開(kāi)拓?cái)?shù)控溫補(bǔ)晶體振蕩器DS4000在GPS中的應(yīng)用

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    摘要: 介紹GPS應(yīng)用范圍及其接收機(jī)組成的工作原理和用溫補(bǔ)晶體振蕩器DS4000提供成為精密振蕩器的控制方法

1、前言

    首先要對(duì)介入的GPS（全球定位系統(tǒng)）應(yīng)用領(lǐng)域及其接收機(jī)作一介紹

    1.1當(dāng)GPS)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用

    該衛(wèi)星（多達(dá)27顆）網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行于非同步、近地軌道，覆蓋全球，保證了定位系統(tǒng)的運(yùn)行。而GPS接收機(jī)至少需要鎖定4顆星，才能提供定位信息。這些衛(wèi)星廣播或發(fā)送的長(zhǎng)系列碼（或數(shù)字組合）稱偽隨機(jī)碼?？赏ㄟ^(guò)已知的衛(wèi)星偽隨機(jī)碼、光速以及保持衛(wèi)星位置的查詢表等參數(shù)，GPS接收機(jī)就能夠計(jì)算出衛(wèi)星的傳輸時(shí)間，再將傳輸時(shí)間轉(zhuǎn)為距離。在多個(gè)衛(wèi)星(大于4)的條件下，通過(guò)求所三角方程就可以算出GPS接收機(jī)的位置，也提供了用戶的位置。

    1.2 GPS接收機(jī)的應(yīng)用范圍

    可用于個(gè)人定位和定向的通用手持設(shè)備到航海、航空、勘探以及電信網(wǎng)絡(luò)中的定時(shí)同步等應(yīng)用范圍。每種應(yīng)用要求不同特性的接收機(jī)。例如，在通用手持設(shè)備應(yīng)用中，接收機(jī)將利用4顆或更多的衛(wèi)星接收信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為位置信息，該信息能夠連接至地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，指示出陸地位置。而在航海和航空應(yīng)用中，從衛(wèi)星接收信號(hào)中獲取的動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù)被導(dǎo)入船上或機(jī)上的導(dǎo)航系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)定位和定向。

    1.3 GPS的另一個(gè)重要特性和應(yīng)用

    是提供相當(dāng)精確的時(shí)間基準(zhǔn)，如電信網(wǎng)絡(luò)中的同步、測(cè)試和測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)、航天觀測(cè)和氣象臺(tái)的同步、地震監(jiān)測(cè)以及用于公用電網(wǎng)的故障記錄儀等應(yīng)用。對(duì)于同步和定時(shí)應(yīng)用，衛(wèi)星信號(hào)的相位比信號(hào)承載的數(shù)據(jù)更為重要.

    在那些優(yōu)先考慮時(shí)間同步的應(yīng)用中，傳輸信號(hào)的相位差是最重要的。在電信網(wǎng)絡(luò)中，GPS同步引擎提供這類網(wǎng)絡(luò)的端到端定時(shí)。在為語(yǔ)音、視頻或時(shí)間要求嚴(yán)格的數(shù)據(jù)傳輸而運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)，最為重要的是服務(wù)質(zhì)量的要求。

    而對(duì)于同步和定時(shí)要求來(lái)說(shuō)，一個(gè)精密的頻率參考是至關(guān)重要的。最精確的時(shí)間和頻率的定義是基于銫原子，由銫光束標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生精確的頻率。

    是什么使GPS衛(wèi)星系統(tǒng)足夠滿足網(wǎng)絡(luò)同步要求的呢？每個(gè)GPS衛(wèi)星都有一個(gè)基于銫原子的時(shí)鐘源。這些非常精確的時(shí)鐘保證時(shí)間精確到每年之3ns內(nèi)，精密時(shí)間再通過(guò)微波傳輸?shù)紾PS接收機(jī)。

