一种时钟频率源的自动校准装置及方法与流程

1.本发明涉及时钟频率源技术领域，特别是一种时钟频率源的自动校准装置及方法。


背景技术：

2.大部分通信设备都使用温补晶体振荡器(tcxo)或者恒温晶体振荡器(ocxo)作为系统时钟频率源，由于这类晶体振荡器的长期老化因素，年老化率一般在1～2ppm左右，使得系统时钟产生频率漂移，影响设备通信性能，严重时可能导致不能通信。
3.对于晶振老化所产生的系统时钟频率漂移，常用的方法是定期将设备从安装平台拆下进行检查维护，而且需打开设备，将晶振的输出外接高精度的频率计数器仪表设备，通过机械调节晶振内部的电位器来校准频率源，给用户使用和维护都带来极大不便。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种自动校准频率源的装置及方法，实现通信设备高精度的时钟频率源自动校准。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种时钟频率源的自动校准装置，包括恒温晶体振荡器、fpga单元、dac单元、有源滤波器和辅助电路，其中：
6.所述恒温晶体振荡器的频率输出作为fpga单元的工作时钟；所述fpga单元根据外部北斗模块的秒脉冲进行内部时钟计数和校准，然后通过spi串行接口控制dac单元输出模拟电压；该模拟电压经过有源滤波器驱动、抑制干扰滤波，输出压控电压并作用于恒温晶体振荡器的压控调节端，实时调整恒温晶体振荡器的输出频率。
7.进一步地，所述fpga单元根据外部北斗模块的秒脉冲进行内部时钟计数和校准，具体为：
8.在秒脉冲周期内对fpga单元的工作时钟进行计数，根据计数值与额定值之间的差值，调节恒温晶体振荡器的压控电压数值。
9.进一步地，所述dac单元采用16位高精度dac。
10.进一步地，所述恒温晶体振荡器的标称频率为102.4mhz，频率稳定度为0.1ppm，年老化不大于1ppm，压控电压范围为0.5～4.5v，频率调节范围大于
±
2ppm，压控线性度不大于
±
10％。
11.进一步地，所述dac单元采用片上2.5v、5ppm/℃参考电压的16bit低功耗集成电路。
12.进一步地，所述有源滤波器由运算放大器和rc电路构成有源低通滤波器，用于抑制干扰，降低输出直流电压上由于干扰叠加造成的电压波动，同时将dac单元输出电压驱动放大。
13.一种时钟频率源的自动校准方法，步骤如下：
14.步骤1、恒温晶体振荡器的频率输出作为fpga单元的工作时钟；
15.步骤2、fpga单元根据外部北斗模块的秒脉冲进行内部时钟计数和校准，然后通过spi串行接口控制dac单元输出模拟电压；
16.步骤3、模拟电压经过有源滤波器驱动、抑制干扰滤波，输出压控电压并作用于恒温晶体振荡器的压控调节端，实时调整恒温晶体振荡器的输出频率。
17.进一步地，步骤2所述fpga单元根据外部北斗模块的秒脉冲进行内部时钟计数和校准，具体如下：
18.频率校准的调节周期间隔设为8秒，即在秒脉冲触发8次的时间里，fpga单元对自身的102.4mhz时钟进行计数，标准时钟计数额定值为：
[0019]8×
102400000＝819200000
[0020]
当秒脉冲第8个时钟周期到来时，将统计的时钟计数值与额定值进行比较，得到两者的差值，时钟计数值单位差值对应的频率变化的ppb为：
[0021]
1/(8
×
0.1024)＝1.22
[0022]
根据恒温晶体振荡器的频率调节线性度测量结果，16bit的dac单元满量程产生0.5v～4.5v压控电压变化，可调节的频率范围为4ppm，则每ppb的频率范围调节所需dac单元的电压数值增量为：
[0023]
4/5
×216
/(4
×
1000)＝13.1
[0024]
dac单元的调整电压数值最小步进为1，即dac单元的调整电压数值精度远大于所需的1ppb频率精度调节需求；
[0025]
fpga单元采用2倍的时钟计数差值作为dac单元的压控电压数值增量，每次调整dac单元的压控电压数值均为在当前压控电压数值基础上加上或减去时钟计数差值的两倍，并不断更新；当时钟计数值大于额定值时，表示时钟频率偏高，需减小dac单元的压控电压数值；当时钟计数值小于额定值时，则表示时钟频率偏低，需增加dac单元的压控电压数值；
