基于GPS的恒温晶振频率校准系统的设计与实现

象，频率稳定度不佳。

为进一步提高晶振频率的精度与稳定性，结合恒温晶振短期稳定度高的特点，在数字鉴相器模块中，以GPS的1PPS信号为基准，测量1PPS与恒温晶振分频出的1Hz信号的相位差。依据GPS没有累积误差的优点，在环路滤波器模块中采用滑动平均滤波法来降低GPS秒脉冲对测量带来的干扰，设计FIFO存储器来配合计算出最近200 s的平均相位差，通过不断对比短时的相位差及长时的平均相位差，分析相位差的长期与短期变化动态，实时调节恒温晶振的控制电压，保证晶振输出稳定且准确的10 MHz时钟信号。晶振频率调整的过程如图3所示，此方法简单实用，可有效抑制1PPS抖动对晶振造成的影响。

2.2电路设计

D/A芯片选用TI公司TLV5616，它是低功耗单片12位串行数模转换器，分辨率为4096，该芯片采用三线制（SCLK、SYNC、DIN）串行接口，SCLK方波信号为下降沿时，TLV5616读取DIN的电平信号，转化成相应的电压送往恒温晶振，用于晶振的微调，晶振频率调整硬件电路如图4所示。

2.3授时功能

在许多现实的应用中需要毫秒、微秒、纳秒等这些更小的时间单位量，但是GPS接收机一般只能提供最小时间单位为秒的UTC时间，本系统在GPS基础上设计了授时功能。

授时工作流程如图5所示，系统在FPGA中设计串口数据模块来接收GPs的SD01管脚发出的GPRMC格式数据，并将其存放在FPGA内部的双口RAM中，通过串口数据模块及数字鉴相器模块可以判断GPS接收机是否正常工作。若识别出准确的UTC时间和1PPS信号后，授时模块迅速从RAM中提取最新时间数据进行处理，得到初始时间值，当下一个1PPS上升沿到来后，系统在初值的基础上开始完全依靠高稳恒温晶振自行走时，并每隔5秒与准确的1PPS信号进行校对，如果发现本系统的时间与1PPS不同步，那么系统时间将会短暂停滞或快速跳进，达到与1PPS同步，保证时间信息输出的连续性与准确性；若GPS接收机非正常输出1PPS信号，则不进行校对，直到1PPS正常后再恢复校对功能。