    1.4溫補(bǔ)晶體振蕩器的的作用

    為了保證時(shí)間精確,GPS接收機(jī)還包括一個(gè)本地振蕩器，如侞源、溫控晶體振蕩器(OCXO)、或者溫補(bǔ)晶體振蕩器(TCXO)，作為一個(gè)嚴(yán)格控制的時(shí)鐘源，以維持短期和長(zhǎng)期的時(shí)間精確和穩(wěn)定性。由于衛(wèi)星覆蓋世界范圍，所以使用GPS是一種精確、可行且經(jīng)濟(jì)的方式，保證電信網(wǎng)絡(luò)的同步。大多供應(yīng)商提供含有的設(shè)備，以支持系統(tǒng)的定時(shí)同步，如電信網(wǎng)絡(luò)、基站或其它要求時(shí)間苛刻的應(yīng)用。

    2 、GPS接收機(jī)分析

    一個(gè)典型的GPS接收機(jī)包含如圖1所示的功能塊，它包括：射頻(RF)部分、GPS信號(hào)處理器和主處理器。其中RF部分包括：GPS天線、RF濾波器和GPS RF前端。RF部分接收衛(wèi)星信號(hào)，從載波頻率中分離出偽隨機(jī)碼，并將其送至GPS信號(hào)處理器，在多數(shù)現(xiàn)有的接收機(jī)中，前端部分+GPS信號(hào)處理器能夠同時(shí)處理4至12顆衛(wèi)星信號(hào)。這種并行處理的能力提供了更高的定位精度，縮短了輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間。主處理器向用戶提供數(shù)據(jù)，可以通過(guò)一個(gè)GUI(圖象用戶接口)、顯示屏，或者其它操作系統(tǒng)途徑向用戶提供數(shù)據(jù)，至于何種途徑這取決于實(shí)際應(yīng)用的要求。

    在圖1的框圖中，存在2個(gè)振蕩源，包括REF(基準(zhǔn))晶體(或振蕩器)和RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)晶體。REF晶體或振蕩器可以相當(dāng)精確或不精確，取決所使用的接收機(jī)。對(duì)振器器頻率的要求依賴于GPS前端所采用的專用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(ASSP)。  典型范圍介于13MHz至30MHz之間，取決于生產(chǎn)廠家。REF振蕩器可以是銣源、OCXO、甚至TCXO。在這種情況下，主處理器將修正衛(wèi)星和接收機(jī)之間的任何定時(shí)滑動(dòng)。

    RTC晶體為捕捉過(guò)程提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息，以在27顆衛(wèi)星群中捕獲不同的衛(wèi)星。通過(guò)關(guān)于衛(wèi)星位置信息的查詢表，RTC有助于提供一個(gè)鎖定所有可見(jiàn)衛(wèi)星的起始點(diǎn)。

    3、溫補(bǔ)晶體振蕩器DS4000引入與方法

    新款DS4000數(shù)控TCXO可提供±1PPm精度，±6PPm牽引量和編程頻率輸出用于無(wú)線應(yīng)用、電信、衛(wèi)星通信和GPS特別理想.

    DS4000數(shù)控TCXO超越了所有有關(guān)控制、成本、封裝和精度的性能標(biāo)準(zhǔn).該器器件可保持頻率穩(wěn)定在±lppm以內(nèi)，并具有牽引范圍達(dá)±6ppm的數(shù)字調(diào)諧能力和編程頻率輸出.可以提供雙路CMOS方波輸出.F1輸出提供固定的基頻,而F2輸出則提供基頻的256種不同整數(shù)分頻中的一種(見(jiàn)圖2所示).該器件工作于5V±10%電源,采用萍薄型24引腳BGA封裝.

    隨著DS4000數(shù)控溫補(bǔ)晶體振蕩器(TCXO)的引入， 一種新的校準(zhǔn)REF振蕩器的控制方法應(yīng)運(yùn)而生。DS4000提供了精密的振蕩器，其獨(dú)特的性能是目前市場(chǎng)上眾多的TCXO所無(wú)法提供的。首先，DS4000經(jīng)工廠校準(zhǔn)后精度達(dá)到±lppm之內(nèi)；另外，它還提供+6ppm范圍、典型分辨率小于0.1PPm的數(shù)字牽引能力。

