，由单片机来进行处理，对恒温晶振经过分频之后输出的秒信号和GPS接收机的信号中不同步的部分时间间隔数值进行计算，结合A/D转换的数值来进行计算，然后对这个数值进行滤波处理，将秒信号抖动的影响消除。采用PID算法，同时结合滤波之后的时间间隔树脂来对晶体振荡器的频率进行校正，将其输入到频率校正模块，就能够实现对晶体振荡器输出频率的控制。
二、结语
现阶段应用最普及的频率源就是高稳定度晶体振荡器，在应用电力技术、计量、国防军工、航空航天以及通信等领域中都得到了广泛的应用，在我国科学技术不断发展的背景下，人们对高稳定度晶体振荡器的要求越来越高，尤其是在稳定度和精度方面的要求非常高。本文主要对基于GPS秒信号的恒温晶振驯服保持技术进行设计，其中时间间隔的测量方法采用直接计数法和时间-幅度转换法相结合的方式，测量恒温晶体振荡器和GPS接收机输出的IPPS信号相位差，分辨率非常高，能够满足驯服系统的设计要求。
参考文献：
[1]冯雪阳. 基于GPS秒脉冲的恒温晶振驯服和自适应保持技术研究与实现[D]. 电子科技大学， 2014.
[2]马彦青. 恒温晶振OCXO自适应驯服保持技术研究[D]. 西安电子科技大学， 2015.
[3]王冲. 稳压恒温晶振的稳压器失效分析[J]. 中国科技博览， 2015，12（20）：47-48.
关键词：恒温晶振；驯服保持技术；频率测量
晶体振荡器的锁定技术在国内外都已经有相应的研究，并且也取得了一定的成果，研制出了相应的产品，国外一些公司的二级频标技术采用卫星信号来进行锁定，就能够同步GPS 输出的1PPS信号和晶振分频得到的秒信号，同步的精度非常高。近年来二级频标的应用非常广泛和普及，因此对准确性和稳定性也提出了更高的要求，加强二级频标的驯服保持技术的研究才能够满足现阶段人们的需求和要求。
一、恒温晶振驯服保持技术系统设计
（一）恒温晶振驯服保持技术系统总体方案
恒温晶振驯服保持技术系统总体方案由微处理器模块、GPS接收机、恒温晶体整荡器、信号调理模块、时间间隔测量模块、显示器和分频模块等组成，由控制软件来控制发挥作用。其中微处理器模块；GPS接收机模块主要用于GPS信号的接收，同时输出标准的秒信号，但是秒信号一般含有干扰脉冲，所以并不会直接使用，而是要经过解码、处理等之后用来校准晶振；时间间隔测量模块对GPS接收机输出的秒信号和恒温晶振分频产生的秒信号上升沿之间的时间间隔进行测量，同时将测定得到的结果输送给数据处理模块；数据处理模块对测定得到的时间间隔进行数字滤波，消除信号抖动[1]。数据处理模块完成对数据的处理之后，发出控制数据，由信号调理模块和高分辨率D/A转换器接收，并将其转化为模拟控制电压，通过对应的信号调理电路就能够将模拟电压的范围和恒温晶振的电压压控范围相符合。分频控制模块主要负责对原始频率信号进行分频，一般是对经过校正之后的原始频率分频，产生同步输出的秒脉冲，这个秒脉冲可以用于测量，可以对秒脉冲脉冲宽度进行控制。传感器组在整个系统中具有重要的功能，恒温晶振输出的频率精确度会受到老化时间和温度的影响，而传感器组就可以将有影响的信息采集起来，并将其传输到数据处理模块中，由数据处理模块来进行相应的处理，就能够将老化和温度的影响分离出来，并提供相应的数据。
系统控制部分和数据处理都是通过单片机来完成的，接收到的时间间隔测量值可以采用单片机中的滤波算法来进行处理，这样就能够将GPS接收机输出的秒信号中的随机跳变引入的影响进行消除。但是由于其是由单片机来完成的，而单片机的接口数量有限，其储存的数据量也是十分有限的，为了减少数据的存储量，可以采用 Kalman滤波器。而采用非常普遍和常用的PID控制算法也能够将系统的静差消除。
