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基于GPS的高稳信号源的设计与实现

作　者: 张帆
导　师: 朱正平
学　校: 中南民族大学
专　业: 等离子体物理
关键词: GPS 恒温晶振 锁相环 DDS
分类号: TN741
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


信号源作为电子系统的核心部件，其准确度与稳定度直接决定系统的性能指标。本文针对远程分布式设备同步工作时对信号源精确度与稳定性的需求，设计了一种基于GPS的高稳信号源。常用频率源有LC振荡器、晶体振荡器和原子钟等，其中LC振荡器的频率方便调节，但易受外界温度的影响；氢钟、铯钟的稳定度可达10-14量级，但价格十分昂贵；恒温晶振受温度影响较低，频率的短期稳定度优于10-7量级，性价比高。采用恒温晶振作为信号源设计的测控频标，能够满足高稳定度的设计需要。恒温晶振输出信号的频率会受到老化的影响产生漂移，根据锁相环（PLL）原理，使用具有长期稳定度好、跟踪保持特性强的GPS秒脉冲（1PPS）作为基准信号调节恒温晶振，以提高晶振的频率准确度和长时稳定度。设计直接脉冲计数与量化时延法相结合的高精度时间间隔测量方法，减小了由于测量误差导致的校准偏差；同时运用滑动平均数字滤波方法对测量数据进行滤波，消除1PPS短时抖动对系统造成的干扰；在系统运行前期加入快速频率校准过程，使晶振与其标称频率的频差迅速进入捕获带范围，缩短晶振锁定时间。此外，在要求宽频率变化范围的领域中，恒温晶振输出的单一频率无法满足信号源宽范围输出的需要。本系统采用GPS驯服晶振技术，配合具有宽频率范围特性的直接数字频率合成技术（DDS），在保证高稳定度频率输出的同时，实现了频率的宽范围可调。对自主设计的信号源系统进行测试，结果表明：恒温晶振可快速被锁定在较高的频率准确度上，长期频率准确度优于7×10-10，有效抑制了频率漂移；两台独立信号源的相对稳定性良好，长期相对频差优于9.8×10-11；系统可以输出1250MHz范围的可调频率信号；而且还能够提供最小时间单位为10ns的时间信息。

全文目录


摘要  7-8
Abstract  8-10
第一章 绪论  10-15
  1.1 引言  10-11
  1.2 GPS 卫星授时系统  11-12
  1.3 频率合成技术  12-13
  1.4 本文研究内容与结构安排  13-15
第二章 信号源系统的总体设计  15-24
  2.1 系统的整体设计方案  15-16
  2.2 硬件设计方案  16-21
    2.2.1 高稳晶体振荡器  16-18
    2.2.2 GPS 接收机的测试  18-21
  2.3 软件设计方案  21-23
  2.4 本章小结  23-24
第三章 晶振调节模块的设计与实现  24-37
  3.1 锁相环与高精度时间间隔测量技术  24-27
    3.1.1 锁相环在本系统中的应用  24-25
    3.1.2 高精度时间间隔测量的设计  25-27
  3.2 晶振调节中测控模块的具体实现  27-34
    3.2.1 快速频率校准  28-31
    3.2.2 数字滤波器  31-33
    3.2.3 D/A 驱动模块  33-34
  3.3 晶振调节中的硬件电路设计  34-36
    3.3.1 调控晶振的核心电路  34-35
    3.3.2 GPS 接收机的外围电路  35-36
  3.4 本章小结  36-37
第四章 DDS 模块与授时模块的设计与实现  37-55
  4.1 DDS 模块的设计与实现  37-46
    4.1.1 AD9959 外围电路  38-41
    4.1.2 AD9959 的控制设计  41-42
    4.1.3 AD9959 软件设计与实现  42-46
  4.2 授时模块的设计与实现  46-51
    4.2.1 串口接收模块  48-49
    4.2.2 控制处理模块  49-51
    4.2.3 计时模块  51
  4.3 FPGA 的配置电路  51-52
  4.4 系统电源设计  52-54
    4.4.1 模拟电源  52-53
    4.4.2 数字电源  53-54
  4.5 本章小结  54-55
第五章 系统的测试与分析  55-65
  5.1 晶振调节模块的测试  55-60
    5.1.1 一套系统中恒温晶振的测试  55-57
    5.1.2 两套系统中恒温晶振的对比测试  57-60
  5.2 授时模块测试  60-61
  5.3 DDS 模块测试  61-64
  5.4 本章小结  64-65
第六章 总结与展望  65-67
  6.1 本文工作总结  65
  6.2 未来工作展望  65-67
参考文献  67-70
致谢  70-71
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  71-72
附录 B 电路板  72

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 频率合成技术、频率合成器 > 直接法
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