基于定位系统基准频率源的设计与制作

　　为校准计数器、无线电接收器和信号发生器的频率，需要非常精确的10MHz和1MHz的信号源。
　　
　　这里介绍的就是与GPS相联系的基准频率源，可以获得星上铯射线“原子钟”的高精度信号。
　　
　　在这里选用的接收模块是GarminGPS15L。这是个非常小的装置，外形仅46Mm×36Mm×8．5mm，重约1．4go其内部集成了很多功能。
　　
　　其中有一个完整的12通道GPS接收器。它能够一次跟踪和使用最多12个GPS卫星。并且能够从RS一232口以文本形式提供由GPS产生的时间、日期、位置和卫星状态等信息。每秒钟更新一次。

　　它还在输出端提供每秒一次的脉冲信号(1PPS)，脉冲前沿非常精确地锁定在U丁C衍生GPS时钟系统上。我们主要是使用这些时钟作为控制本地10MHz晶体振荡器的参考信号。
　　
　　1．天线
　　
　　为获得最好的性能，需要将高质量的信号馈送给GarrninGPS15L接收器。这意味着室外空旷区域安装小型有源天线。天线要尽可能高，以便得到通畅的天空“视野”，得以接收卫星信号。
　　
　　天线要以适当长度的50Ω同轴电缆接到接收器的输入端。天线将放大的1．575GHz的GPS信号馈给接收器，同时接收器也为有源天线提供直流电源。在这里，我们选用了GarminGA29嵌入式有源天线。它被装在一个塑料插口盒中，并安装在电视天线桅杆顶上。
　　
　　2．工作原理
　　
　　要了解整个装置情况，请参考下图的方框图。
　　
　　10MHz晶体振荡器(下图右方，顶部)的频率由一个锁相环(PLL)来控制。这个锁相环进而又以来自GPS接收器的非常精确的1Hz脉冲为参照。而这个锁相环结构比一般的稍微复杂一点。
　　
　　增加复杂性的基本原因是：使用低至1Hz的参照频率来控制10MHz的晶体振荡器是不容易的，至少使用标准的PLL不容易。这是由于对于标准PLL配置，振荡器频率必须除以1×108(精确到1Hz)。然后在相位比较器中与参考频率比较。然而这样高的除法参数引起相当长的时间延迟。也会对纠正相位差的负反馈产生不利影响。这使得稳定PLL非常困难。
　　
　　为了解决这个问题，我们用一个比较小的因子，来除以10MHz振荡器的输出。实现方法是使用同步除法器芯片，分别组成除以10和除以20两级。
　　
　　最终得到50kHz的脉冲信号。其脉冲前沿定时(L—H转换)与10MHz振荡器的每一个第200个脉冲的前沿非常接近于同步。
　　
　　这意味着我们已经有效地将10MI"1z振荡器产生信号的相位转换为20倍除法器的输出端的50kHz信号。正是这个信号的相位被馈送到相位比较器的第2输入端，在那里与从GPS接收器模块来的1Hz脉冲前沿相位相比较。
　　
　　3．相位比较器
　　
　　相位比较器的作用与其名字完全一致—它将每一个1Hz脉冲的前沿和与其最接近的50kHz的脉冲相比较，并且产生一个“误差脉冲”。其宽度精确地等于两者的时间差。在每一个1HzGPS脉冲的开始时产生一个相位误差脉冲，而其脉冲宽度可以从零（当两个信号完全同步时)到理论上的最大值（两个信号在50kHz信号的一个周期内部同步)之间变化。
　　
　　在实际上，我们使用PLL反馈回路保持固定的相位差，约为10us(周期半程)。这提供了PLL尽可能宽的调节范围，以确保。10MHz振荡器信号可靠锁定。
　　
　　4．反馈电压的产生
　　
　　那么，我们如何使用从比较器取得的变化的相位误差脉冲来产生对于10MHz信号的误差校正的反馈电压呢?首先，我们用误差脉冲控制一个“与”门，它传送来自第二个晶体振荡器的脉冲(运行于10MHz)到二个8位二进制计数器。这样，由于误差脉冲宽度变化。它会允许不同数量的“近‘10MHz"脉冲达到计数器。
　　
