基于GPS校準晶振的高時鐘設(shè)計介紹 - 壹芯微

根據(jù)高晶振無隨機誤差和GPS秒時鐘無累計誤差的特點，采用GPS測量監(jiān)控技術(shù)，對高晶體振蕩器的輸出頻率進行精密測量和調(diào)節(jié)，使晶振的輸出頻率同步在GPS系統(tǒng)上，從而提供高的時鐘信號。并研制了具有高性價比的高時鐘發(fā)生裝置，成功的應(yīng)用于通信系統(tǒng)中。

1.GPS校準晶振時鐘設(shè)計問題

GPS秒脈沖的高是統(tǒng)計意義下的，對一個具體的秒脈沖，其偏差可能達到200ns，另外，GPS接收機短期失鎖、衛(wèi)星試驗、電磁干擾等因素，都可能造成秒脈沖的失真，如果直接使用GPS的秒脈沖信號來校準時鐘，其只有2×10-7，因此，不能直接使用秒脈沖信號作為高的時鐘信號。但可以根據(jù)GPS秒時鐘沒有累計誤差的特點，來校準晶振。控制系統(tǒng)選擇一個合適的時間長度來校準晶振，晶振越穩(wěn)定，校準的時間長度就可以越長。根據(jù)以上所述，設(shè)計時需要注意以下幾個方面：

(1)消除GPS偽秒脈沖，由于GPS秒脈沖在傳遞過程中可能受外部電磁干擾而夾雜著偽脈沖，為避免處理器誤判斷，應(yīng)予屏蔽;

(2)使用高穩(wěn)定度晶振，以獲取高的時鐘;

(3)選用合理的算法，用GPS時鐘的長期穩(wěn)定性(即沒有累計誤差)來校準晶振時鐘，并及時對晶振進行調(diào)整。

2.GPS校準晶振時鐘的原理結(jié)構(gòu)

圖1是一個應(yīng)用于通信系統(tǒng)的GPS校準時鐘原理結(jié)構(gòu)。文中采用的是10MHz帶電壓調(diào)節(jié)的恒溫晶振，通過時鐘芯片產(chǎn)生61.44MHz的信號。但僅由晶振和時鐘芯片產(chǎn)生的時鐘信號的不能滿足要求，需要通過GPS的時鐘信號進行校準。GPS的秒脈沖信號輸入到FPGA，F(xiàn)PGA在1s內(nèi)對時鐘芯片輸出的61.44MHz時鐘進行計數(shù)，過濾掉干擾數(shù)據(jù)，計算出相位偏差，將此相位偏差轉(zhuǎn)換為OCXO控制寄存器的變化，以此變化值來調(diào)節(jié)OCXO，使它達到穩(wěn)定的。

圖1GPS校準時鐘原理結(jié)構(gòu)

2.1恒溫晶振提供工作時鐘

用恒溫晶振OCXO提供工作時鐘。該晶振采用精密控溫，使晶體工作在晶體的零溫度系數(shù)點的溫度上，具有很高的頻率和穩(wěn)定度，是目前石英晶振器件中頻率穩(wěn)定度的一種。晶振的頻率是指晶振的實際工作頻率與標稱頻率間的偏差，引起的偏差會給測量系統(tǒng)引入累積誤差。晶振頻率穩(wěn)定度是指秒級間隔內(nèi)的瞬時穩(wěn)定度，即由晶振"相位噪聲"引起的頻率隨機變化，瞬時穩(wěn)定度通常會給測量系統(tǒng)引入隨機誤差。本裝置采用新型的高穩(wěn)定度恒溫晶振OD02-5T型晶振，它的頻率達到10-8量級，頻率穩(wěn)定度達到10-11量級。頻率調(diào)整范圍是電壓調(diào)整(0~5V)為-9×10-7/8×10-7，這種可調(diào)特性使得此恒溫晶振通過GPS的校準輸出頻率可以達到10-9。

圖2恒溫晶振

2.2GPS秒脈沖

GPS接收機接收到的GPS秒脈沖或多或少存在一些誤差，GPS秒脈沖的誤差服從正態(tài)分布，與國際標準時間(UTC)相比只存在單個秒脈沖左右的漂移，從一段時間來看GPS秒脈沖并不存在累計誤差。因此首先對單個脈沖的有效性(即是不是偽脈沖)要進行鑒別。在大量統(tǒng)計的意義下，計數(shù)值的偏差(對應(yīng)于一個GPS秒脈沖計數(shù)時鐘芯片的輸出)近似服從正態(tài)分布，偏差17;由此可以近似算出sigma=17×68.3%=11，算法中采用的濾波門限值為10，比sigma值稍小一點，也就是當技術(shù)偏差大于10，就認為當前的GPS秒脈沖是偽脈沖，舍棄不要。另外，對于GPS的長期穩(wěn)定性，技術(shù)上也不可能取無限長。由于所選晶振的穩(wěn)定度很高，本文選擇校準時間為16s。

3.GPS校準晶振的算法

OCXO靈敏度K0表征了OCXO的分辨率，此值越小，表示OCXO的越高，它的計算公式為：

K0=OCXO頻率變化范圍/OCXO寄存器變化范圍

KD為相位檢測器靈敏度，它由后臺進行時鐘校準時算出，計算過程為：設(shè)置測量周期為15s，設(shè)置OCXO寄存器的值為1,記錄計數(shù)器的值COUNTmin，設(shè)置OCXO寄存器的值為4095，記錄計數(shù)器的值COUNTmax，則：

如果GPS信號無效，不進行時鐘校準，此時時鐘的依賴于OCXO本身的穩(wěn)定性和當前的環(huán)境特性，如溫度、電壓穩(wěn)定性等。

(1)當計數(shù)值不等于61.44MHz時，進入粗調(diào)狀態(tài)，平均時間為16s，以使OCXO快速進入細調(diào)狀態(tài)。

(2)當計數(shù)值達到61.44MHz時，進入細調(diào)狀態(tài)，平均時間為2KD，由于KD與K0成反比，即細調(diào)的平均時間與K0成反比，OCXO的靈敏度越高，平均時間越長;反之，當OCXO的靈敏度比較低時，平均時間就比較短。時鐘校準算法如圖3所示。

圖3時鐘校準算法

總結(jié)

以上就是基于GPS校準晶振的高時鐘設(shè)計的介紹了。研制出的時鐘的可達到2×10-9，由于可以同時滿足電力系統(tǒng)繼電保護等系統(tǒng)的要求，因此也可以推廣到電力系統(tǒng)中;不但可以為定時信號發(fā)生器提供1級時鐘同步信號，還可以向外提供跟蹤GPS以及UTC時間的時鐘信號。

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