[0026]
每次dac单元的压控电压数值增量对应的频率调节步进与上次频率误差的关系为：
[0027]2×
1.22/13.1＝0.186
[0028]
频率误差由2ppm调整至10ppb所需调整的次数n和时间t为：
[0029]
2000
×
(1-0.186)n≤10n＝26
[0030]
t＝26
×
8＝208
[0031]
频率误差由2ppm调整至1ppb所需调整的次数n和时间t为：
[0032]
2000
×
(1-0.186)n≤1n＝37
[0033]
t＝37
×
8＝296
[0034]
其中，时间t的单位为秒。
[0035]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过将接入的外部高精度秒脉冲和内部频率源产生的时钟比对，闭环调节内部时钟频率，使得两者频率精度逐渐逼近，高效可靠；(2)自动校准频率源电路设计和高精度fpga校准算法设计，既保证了频率校准收敛时间，又能实现高精度频率调节，频率调节精度可达到1ppb；(3)可在不拆卸、不打开设备的情况下，只需外接北斗模块的秒脉冲，通过北斗秒脉冲信号驯服设备的频率源，即可达到和北斗模块秒脉冲同等频率精度；(4)功能性能可靠，可应用范围较广泛，适用于对时钟精度要
求高的各类通信设备，可有效降低设备使用维护成本。
附图说明
[0036]
图1是本发明时钟频率源的自动校准装置的电路设计框图。
[0037]
图2是ocxo压控频率调整线性度示意图。
[0038]
图3是频率自动调整收敛示意图。
[0039]
图4是本发明时钟频率源的自动校准方法中fpga校准算法流程图。
[0040]
图5是本发明时钟频率源的自动校准装置的电路设计原理图。
具体实施方式
[0041]
本发明的高精度自动校准频率源采用的是数字自动频率调节的方法，通过将接入的外部高精度秒脉冲和内部频率源产生的时钟比对，闭环调节内部时钟频率，使得两者频率精度逐渐逼近。
[0042]
本发明一种时钟频率源的自动校准装置，包括恒温晶体振荡器、fpga单元、dac单元、有源滤波器和辅助电路，其中：
[0043]
所述恒温晶体振荡器的频率输出作为fpga单元的工作时钟；所述fpga单元根据外部北斗模块的秒脉冲进行内部时钟计数和校准，然后通过spi串行接口控制dac单元输出模拟电压；该模拟电压经过有源滤波器驱动、抑制干扰滤波，输出压控电压并作用于恒温晶体振荡器的压控调节端，实时调整恒温晶体振荡器的输出频率。
[0044]
进一步地，所述fpga单元根据外部北斗模块的秒脉冲进行内部时钟计数和校准，具体为：
[0045]
在秒脉冲周期内对fpga单元的工作时钟进行计数，根据计数值与额定值之间的差值，调节恒温晶体振荡器的压控电压数值。
[0046]
进一步地，所述dac单元采用16位高精度dac。
[0047]
进一步地，所述恒温晶体振荡器的标称频率为102.4mhz，频率稳定度为0.1ppm，年老化不大于1ppm，压控电压范围为0.5～4.5v，频率调节范围大于
±
2ppm，压控线性度不大于
±
10％。
[0048]
进一步地，所述dac单元采用片上2.5v、5ppm/℃参考电压的16bit低功耗集成电路。
[0049]
进一步地，所述有源滤波器由运算放大器和rc电路构成有源低通滤波器，用于抑制干扰，降低输出直流电压上由于干扰叠加造成的电压波动，同时将dac单元输出电压驱动放大。
[0050]
本发明一种时钟频率源的自动校准方法，步骤如下：
[0051]
步骤1、恒温晶体振荡器的频率输出作为fpga单元的工作时钟；
[0052]
步骤2、fpga单元根据外部北斗模块的秒脉冲进行内部时钟计数和校准，然后通过spi串行接口控制dac单元输出模拟电压；
[0053]
步骤3、模拟电压经过有源滤波器驱动、抑制干扰滤波，输出压控电压并作用于恒温晶体振荡器的压控调节端，实时调整恒温晶体振荡器的输出频率。
[0054]
进一步地，步骤2所述fpga单元根据外部北斗模块的秒脉冲进行内部时钟计数和
校准，具体如下：
[0055]