    圖2是DS4000的框圖。該器件通過(guò)2線(SDA與SCL)串行數(shù)據(jù)口控制,(SDA與SCL均為數(shù)字頻率可調(diào)節(jié)的通信口)在這種方式下，通過(guò)使用微控制器，輸人數(shù)字代碼控制牽引量和精度。可以設(shè)計(jì)專門的系統(tǒng)程序，不斷地調(diào)該器件的精度。在許多過(guò)時(shí)的TCXO設(shè)計(jì)中，這種要求只能通過(guò)人工調(diào)節(jié)，或通過(guò)一個(gè)電壓控制來(lái)完成。DS4000的數(shù)字牽引能力實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)校準(zhǔn)，以及在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的再校準(zhǔn)。

    該器件還有一個(gè)頻率輸出F2(可編程溫度補(bǔ)償方波輸出)，F(xiàn)2為基頻F1(固定頻率溫度補(bǔ)償方波輸出)的分?jǐn)?shù)值。F2能夠被編程為基頻F1的1／256至255／256。當(dāng)然，編程也是通過(guò)2線接口(SDA、SCL)完成的。DS4000的基頻范圍在10MHz至20MHz之間可選。F2輸出跟隨F1的頻率精度，精度也能夠達(dá)到±1ppm之內(nèi)。圖2 DS4000框圖展示出對(duì)于頻率牽引量、頻率輸出和溫度檢測(cè)的數(shù)字接口.

    由于DS4000采用了Dallas Semicconductor專用的數(shù)字溫度測(cè)量技術(shù)，該器件也能夠作為溫度傳感器應(yīng)用。溫度傳感器精度在±2℃之內(nèi)。該器件在-40℃至+85℃的整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)，保持其頻率精度(±1ppm).

    4、DS4000在GPS中的應(yīng)用

    由于DS4000具有較高的靈活性，所以它能夠用來(lái)為GPS應(yīng)用中的REF晶體(XTAL)提供嚴(yán)格控制的振蕩器，以及在有些情況下，為GPS信號(hào)處理器或主處理器)提供32KHz給RTC XTAL輸入。圖3說(shuō)明了DS4000在GPS接收機(jī)框圖中，履行了REF和RTC XTAL兩個(gè)晶體的角色。

    對(duì)應(yīng)用于圖3中基頻應(yīng)作幾個(gè)假設(shè)：：首先是假設(shè)RTC XTAL輸入至GPS前端能夠采用16.384MHz的頻率輸入, 若此假設(shè)成立，則DS4000就能夠在F2輸出上產(chǎn)生GPS信號(hào)處理器的RTC所需要的32.768KHz頻率. 通過(guò)線接口SCL和SDA, 主處理器可以根據(jù)需要，設(shè)定頻率牽引量、F2頻率 輸出(32.768KHz)以及測(cè)量溫度.

    5、結(jié)束語(yǔ)

    GPS應(yīng)用代表丁許多要求高精度時(shí)間源的應(yīng)用之一。DS4000的靈活性尤其適用于那些特別注重定時(shí)精度和器件控制方式的應(yīng)用。這是為什么呢？一般情況下，允許頻率調(diào)節(jié)的TCXO或OCXO，均要求作人工調(diào)節(jié)或提供一個(gè)外部電壓調(diào)節(jié)，但這種方案的缺點(diǎn)是：在人工調(diào)節(jié)TCXO或OCXO時(shí)需要人工干預(yù)；而在采用外部電壓調(diào)節(jié)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須保證控制電壓穩(wěn)定，以便使它不會(huì)影響振蕩器的輸出特性。而采用了DS4000就避免了上述二種調(diào)節(jié)中的不可靠性，這是因?yàn)樵诟淖兓驙恳l時(shí)，只需要將數(shù)字量傳給Ds4000就可以了。

    另外，由于DS4000提供兩個(gè)頻率 輸出(F1與F2), 其中一個(gè)是可編程的，如果所要求的第二個(gè)頻率F2通過(guò)整數(shù)相除后與F1相關(guān)，則用戶就能夠省掉第二個(gè)振蕩器RTC XTAL。還有，采用其數(shù)字控制接口，DS4000就能夠?yàn)樵O(shè)備的自動(dòng)校準(zhǔn)流程帶來(lái)好處，從而在產(chǎn)品壽命期限內(nèi)，無(wú)須周期性地再校準(zhǔn)設(shè)備。