　　例如：如果误差脉冲为8．Ous宽。将有80个脉冲到达计数器。如果误差脉冲为11μs宽。将有110个脉冲通过。以此类推，这样，在每一个1HzGPS脉冲的开始，都有一定数目的“近10MHz"脉冲串馈送到计数器。脉冲数量直接正比于相位差。
　　
　　这个计数器准确地在每个1HzGPS脉冲结束时复位。在计数器的输出端我们设置了8位锁存器和由梯形电阻网络组成的简单数字一模拟转换器(DAC)。在每个误差脉冲结束之后，最新的与误差成比例的计数值被送入锁存器。替换先前的计数值。
　　
　　作为其结果，DAC的输出是根据相位差每秒变化一次的直流电压。这样，相位差就被转换成变化的直流误差电压了。
　　
　　5．为什么需要两个10MHz振荡器
　　
　　使用第二个10MI-1z振荡器是因为在与主振荡器作相位比较时不可避免的漂移，而且这会引起进入相位差计数器小的数量“抖动”。随机噪音会导入DAC的输出端电压。由于“抖动”的原因，使用第二个振荡器比仅使用一个振荡器使PLL误差纠正具有明显更高的精度。
　　
　　这一原因相当明显。如果我们使用的脉冲来自主振荡器。它们被锁定为50kHz的脉冲(因此，相位误差脉冲也同样锁定)，这一事实意味着DC误差电压只能以19．53n1V增量改变，相应于相位误差的‘100ns的变化。
　　
　　然而，由于使用第二个振荡器，被引入的抖动，意味着平均误差电压将以更小一些的增量变化。这也就意味着我们可以保证主振荡脉冲锁定到更接近于100ns。
　　
　　如下图所示，来自DAC的相位误差电压通过缓冲器被馈送到由电容C1和电阻R1、R2所组成的低通滤波器。滤波后的误差调整电压随后被用来控制一个变容二极管(VCl)的电容。以便精细控制10MHz主振荡器。
　　
　　通常类型的PLL系统在用来将10MHz振荡器相位与仆tzGPS脉冲锁定时非常有效，但却有点限制。因为是用振荡器频率除以200代替了10MHz。这使得锁定振荡器频率在9．9998MHz或9．9996MHz及10．0002MHz或1O．0004MHz时有效。
　　
　　换句话说。其频率锁定能力是从10MHz开始的。按频率差每200Hz及其整倍数加以区别。这就意味着，在你设置这个基准频率源时要调整主振荡器的自由振荡频率在10MHz上下的100Hz之内：
　　
　　否则，这个PPL就会将锁定频率定为9，9998MHz或10．0002MHz，不是正确的频率了。
　　
　　6．利用GPS数据
　　
　　以上就是GPS基准频率源的主要部件工作原理。位于原理图左下方的部分与主要部分在功能上完全分离。主要目标是使用与精确的1Hz脉冲同步(但被分隔开)，每秒从GPS接收模块取得有用的数据流。这些数据以ASCII文本形式提供，在RS-232C串行输出接口送出。为语句数据代码形式，以4800b／s传送。所用语句形式见美国国家海洋协会标准，NMEAl083。这个格式是NMEA为海洋导航仪信息交换制定的第一个标准。
　　
　　如下图所示，我们使用已经编程的PIC16F628A微控制器来捕获和分析这些串行数据。译码后的数据送到一个LCD模块。其中的按键S1～S3允许根据需要短时间显示大量内部数据中的一部分。一般有简单显示当前UTC的时间、日期，加上GPS方位和PLL的锁定状态。第4个开关S4控制PIC微处理器，当处理器变得混乱时，传送初始化代码命令给GPS接收模块，使其正常初始化(当然GPS中也包含有微控制器)。事实上，接收器模块为此目的，除了输出口外，也带有RS232的输入口。
　　
　　然而，由于很少需要这种初始化，S4不像S1～S3一样经常使用。可代之以用小螺丝刀或探针头通过前面板上的一个小孔来操作。

　　7．电路说明
　　
　　下图显示了主电路图，右图则是与LCD模块有关的显示部分电路图。两者通过一个16线电缆插头连接。
　　
