GPS系統恒溫晶振時間間隔測量模塊分析
來源：http://www.theqj.cn 作者：康華爾電子 2018年04月09
GPS導航定位系統開始發展的時間較早，起源于美國軍方的一個項目，在中國北斗系統沒研發出來之前，GPS系統一直是全球軍工，商業和民用領域使用的定位和導航高科技產品。這個概念最早是在1958年出現，經過60年的發展，在現今的互聯網時代，GPS仍然是非常有發展前景，而且技術也越來越成熟。大到飛機輪船，航天小到智能手機，汽車導航等，GPS和我們的生活息息相關，是科學家們長期研究的方向。
高精度的時間測量是實現馴服保持的基礎,一般都使用比時法測頻差的方法實現對恒溫晶振的鎖定,其中最常用的方法就是直接計數法,即在有待測時間間隔構成的閘門信號中填入脈沖,通過必要的計數電路,得到填充脈沖的個數后再乘以填充周期便可計算出待測的時間間隔。但是這種方法的測量精度很低,主要取決于填充脈沖的頻率,有源晶振頻率越高測量精度越高,但在實際應用中,這會大大提高對相應器件和線路的要求,同時還存在±1個字的量化誤差,直接計數法如圖4.3
所示：
其它常用的時間間隔測量方法還有模擬內插法、游標法、量化延遲法、時間幅度轉化法,雖然這些方法都具有很高的測量分辨率,但是它們的測量范圍都很小,于是考慮將直接計數法和上述某一種高分辨率測量方法相結合的測量方法, 從而可以同時兼顧到測量分辨率和測量范圍。
本文采用將直接計數法和時間一幅度轉化法相結合的時間間隔測量方法,對時間間隔閘門首先用直接計數法計數,由圖43所示,T為被測時間間隔值,T為由直接計數法計算得到的時間間隔測量結果,T和T2分別代表代表時間間隔的開始信號和結束信號與計數時鐘信號之間的不同步部分,即直接計數法中存在的量化誤差部分,而這兩部分短時間間隔值由采用時間一幅度轉換法來測量。因此被測時間間隔值可由下式計算得到:
TX=TN+T1-T2 式(4-1)
由于輸入到時間間隔測量模塊的兩信號為來自GPS接收機的IPPS信號和OCXO晶振分頻得到的1Hz信號,分別以待測閘門的上升沿和下降沿作為短時間間隔T和T的開門信號,以緊隨它們的第一個填充信號的上升沿和下降沿作為關門信號。
因為填充脈沖為OCXO石英晶體振蕩器輸出的10MHz信號,理論上1Hz信號和填充脈沖的上升沿是嚴格對齊的或者有一個固定的相位差,所以可以認為結束信號與填充脈沖之間的相位關系不再是隨機的,而是相關的。也就是在該系統中只需考慮待測時間向間隔開門后的短時間間隔T,而不必考慮關門后的短時間間隔T2,所以待測時間間隔變為T=T+T1,時間一幅度轉換法的原理圖如圖4.4所示同。
具體電路實現時采用CPLD和帶有AD轉換器的單片機MSP430F247)以及外圍的電流源電路、高度開關、放電MOS管等構成,充放電電路如圖4.5所示。
CPLD用于取出直接計數法中計數OCXO石英晶振時鐘信號和代表被測時間間隔閘門的開始信號和結束信號之間的不同步部分,并將它們轉化為窄脈沖輸出。當短時間間隔脈沖CH1的開門信號輸入到三極管Q1的基極時,用+5V的直流電源對電容進行充電,以實現時間一幅度初步轉換;當短時間間隔閘門的關門信號到來時,三極管截止,停止充電并保持充電電壓。信號調理電路將其幅度調理到單片機AD轉換器的輸入范圍內后送入單片機的AD轉換器進行轉化,完成轉化后向效應管BS170發出個復位信號CH_2,使場效應管導通,電容迅速放電,為下一次測量做好準備最后單片機根據AD轉換結果,計算出對應的時間間隔值,從而完成了一次完整的測量過程。
這種方法的優點是測量分辨率高,轉換時間短。但不足之處就是轉換存在非線性誤差,因此使用前需要對其校準,將時間間隔隨時間變化的兩路不同源信號同時輸入測量模塊和HP5370B,進行測量范圍內的約40點逐點校準,而后將校準數據存入單片機自帶的Fash存儲器,測量時査表并線性擬合得到結果,該區間內根據式(4-2)按線性關系計算該電壓值所對應的短時間間隔值T1.
