基于FPGA的温补晶振精度校准电路设计

摘要：小型化空间飞行器常使用温补晶振作为系统的时钟源，而飞行器研制周期较长，在这段时间内，温补晶振会发生较大程度的老化，使得飞行器定时偏差变大。本文基于FPGA平台，提出了一种巧妙、精简的频率补偿电路，消除温补晶振由长期老化引起的频率偏差，极大地提高了温补晶振的定时精度。

关键词：温补晶振 FPGA 时钟校准 频率补偿

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0154-02

1 引言

现研制的某小型化空间飞行器需要与地面遥测系统实时收发数据，要求其每秒定时误差小于5×10-7s。由于该飞行器小型化、低成本的研制要求，综合考虑精度、体积、重量、工作环境等各项因素，采用了10MHz的温补晶振作为系统的时钟源。飞行器是利用温补晶振振荡次数来定时的，若标称10MHz的温补晶振，则认为它振荡107次则是1s。在这样的计时模式下，要使得每秒定时误差小于5×10-7s，其频率偏差应小于5Hz。然而性能较好温补晶振年老化率为10-6量级[1，2]， 年频率偏差大于10Hz。因此在该飞行器几年的研制周期内，由于老化引起的频率偏差已经超出了最大定时误差允许的范围。为了提高定时精度，消除老化引起的频率偏差是目前亟需攻关的任务。

传统的温补晶振校准方法[3，4，5]的原理是：晶振实际输出的频率会随着晶振两端电压的改变而发生改变。根据实际测得晶振频率偏差的大小改变晶振两端的电压，来调整晶振输实际出的频率。这种的方法涉及电路上元器件的改变，稳定性和可移植性都较差。本文提出了一种巧妙、精简的频率补偿电路，消除了温补晶振由长期老化引起的频率偏差，可以极大地提高了飞行器的定时精度。

2 温补晶振精度校准电路设计

2.1 校准思想

某温补晶振标称频率为，单位：Hz，测得其实际输出频率为，单位：Hz；实际振荡周期为，单位s。此温补晶振定时偏差达到一个振荡周期时，振荡次数N为：

（式1）

把N作为校准电路的修正参数。若N为正，则，说明温补晶振输出频率比标称频率小，定时会比标准时间统计的少；若N为负，则，说明温补晶振输出频率比标称频率大，定时会比标准时间统计的多。

当温补晶振累积误差达到一个振荡周期 ，温补晶振的统计时间多了或者少了。在FPGA的定时器中，将这个多的或者少的从温补晶振统计的时间中补偿掉，这样就能保证温补晶振统计时间的准确性和定时的精度。

一个振荡周期的时间是目前不改变温补晶振内部结构，所能纠正的最小的时间差。如果温补晶振的累积偏差积累到一个振荡周期时，使得累积偏差不再增加，将温补晶振的最大定时误差控制在一个振荡周期以内，那么10MHz温补晶振的定时精度会小于每秒10-7s，可以满足研制要求。

2.2 校准电路设计

根据以上的校准思想基于FPGA平台设计了一种巧妙的、精简的频率补偿电路。FPGA设计灵活，并行处理速度快，通过软件的修改可达到修改硬件电路的目的。另外，选择FPGA作为校准电路的设计平台是为了保证校准电路的设计可以移植到飞行器的信息处理的逻辑设计中。在振荡次数为N，温补晶振定时偏差达到一个振荡周期时，校准电路会对这个偏差进行补偿，使得定时偏差一直保持在一个振荡周期以内。

各信号含义和功能如表1所示。校准电路逻辑框图如图1所示。频率补偿电路由分频器、计数器、选择器、控制寄存器等部分构成。主要介绍分频器、关键控制寄存器和选择器的功能。

2.2.1 分频器

电路中分频器的模块是将校准后的温补晶振进行10分频，得到周期为，脉宽的脉冲信号。虽然某一个微秒脉冲信号存在一个振荡周期的偏差，但是通过对此1信号的计数，可以得到稳定、准确的定时，整个定时偏差也将小于一个振荡周期。

2.2.2 选择器

电路中共有6个选择器。

选择器1、2：当计数器不等于修正参数的绝对值时，选择输出0，否则选择输出1。

选择器3：当修正参数为正时，选择输出0，否则输出1。

选择器4、5：当计数器小于9时，选择输出0，计数器等于9时，选择输出1。

选择器6：当关键寄存器bit1与bit0值为“01”时，选择输出2；为“11”时选择输出1；否则输出0。

2.2.3 关键寄存器

关键寄存器即校准模式控制寄存器由bit1和bit0组成。bit1和bit0的值分别是选择器3和选择器2的输出值。bit1和bit0组合的值作为选择器6的控制信号。

温补晶振通过这样的一个补偿电路，会在其统计时间的累积偏差每次达到一个振荡周期就会被补偿掉。如若不通过这样的补偿电路，温补晶振统计时间的偏差会一直累加，在上述设计的补偿机制下，温补晶振统计时间的偏差不会再一直累加，其最大偏差理论上都不会超过，这样就大大提高了温补晶振的定时的准确。

3 校准电路优化与性能分析

上述分析可知，当累积误差积累到一个振荡周期时，通过补偿的方式给予消除。其实当累积误差积累到半个振荡周期时，即振荡次数为N/2，即可进行一次补偿，这样在振荡次数N/2～N之间，累积误差将逐渐减小，当振荡次数为N时，累积误差正好消除。在这样的补偿机制下，温补晶振统计时间的累积误差将控制在半个振荡周期以内，精度较以前的补偿机制提高了2倍。

在其他影响因素相同的情况下，未校准方案、校准方案以及优化的校准方案中，温补晶振统计时间的累积误差与振荡次数的关系如图2所示。

从图2中可明显看出，如果不对温补晶振进行校准，温补晶振统计时间的累积偏差会随着晶振振荡次数的增长成线性增长，这会导致定时器精度严重下降。对温补晶振进行校准后，累积偏差发生了质的改变，不会再随晶振的振荡次数的增长而累加，该偏差会严格控制在一个振荡周期以内，不考虑其他因素影响，校准后的温补晶振理论上每秒定时偏差小于10-7s；对校准方案进一步优化，不考虑其他因素影响，校准后的温补晶振理论上每秒定时偏差将小于5×10-8s，远远满足项目研制定时精度小于每秒5×10-7s要求。

4 结语

根据实际项目需求，本文提出了一种利用频率补偿的方式的温补晶振校准电路设计方法，该方法巧妙地把温补晶振的定时误差控制在1/2个振荡周期以内，消除了由温补晶振长期老化引起的频率偏差，极大地提高了温补晶振的定时精度，可以广泛的应用于对定时精度要求极高的小型化空间飞行器的信息处理系统中。

参考文献

[1]孙小莉.高稳定度晶体振荡器频率温度特性改善的研究[D].西安电子科技大学，2013.

[2]杨宇飞.小型天文测量计时器研究[D].信息工程大学，2013.

[3]Utpal Sarma，P.K.Boruah.Design and Characterisation of a Temperature Compensated Relative Humidity Measurement System with OnLine Data Logging Feature[J].MAPAN，2014，292.

[4]孙小莉.高稳定度晶体振荡器频率温度特性改善的研究[D].西安电子科技大学，2013.

[5杜茗茗，周雒维，马静，付志红.基于GPS与温补晶振双同步控制的瞬变电磁测量控制器[J].电工技术学报，2008，12：120-124.