　　操作时，GarminGPS15L接收模块由一个外接有源天线(下图左下方)馈送信号。被锁定的GPS1Hz脉冲的结果在8路输出电缆的灰色线上，然后送到与CON7相对应的10路IDC电缆插座的第5针上。这个1Hz脉冲再馈送到作为缓冲级的施密特变频器lClla和ICllb上。最终ICllb来的峰～峰值为5V的脉冲直接送到相位比较器IC7的14脚。
　　
　　相位锁定到GPS脉冲的10MHz晶体振荡器以反相器IC3f和晶体×1，变容二极管VCl和几个小容量电容所组成。其输出10MHz信号通过反向缓冲级IC3b馈送到CONl，同时也借助于IC3c送到除法器级IC4。信号在这一级被10除，并且产生两个输出，分别在15脚和12脚输出。12脚上的输出随之通过反相器IC3e送到CON2。在BNC的连接器CON2提供1MHz的输出信号。与之相比，从15针输出的1MHz脉冲馈送到基于IC5的第二个被10除的除法器级(即第10针的CET输入端)。
　　
　　从IC5的15脚产生的100kl-1z脉冲输出随后被送到J—K触发器IC6的J和K端IC6a和IC6b。注意：从IC3c来的10MHz输出用作IC5的时钟，而后通过反相器IC3e提供给IC6a和IC6b。这确保了计数器和除法器输出准确地同步。
　　
　　从IC6a的Q端(12脚)输出的50kHz脉冲被送到相位比较器lC7的Cirl输入端(第3脚)以便与在14脚(Sin)的1HzGPS脉冲相比较。注意，这些50kHz脉冲上升沿与来自10MHz振荡器的每200个脉冲的上升沿密切配合。
　　
　　相位差脉冲在lC7的15脚出现，直接送到4位同步计数器IC8和IC9(741-1C161)的时钟门控端，这两者共同组成了8位相位差脉宽计数器。这是通过图中所示的与门来实现的，但实际上与门是在芯片内部而不是分离的装置。
　　
　　误差计数器使用的“准10MHz"时钟以晶体X2和反相器ICl4c为基础组成。其输出由ICl4a和ICl4f缓冲，然后送到两个计数器的时钟输入端(第2针)。两个计数器的八位输出馈送到八位锁存器ICl2的数据输入端。其输出用于驱动电阻排DAC(数一模转换器)。
　　
　　事实上，计数器一锁存器一DAC子电路被安排为：每当从GPS来的1Hz脉冲开始时，完成一次新的相位误差计数。顺序如下：每当1Hz的下降沿(脉冲开始的。100ms之后)，计数器(1C8／IC9)被其MR(第1脚)上的非常短的脉冲所复位。这个非常短的复位脉冲起源于IClla输出的1Hz脉冲。这个1Hz脉冲用100pF电容和1kQ电阻鉴别后，通过ICllC馈送到IC8和IC9的MR脚。
　　
　　当来自IC7的相位差脉冲到达其CEP脚(7)时，两个计数器开始计数。允许它们对通过缓冲级lCl4a和ICl4f馈送到其CP输入端(第2脚)的“准10MHz"脉冲计数。计数一直持续，直到相位误差脉冲末尾，然后停止。另一个非常短的脉冲，这次是由相位误差脉；中信号的下降沿所引起的，通过lClle被加到lCl2的11脚，随之计数值被送入ICl2的锁存器，代替了原来的计数值。
　　
　　作为结果，DAC的输出变为与新计数值对应的直流电压。计数器在1HzGPS脉冲的最后重新复位，准备下一个循环。
　　
　　从DAC来的变化的直流相位差电压首先通过缓冲级lCl3a，随后到达由1kΩ电阻(图1中R1)。
　　
　　一个10μF电容(C1)和三个1MΩ电阻(R2)所组成的滤波器。从这里开始，滤波后的相位差电压馈送到ICl3b，变成了自动相位校正电压(APC)。这个APC电压被加到变容二极管VCl上，因此使其电容改变。
　　
　　如前所述，VCl组成了。IOMHz晶体振荡器的一部分，而其电容变化带入振荡器的锁相环。垫整电容VC2和其上并联的4．7pF电容是初始调整振荡器的。使其自由振荡频率在100MHz的100Hz以内，确保PLL正确地锁定到正确的频率上。