频率校准的调节周期间隔设为8秒，即在秒脉冲触发8次的时间里，fpga单元对自身的102.4mhz时钟进行计数，标准时钟计数额定值为：
[0056]8×
102400000＝819200000
[0057]
当秒脉冲第8个时钟周期到来时，将统计的时钟计数值与额定值进行比较，得到两者的差值，时钟计数值单位差值对应的频率变化的ppb为：
[0058]
1/(8
×
0.1024)＝1.22
[0059]
根据恒温晶体振荡器的频率调节线性度测量结果，16bit的dac单元满量程产生0.5v～4.5v压控电压变化，可调节的频率范围为4ppm，则每ppb的频率范围调节所需dac单元的电压数值增量为：
[0060]
4/5
×216
/(4
×
1000)＝13.1
[0061]
dac单元的调整电压数值最小步进为1，即dac单元的调整电压数值精度远大于所需的1ppb频率精度调节需求；
[0062]
fpga单元采用2倍的时钟计数差值作为dac单元的压控电压数值增量，每次调整dac单元的压控电压数值均为在当前压控电压数值基础上加上或减去时钟计数差值的两倍，并不断更新；当时钟计数值大于额定值时，表示时钟频率偏高，需减小dac单元的压控电压数值；当时钟计数值小于额定值时，则表示时钟频率偏低，需增加dac单元的压控电压数值；
[0063]
每次dac单元的压控电压数值增量对应的频率调节步进与上次频率误差的关系为：
[0064]2×
1.22/13.1＝0.186
[0065]
频率误差由2ppm调整至10ppb所需调整的次数n和时间t为：
[0066]
2000
×
(1-0.186)n≤10n＝26
[0067]
t＝26
×
8＝208
[0068]
频率误差由2ppm调整至1ppb所需调整的次数n和时间t为：
[0069]
2000
×
(1-0.186)n≤1n＝37
[0070]
t＝37
×
8＝296
[0071]
其中，时间t的单位为秒。
[0072]
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0073]
实施例
[0074]
本实施例的内容主要包含频率源校准电路和fpga频率校准算法的设计。
[0075]
1)频率源校准电路设计
[0076]
结合图1，频率源校准电路主要由恒温晶振、fpga、16位高精度dac、有源滤波器和辅助电路构成。采用的恒温晶振的标称频率为102.4mhz，频率稳定度为0.1ppm，年老化不大于1ppm，压控电压范围为0.5～4.5v，频率可调节范围大于
±
2ppm，压控线性度不大于
±
10％；dac采用的是片上2.5v、5ppm/℃参考电压的16bit低功耗集成电路，spi串行接口控制；有源滤波器由低噪声、低漂移的运放和rc电路构成有源低通滤波器，抑制干扰,降低输出直流电压上由于干扰叠加造成的电压波动，同时将dac输出电压驱动放大。
[0077]
恒温晶振的频率输出作为fpga的工作时钟，fpga根据外部北斗模块的秒脉冲进行
内部时钟计数和校准，通过spi串行接口，控制16位高精度dac输出模拟电压，经过有源滤波器驱动、抑制干扰滤波，作用于ocxo的压控调节端，实时调整ocxo的输出频率，实现ocxo的频率精度达到与北斗秒脉冲信号同等的频率精度。
[0078]
2)fpga校准算法设计
[0079]
fpga校准算法是在秒脉冲周期内对fpga的工作时钟进行计数，根据计数值与额定值之间的差值，来调节恒温晶振的压控电压数值。
[0080]
频率校准的调节周期间隔设计为8秒，即在秒脉冲触发8次的时间里，fpga对自身的102.4mhz时钟进行计数，标准时钟计数额定值为：
[0081]8×
102400000＝819200000
[0082]
当秒脉冲第8个时钟周期到来时，将统计的时钟计数值与额定值进行比较，得到两者的差值，时钟计数值单位差值对应的频率变化的ppb为：
[0083]
1/(8
×
0.1024)＝1.22
[0084]
即每1个时钟计数值的差值对应频率变化1.22ppb，频率调整精度能够满足设计需求。
[0085]
结合图2，根据ocxo的频率调节线性度测量结果，16bit的dac满量程产生0.5v～4.5v压控电压变化可调节的频率范围约为4ppm，则每ppb的频率范围调节所需dac的电压数值增量约为：
