恒溫晶振主要應用與一些較為高端的設備類產品，經常會使用到恒溫晶振的地方有無線衛星通信產品，衛星導航GPS產品，雷達接收發射基站等高端產品設備。恒溫晶振被這些高端產品稱呼為主要核心零部件!產品本身具有高頻的頻率點，穩定性能高，噪音小，能在溫度起伏比較大的環境下正常工作，由于晶體本身具有恒溫效果，從而使產品的頻率效果穩定，功耗小等優勢被廣泛應用到高端設備中。

恒溫貼片晶振選用俄羅斯莫里恩(Motion)公司的低漂移、低相噪薄型雙恒溫槽超精密恒溫晶體振蕩器OCXO MV180。該恒溫晶振輸出標準頻率為10 MHz的正弦波，短期穩定度小于2x10-12／秒，年老化率為±1×10-8／年，對周圍環境變化敏感度低，長期溫度-頻率穩定度可達±1× 10-10，還提供了一個直流電壓控制端。通過向壓控端施加一個0～+5 V的直流電壓，可使該恒溫晶振有±5 Hz左右的頻率調整范圍，控制電壓與晶振頻率的近似關系。

2 系統設計
系統以FPGA作為控制器，芯片選用Altera公司的EP3C25E144C8，內部具有豐富的邏輯資源。開發平臺是Quartus II集成開發環境，采用Vetilog HDL語言對各功能模塊進行邏輯描述，并完成了邏輯編譯、邏輯化簡、綜合及優化、邏輯布局布線，并使用Modelsim、Signalnap II進行邏輯仿真，實現系統的設計要求，系統的原理框圖所示。

2．1 數字鎖相環
    石英晶振的頻率調整功能是靠數字鎖相環(DPLL)實現的，同模擬鎖相環類似，它屬于閉環的控制系統，由鑒相器(PD)、環路濾波器(LPF)、D／A轉換器、壓控恒溫晶振(OCXO)組成。系統啟動后，在FPGA內部，數字鑒相器模塊首先以GPS接收機輸出的10 kHz時鐘信號作為基準源，對恒溫晶振整形并經過分頻后的10 kHz信號進行快速鑒相，用恒溫晶振倍頻后的300 MHz時鐘對相位差進行量化，得到具體的超前或滯后數據，進而傳遞給環路濾波器模塊，設置抖動門限參數，若相位超前或滯后量達到門限值，則迅速通過D／A轉換器，對晶振的壓控端電壓進行相應調節。此方法可令晶振頻率快速接近10 MHz，但是恒溫晶振頻率的改變需有一定的響應時間，快速調整壓控端的電壓會產生過調現象，頻率穩定度不佳。
    為進一步提高晶振頻率的精度與穩定性，結合恒溫晶振短期穩定度高的特點，在數字鑒相器模塊中，以GPS的1PPS信號為基準，測量1PPS與恒溫晶振分頻出的1Hz信號的相位差。依據GPS沒有累積誤差的優點，在環路濾波器模塊中采用滑動平均濾波法來降低GPS秒脈沖對測量帶來的干擾，設計FIFO存儲器來配合計算出最近200 s的平均相位差，通過不斷對比短時的相位差及長時的平均相位差，分析相位差的長期與短期變化動態，實時調節恒溫晶振的控制電壓，保證晶振輸出穩定且準確的10 MHz時鐘信號。石英晶體振蕩器頻率調整的過程，此方法簡單實用，可有效抑制1PPS抖動對晶振造成的影響。
2．2 電路設計
    D／A芯片選用TI公司TLV5616，它是低功耗單片12位串行數模轉換器，分辨率為4096，該芯片采用三線制(SCLK、SYNC、DIN)串行接口，SCLK方波信號為下降沿時，TLV5616讀取DIN的電平信號，轉化成相應的電壓送往恒溫晶振，用于晶振的微調，晶振頻率調整硬件電路如圖4所示。
2．3 授時功能
    在許多現實的應用中需要毫秒、微秒、納秒等這些更小的時間單位量，但是GPS接收機一般只能提供最小時間單位為秒的UTC時間，本系統在GPS基礎上設計了授時功能。

授時工作流程如圖5所示，系統在FPGA中設計串口數據模塊來接收GPs的SD01管腳發出的GPRMC格式數據，并將其存放在FPGA內部的雙口RAM中，通過串口數據模塊及數字鑒相器模塊可以判斷GPS接收機是否正常工作。若識別出準確的UTC時間和1PPS信號后，授時模塊迅速從RAM中提取最新時間數據進行處理，得到初始時間值，當下一個1PPS上升沿到來后，系統在初值的基礎上開始完全依靠高穩恒溫晶振自行走時，并每隔5秒與準確的1PPS信號進行校對，如果發現本系統的時間與1PPS不同步，那么系統時間將會短暫停滯或快速跳進，達到與1PPS同步，保證時間信息輸出的連續性與準確性；若GPS接收機非正常輸出1PPS信號，則不進行校對，直到1PPS正常后再恢復校對功能。
3 實驗結果
    在衛星信號正確接收的情況下，系統可以在短時間內把恒溫晶振的頻率校準到較高的準確度與穩定度上。實驗結果表明，石英晶體振蕩器被調節后可以輸出更準確的10MHz信號，誤差小于0．01 Hz，頻率的精度與長期穩定性都得到明顯改善。1PPS信號沒有累計誤差，在連續不重復的201個1PPS上升沿之間，即以200 s作為閘門時間，測出恒溫晶振MV180在調控與未調控狀態時，每200 s的平均頻率偏差，圖6為部分實際測試圖，實線和虛線分別代表恒溫晶振在調控與未經調控狀態的測試結果，其中實線部分的平均頻率偏差是-7．41x10-5Hz，均方差為3．10x10-3Hz。
    依照文中方案設計兩套完全獨立的系統，以其中一套系統的恒溫晶振的時鐘信號為基準，每秒與另一套系統的恒溫晶振的時鐘信號對比一次，相位差用300 MHz的時鐘進行量化，測量分辨力為3．3 ns，部分測試結果如圖7所示。圖7(a)顯示每秒測得的相位差；由于存在測量誤差，因此采用滑動平均濾波的方法，在每秒測量兩套系統相位差的同時，計算出最近200次的平均相位差，如圖7(b)所示。表2對圖7的實際測量數據進行統計，7(b)中的均方差是0．68度，四分位差為O．60度，說明兩套獨立系統的頻率一致性很高，具有良好的穩定度。
    恒溫晶振經過校準后的頻率偏差小于0．01 Hz，在1PPS準確輸出時，累加1PPS具有的100 ns誤差，授時模塊輸出的時間信息誤差小于105 ns。當GPS接收機未正常工作時，由于恒溫晶振前期經過頻率校準和自身較高的穩定度，在一定時間內依然可以保證高精度的授時功能。
總結語：應用恒溫晶振與臥槽線路的振蕩器能提供非常高的精度與溫度的高低系數，固產品在工作中能快速啟動，在使用石英晶體振蕩器時還需要考慮其自身的功耗，以及內部的線路電容值所決定，與產品本身放大器功耗成正比，假如在線路中功耗電容值達到100PF左右的時候，產品自身要在5V的電壓下工作，相當于1.8毫安的電流。

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