　　
　　8．温度稳定性
　　
　　比较器IC2的功能，晶体管Q1和LM335Z温度传感器(IClO)的作用是什么呢?这些元件是用来实现10MHz振荡器晶体(×1)、变容二极管及与其串联15pF电容的温度稳定性的。事实上，这些元件被装在一个小烘箱里以保持其温度稳定。烘箱里还有装在晶体、LM335Z温度传感器和功率晶体管(Q1)上的小型TO一220型散热器。小烘箱基本上是用展开的聚苯乙烯铺开在缩小的35mm胶片盒内部做成的一个绝缘壳体。需要了解的是，IClO(LM335Z)被装在外壳内部，以便感受其内部温度。
　　
　　IClO上的电压基本上与其温度(开式温标)直接成正比。这个电压被加到比较器IC2的非反向输入端，IC2的反向输入端输入接近3．15V的参考电压，由并联在5V稳压电源线上的分压电阻(2kQ和3．3kΩ)来提供。作为结果，当温度传感器电压上升到比3．15V稍高时，IC2的第7脚输出会变为高电平。而当温度传感器电压比这个电平稍低时，IC2的第7脚输出低电平(误差决定于加到比较器上的延时)。
　　
　　IC2用来控制功率晶体管Q1，Q1用在这里完全是作为一个加热器。这个晶体管附着在有翼散热器上组成小烘箱的一个加热器。因当其导通时会产生热量，增加温度。由于lCl0提供的负反馈的原因，小盒里的温度维持在非常接近42％一事实上，误差±1℃。这个温度可以用电位器VRl在小范围内调整。
　　
　　9．RS一232C数据
　　
　　
　　从GPS接收器来的RS一232C数据出现在黄色导线上，并且(借助IDC插口线3)被连接到CON7的第2针上。它从这里通过反向缓冲器ICl4e被馈送到用来处理串行数据PIC微控制器lCl的RBl输入端(第7脚)。
　　
　　类似地，对于GPS接收器模块的RS一232C串行输入是其蓝色线，并被送到CON7的第1针。作为结果，来自微控制器的串行输出口(RB2，第8脚)的串行口的初始化命令通过反向缓冲器ICl．4d送到模块上。
　　
　　从IC7来的相位差脉冲也被送到ICl的RB3的输入端(第9针)从而微控制器能够监测PLL是否保持锁定。
　　
　　10．显示器电路
　　
　　显示器电路(见右图)通过插口CON9与主电路接口，其中包括两行×16字符LCD模块(可以直接由微控制器lCl驱动)和其对比度控制用的VR2。
　　
　　此外，还有四个控制开关(S1～S4)和三个指示灯发光二极管(LEDl～LED3)依次由开关晶体管Q2～Q4驱动。注意Q2和Q3(也就是LEDl和LED2)是由微控制器直接控制的(借助RAl和RA2)。而Q4(LED3)责被来自GPS的1Hz脉冲借助lCllb来驱动。如前所述：按下S1～S3在LCD上分别显示指定的数据，而S4则用于初始化GPS接收模块。
　　
　　11．电源
　　
　　电路电源由外部的12VDC电源来提供(电源插口额定功率要500mA以上)。电源通过电源插口CON5和二极管D1提供，二极管用作反向电压保护。
　　
　　二极管D4～D5提供附加的电压降，以减少电源在三端稳压器REGl中的损耗，REGl提供稳压后的+5V电源给大多数电路。唯一直接由非稳压的+11．4V输入驱动的是在小盒中的比较器IC2和加热器晶体管Q1。
　　
　　12．其他信号
　　
　　以上是关于电路的描述。需要注意，基准频率源还给出了各种有用的信号(除了主10MHz和1MHz输出之外)，这些信号可用来监控其操作。
　　
　　首先，1Hz GPS脉冲通过IClld和CON3给出。其次，IC7输出的相位差脉冲的反相变形通过IC11f和CON4给出。最后，来自ICl3a的未滤波的DC相位差电压通过CON8给出。后两个信号都能用来记录频率源的操作。