系统会实时监控GPS信号，并对信号进行判断，掌握信号是否正常，这样就能够有效提升整个系统的可靠性，满足人们对可靠性和准确性的要求。系统中的数字逻辑部分主要是由FPGA和CPLD组合来实现的，这一数字逻辑部位能够对恒温晶振的输出进行分频，提供1赫兹和10兆赫兹的秒信号输出。FPGA对恒温晶振的输出进行分频是通过计数器来实现的，经过分频之后的频率标称值为1赫兹，此时就可以采用时间各个测量器来测量恒温竞争和秒信号之间的相位差。经过分频之后得到秒信號，秒信号可以用来测量时间间隔，也可以对外输出。
（二）恒温晶振驯服保持技术硬件方案
要实现GPS信号锁定恒温晶振系统，最重要的就是要确保时间间隔测量的精确性，同时提升数据处理能力。单片机的设计非常简单和便捷，其时序控制能力非常强，但是系统的可靠性不高，端口的数量也比较少，而FPGA/CPLD则能够有效使整个系统的效率提高，在逻辑功能方面实现比较简单，并且具有较高的可靠性，但是其时序控制能力比较差[2]。因此，FPGA/CPLD和单片机的互补性很强，所以系统的核心数据处理器可以采用FPGA/CPLD+MSP430单片机，其中单片机选择TI公司的MSP430系列中的 MSP430F247 型单片机。选择的恒温晶振的控制电压为 0～12V，频率调整范围为10MHz±3Hz，输出频率为10MHz。GPS 接收机选择LASSEN iQ GPS接收机。系统要发挥作用，需要将单片机得到的数字转化为对应模拟电压，才能校准恒温晶振的输出频率，因此还需要D/A转换器，选择高分辨率的D/A转换器。温度传感器采用数字式集成温度传感器，其具有更好的抗干扰能力，并且能够将电路的设计有效简化。
（三）恒温晶振驯服保持技术软件设计
恒温晶振驯服保持技术软件设计主要包括单片机的软件设计和FPGA的软件，主要采用C语言和 Verilog 硬件描述语言编写。单片机是在整个系统中具有非常重要的作用，是系统的控制协调中心，也是数据信息处理的中心[3]。在实际运行过程中，单片机先初始化整个系统，初始化要按照一定的顺序，先初始化单片机，然后将配置FPGA芯片下载下来，然后对其他的外围设备进行初始化。完成了初始化之后，整个系统就可以开始工作了，经FPGA传递时间间隔测量数据，由单片机的一个端口接收，此时会触发I/O口中断，GPS输出信号到串口通信接口，对接受到的GPS信号进行判断，确定其是否为有效信息。接下来是对数据进行处理，由单片机来进行处理，对恒温晶振经过分频之后输出的秒信号和GPS接收机的信号中不同步的部分时间间隔数值进行计算，结合A/D转换的数值来进行计算，然后对这个数值进行滤波处理，将秒信号抖动的影响消除。采用PID算法，同时结合滤波之后的时间间隔树脂来对晶体振荡器的频率进行校正，将其输入到频率校正模块，就能够实现对晶体振荡器输出频率的控制。
二、结语
现阶段应用最普及的频率源就是高稳定度晶体振荡器，在应用电力技术、计量、国防军工、航空航天以及通信等领域中都得到了广泛的应用，在我国科学技术不断发展的背景下，人们对高稳定度晶体振荡器的要求越来越高，尤其是在稳定度和精度方面的要求非常高。本文主要对基于GPS秒信号的恒温晶振驯服保持技术进行设计，其中时间间隔的测量方法采用直接计数法和时间-幅度转换法相结合的方式，测量恒温晶体振荡器和GPS接收机输出的IPPS信号相位差，分辨率非常高，能够满足驯服系统的设计要求。
参考文献：
[1]冯雪阳. 基于GPS秒脉冲的恒温晶振驯服和自适应保持技术研究与实现[D]. 电子科技大学， 2014.
[2]马彦青. 恒温晶振OCXO自适应驯服保持技术研究[D]. 西安电子科技大学， 2015.
[3]王冲. 稳压恒温晶振的稳压器失效分析[J]. 中国科技博览， 2015，12（20）：47-48.