[0086]
4/5
×216
/(4
×
1000)＝13.1
[0087]
dac的调整电压数值最小步进为1，即dac的调整电压数值精度远大于所需的1ppb频率精度调节需求。
[0088]
fpga算法采用2倍的时钟计数差值作为dac的压控电压数值增量，每次调整dac的压控电压数值均为在当前压控电压数值基础上加上或减去时钟计数差值的两倍，并不断更新。当时钟计数值大于额定值时，表示时钟频率偏高，需减小dac的压控电压数值；当时钟计数值小于额定值时，则表示时钟频率偏低，需增加dac的压控电压数值。每次dac的压控电压数值增量对应的频率调节步进与上次频率误差的关系为：
[0089]2×
1.22/13.1＝0.186
[0090]
频率误差由2ppm调整至10ppb所需调整的次数和时间为：
[0091]
2000
×
(1-0.186)n≤10n＝26
[0092]
t＝26
×
8＝208(s)
[0093]
频率误差由2ppm调整至1ppb所需调整的次数和时间为：
[0094]
2000
×
(1-0.186)n≤1n＝37
[0095]
t＝37
×
8＝296(s)
[0096]
当时钟初始频率精度较差时，时钟初始计数差值较大，频率调整的步进也很大，调整收敛时间也相对较长一些。算法采用2倍的时钟计数差值作为dac的压控电压数值增量，既加快了调整的收敛时间，又能保证但dac的频率调整精度。图3是频率自动调整收敛示意图，当收敛后的时钟计数值与额定值的差值小于8时，频率精度达到约10ppb,所需时间约为208秒，已经能满足要求，当收敛后的时钟计数值与额定值的差值小于1时,频率精度达到约1ppb，所需时间约为296秒。
[0097]
3)实施方法
[0098]
结合图4，高精度自动校准频率源实施方法：
[0099]
①
将采用该发明的设备和北斗模块分别通电，预热10分钟，使得设备和北斗模块均工作稳定；
[0100]
②
将恒温晶振的输出频率接入高精度频率计数器，使用测试终端通过串口人工预置设备内部dac输出的压控电压数值，直到高精度频率计数器测量的频率误差达到1ppb，记录频率值和压控电压数值；
[0101]
③
通过测试终端串口人工预置增大设备内部dac输出的压控电压数值，直到高精度频率计数器测量的频率误差达到+1ppm和+2ppm，记录频率值和压控电压数值；
[0102]
④
通过测试终端串口人工预置减小设备内部dac输出的压控电压数值，直到高精度频率计数器测量的频率误差达到-1ppm和-2ppm，记录频率值和压控电压数值；
[0103]
⑤
通过测试终端串口人工预置调整设备内部dac的压控电压数值，使得频率计数器测量的频率误差为+2ppm，将北斗模块的秒脉冲信号通过设备的对外低频接口接入设备，每隔8秒钟，观察并记录频率计数器显示的频率值和串口读取的内部dac的压控电压数值，直到频率计数器显示的频率精度达到约1ppb并基本稳定；
[0104]
⑥
通过测试终端串口人工预置调整设备内部dac的压控电压数值，使得频率计数器测量的频率误差为-2ppm，将北斗模块的秒脉冲信号通过设备的对外低频接口接入设备，每隔8秒钟，观察并记录频率计数器显示的频率值和串口读取的内部dac的压控电压数值，直到频率计数器显示的频率精度达到约1ppb并基本稳定；
[0105]
⑦
将设备断电，断开输入的秒脉冲信号，重启设备，预热10分钟，频率计数器显示的频率精度应接近1ppb，串口读取的内部dac的压控电压数值与初始值应不一样，与步骤
②
设置的数值应基本一致，则表明高精度自动频率源校准功能有效。
[0106]
采用本发明时钟频率源自动校准的通信设备，在校准频率源的频率精度时，不需要从安装平台上拆卸和打开，只需通过对外接口外接北斗模块的秒脉冲，驯服设备约5分钟，即可对设备的频率源进行校准，精度能够达到和北斗秒脉冲同等精度。图5是本发明时钟频率源的自动校准装置的电路设计原理图。
[0107]
本发明已经应用于通信设备研制，功能性能验证可靠。若系统能够提供高精度的秒脉冲，则上电即可以驯服，提供较高精度的本地时钟，适用于对基准频率源守时精度要求较高的同步系统。