摘 要: 为满足三维大地电磁勘探技术对多个采集站的同步需求，基于FPGA设计了一种晶振频率校准系统。系统可以调节各采集站的恒温压控晶体振荡器同步于GPS，从而使晶振能够输出高准确度和稳定度的同步信号。系统中使用FPGA设计了高分辨率的时间间隔测量单元，达到0.121 ns的测量分辨率，能对晶振分频信号与GPS秒脉冲信号的时间间隔进行高精度测量，缩短了频率校准时间。同时在FPGA内部使用PicoBlaze嵌入式软核处理器监控系统状态，并配合滑动平均滤波法对测量得到的时间间隔数据实时处理，有效地抑制了GPS秒脉冲波动对频率校准的影响。
三维大地电磁勘探技术是以面元为单位，多分量采集站为中心，多远参考、互参考和密集布点为特征来获得高质量的采集数据。野外施工时，为了保持站点间同步地进行数据采集，一般采用GPS秒脉冲信号或恒温晶振的定时信号来同步各个采集站点。前者在恶劣的施工环境下常会因为各种干扰而发生跳变，同步效果并不理想。后者长时间存在频率漂移，同样无法维持长时间的同步采集。
为解决以上问题，本文将GPS授时信号用于校准各站点的压控晶振，之后再使用晶振分频得到定时信号来同步各采集站点。这样不仅克服了GPS授时信号易受外界干扰的缺点，也解决了晶振频率随时间漂移的问题，能获得较为理想的同步信号。为了使本地晶振长时间地同步于GPS系统，就需要不断测量GPS授时信号与本地晶振的分频信号的时间间隔，再根据测量数据来校准和同步本地晶振。因此，时间间隔测量的准确性是保证频率校准系统工作性能的关键。本文基于FPGA集成度高、高速和高可靠性的特点，介绍了晶振频率校准系统在FPGA中的设计方法。系统的特点是使用FPGA内部进位逻辑构造延迟线来实现时间间隔测量，大大提高了测量分辨率，同时使用FPGA嵌入式软核处理器PicoBlaze对系统状态进行监控，并对测量数据进行滤波处理，充分发挥了FPGA的集成优势。
1 系统设计
1.1 系统实现方案
系统的原理如图1所示，主要由GPS接收模块、FPGA测控模块、D/A转换模块和压控恒温晶振4部分组成。GPS接收模块用于输出标准的1-pps脉冲信号，FPGA测控模块用于测量本地晶振分频信号与1-pps信号的时间间隔，并将所测值在PicoBlaze中进行处理得到晶振输出频率相对于GPS系统的频率偏差，最后将结果作为D/A转换模块的输入得到修正本地晶振频率的控制电压。
1.2 测量原理
时间间隔在FPGA中的测量的原理如图2所示，使用1-pps秒脉冲信号与本地晶振分频得到的100 kHz信号进行比对,得到的时差即是待测的时间间隔。由于只采样两者的上升沿间的时间间隔，所以用100 kHz分频信号代替1 Hz秒信号与1-pps比对，可以减小每次的测量值，方便数据处理。需要注意的是晶振相对于1-pps的时差范围必须在100 kHz信号的一个周期内，即该信号的频率决定了测量量程的大小，可以根据实际测量需要来决定该信号的频率。
图2中T是待测的时间间隔，τ1是计数时钟周期，M是计数器在1-pps信号到来时的计数值，N是计数器在100 Hz信号到来时的计数值，nτ2是由于1-pps脉冲上升沿和计数时钟上升沿不一致所引起的测量误差，这部分误差由内插延迟线来测量。由于100 kHz信号由晶振分频得到，它和计数时钟同步，所以不会产生测量误差。因此，待测的时间间隔可以表示为：
1.3 延迟线模块的设计
为了在短时间内校准本地晶体振荡器，使之与GPS系统同步，必须提高时间间隔的测量分辨率，在设计中使用了时间内插技术。其基本原理是利用多个延时单元构造延迟线，待测信号在延迟线中的传播信息便可以用来进行时间间隔测量。延迟线的实现主要依赖于内插延迟单元延时的均匀性，内插延迟单元的单位延时决定了时间间隔测量系统的分辨率。在FPGA中实现时间内插，关键是在其结构的基础上利用内部已有资源构造出延迟线
在XILINX公司FPGA的单元结构中，为了实现快速的数学运算设置了许多专用的进位逻辑资源。这些进位逻辑的延时很小，而且它们之间可以相互连接组成进位线，可以使用这种专用的进位线作为延迟线来实现时间内插。如图3所示，设计中使用了Spartan-3系列的FPGA中专用的进位逻辑逐个连接组成延迟线，一个进位逻辑由查找表（LUT）、专用选通器(MUXCY)和专用异或门（XORCY）三部分构成。其总体结构上类似一个多位二进制加法器,两个输入的各位分别被置为1和0，进位信号没来时加法器各位均为1。当进位信号到来时就会沿着进位线一级一级地传输，加法器每一位输出值的变化就代表着信号的延迟信息，时钟前沿到达时就可以将这些信息锁存入触发器中。图4是在一个时钟周期的仿真中延迟线单元输出经过的延迟单元的个数，进行直线拟合后的结果为：
