Page 42 - 量子加密—— 守護物聯網世代安全

DESIGN IDEAS
使用雙PWM實現基於GPS規範的 10MHz參考訊號設計
作者:Damian Bonicatto 和 Phoenix Bonicatto
我最近正為一項新設計進行實驗， 其間使用了函數產生器。儘管新的 函數產生器具有相當好的頻率容 差規格，但我還需要取得更高精度 與準確性。採用頻率產生器、任意 波形產生器和頻率計數器等取得更 高精度的方法，在於使用這些測試 儀器上所提供的10MHz參考輸入。 由於缺少這樣的參考輸入，加上我 最近一直在玩Arduino Nano，因 此，我想以此Nano建構這樣的設 計應該會很有趣。
調整頻率的調整接腳。取得更精確 10MHz訊號的訣竅在於為VCXO設 置正確的調整腳位，並在VCXO受 到各種因素產生漂移時對其重新 調整。讓我們來看看其實現方法。
主要部份是如何調整VCXO。 在Nano上並沒有DAC，而是 提供一項簡單功能來控制脈衝寬 度調變(PWM)輸出，進而獲得可調 節的直流(DC)輸出電壓(濾波後)。 一組簡單的呼叫即能以固定頻率 輸出5V PWM訊號。該PWM具有8 位元調節範圍，因此如果想要2.5V 輸出，可以將PWM設置為128MHz (50%的工作週期;請注意，對於這 組呼叫，Nano使用大約500Hz的 頻率，但這僅對濾波器設計比較 重要)。所以，首先想到的是使用 Nano的PWM輸出對其進行濾波， 獲得相對無紋波的DC級，然後將 其施加到VCXO的調整接腳。這樣 便可以奏效了，但問題是只能設 置多達255個離散級，這樣可能會 不夠。讓我們更深入地瞭解一下。 我為該專案選擇採用的是 泰藝電子(Taitien Electronic) 的TSEAACSANF-10.000000 VCXO。它具有2ppm的初始頻率 容差，以及在調整接腳上使用0.5V 至2.5V電壓獲得約±12ppm的最 大調整範圍，該範圍也稱為「上拉 範圍」(pull range)。因此，如果 使用完整的255步PWM，就能以 大約(2×12/255≈0.1ppm)的解 析度調整VCXO。這似乎對ppm精 度沒有太大的改進，所以我想出了 使用兩個PWM的想法:一個用於
圖1顯示了這種簡單且低成本 「無需校準」的設計之主要元件。 該頻率由10MHz壓控晶體振盪器 (VCXO)產生。該振盪器會產生大 約10MHz的頻率，並具有合理的容 差，但也會有一個用於向上或向下
GPS模組可提供非常準確的 每秒1個脈衝(1PPS)訊號。該脈衝 看起來大約是每秒約100ms個脈 衝。即使採用便宜的模組，該訊號 在大約幾十奈秒範圍內通常比較 準確。這是產生精確10MHz訊號 設計的外部參考。1PPS訊號透過 可產生中斷的I/O線連接到Nano。 該設計中還有一個32位元計數器， 能經由Nano對其進行讀取和重 設。將32位元計數器連接到VCXO 的輸出，就可以用它來計算自上次 重設後的VCXO週期數。最後一個
圖1:無需校準的簡單頻率產生器之主要元件。
38 www.edntaiwan.com