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)。
本文关键字：设计与制作 卫星接收设备，电子制作 - 卫星接收设备