其中U為AD轉換得到的電壓值,Um和U-分別為所對應電壓區間的上限電壓值,Tm和T分別為Um和Um所對應的標準時間間隔值,這樣就在一程度上減小了非線性誤差。
高精度的時間測量是實現馴服保持的基礎,一般都使用比時法測頻差的方法實現對恒溫晶振的鎖定,其中最常用的方法就是直接計數法,即在有待測時間間隔構成的閘門信號中填入脈沖,通過必要的計數電路,得到填充脈沖的個數后再乘以填充周期便可計算出待測的時間間隔。但是這種方法的測量精度很低,主要取決于填充脈沖的頻率,有源晶振頻率越高測量精度越高,但在實際應用中,這會大大提高對相應器件和線路的要求,同時還存在±1個字的量化誤差,直接計數法如圖4.3
所示：
其它常用的時間間隔測量方法還有模擬內插法、游標法、量化延遲法、時間幅度轉化法,雖然這些方法都具有很高的測量分辨率,但是它們的測量范圍都很小,于是考慮將直接計數法和上述某一種高分辨率測量方法相結合的測量方法, 從而可以同時兼顧到測量分辨率和測量范圍。
本文采用將直接計數法和時間一幅度轉化法相結合的時間間隔測量方法,對時間間隔閘門首先用直接計數法計數,由圖43所示,T為被測時間間隔值,T為由直接計數法計算得到的時間間隔測量結果,T和T2分別代表代表時間間隔的開始信號和結束信號與計數時鐘信號之間的不同步部分,即直接計數法中存在的量化誤差部分,而這兩部分短時間間隔值由采用時間一幅度轉換法來測量。因此被測時間間隔值可由下式計算得到:
TX=TN+T1-T2 式(4-1)
由于輸入到時間間隔測量模塊的兩信號為來自GPS接收機的IPPS信號和OCXO晶振分頻得到的1Hz信號,分別以待測閘門的上升沿和下降沿作為短時間間隔T和T的開門信號,以緊隨它們的第一個填充信號的上升沿和下降沿作為關門信號。
因為填充脈沖為OCXO石英晶體振蕩器輸出的10MHz信號,理論上1Hz信號和填充脈沖的上升沿是嚴格對齊的或者有一個固定的相位差,所以可以認為結束信號與填充脈沖之間的相位關系不再是隨機的,而是相關的。也就是在該系統中只需考慮待測時間向間隔開門后的短時間間隔T,而不必考慮關門后的短時間間隔T2,所以待測時間間隔變為T=T+T1,時間一幅度轉換法的原理圖如圖4.4所示同。
具體電路實現時采用CPLD和帶有AD轉換器的單片機MSP430F247)以及外圍的電流源電路、高度開關、放電MOS管等構成,充放電電路如圖4.5所示。
CPLD用于取出直接計數法中計數OCXO石英晶振時鐘信號和代表被測時間間隔閘門的開始信號和結束信號之間的不同步部分,并將它們轉化為窄脈沖輸出。當短時間間隔脈沖CH1的開門信號輸入到三極管Q1的基極時,用+5V的直流電源對電容進行充電,以實現時間一幅度初步轉換;當短時間間隔閘門的關門信號到來時,三極管截止,停止充電并保持充電電壓。信號調理電路將其幅度調理到單片機AD轉換器的輸入范圍內后送入單片機的AD轉換器進行轉化,完成轉化后向效應管BS170發出個復位信號CH_2,使場效應管導通,電容迅速放電,為下一次測量做好準備最后單片機根據AD轉換結果,計算出對應的時間間隔值,從而完成了一次完整的測量過程。
這種方法的優點是測量分辨率高,轉換時間短。但不足之處就是轉換存在非線性誤差,因此使用前需要對其校準,將時間間隔隨時間變化的兩路不同源信號同時輸入測量模塊和HP5370B,進行測量范圍內的約40點逐點校準,而后將校準數據存入單片機自帶的Fash存儲器,測量時査表并線性擬合得到結果,該區間內根據式(4-2)按線性關系計算該電壓值所對應的短時間間隔值T1.
其中U為AD轉換得到的電壓值,Um和U-分別為所對應電壓區間的上限電壓值,Tm和T分別為Um和Um所對應的標準時間間隔值,這樣就在一程度上減小了非線性誤差。
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