基于GPS校準晶振的高時鐘設計介紹 - 壹芯微

根據高晶振無隨機誤差和GPS秒時鐘無累計誤差的特點，采用GPS測量監控技術，對高晶體振蕩器的輸出頻率進行精密測量和調節，使晶振的輸出頻率同步在GPS系統上，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生裝置，成功的應用于通信系統中。

1.GPS校準晶振時鐘設計問題

GPS秒脈沖的高是統計意義下的，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GPS秒時鐘沒有累計誤差的特點，來校準晶振。控制系統選擇一個合適的時間長度來校準晶振，晶振越穩定，校準的時間長度就可以越長。根據以上所述，設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，應予屏蔽;

(2)使用高穩定度晶振，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整。

2.GPS校準晶振時鐘的原理結構

圖1是一個應用于通信系統的GPS校準時鐘原理結構。文中采用的是10MHz帶電壓調節的恒溫晶振，通過時鐘芯片產生61.44MHz的信號。但僅由晶振和時鐘芯片產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，FPGA在1s內對時鐘芯片輸出的61.44MHz時鐘進行計數，過濾掉干擾數據，計算出相位偏差，將此相位偏差轉換為OCXO控制寄存器的變化，以此變化值來調節OCXO，使它達到穩定的。

圖1GPS校準時鐘原理結構

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點的溫度上，具有很高的頻率和穩定度，是目前石英晶振器件中頻率穩定度的一種。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引入累積誤差。晶振頻率穩定度是指秒級間隔內的瞬時穩定度，即由晶振"相位噪聲"引起的頻率隨機變化，瞬時穩定度通常會給測量系統引入隨機誤差。本裝置采用新型的高穩定度恒溫晶振OD02-5T型晶振，它的頻率達到10-8量級，頻率穩定度達到10-11量級。頻率調整范圍是電壓調整(0~5V)為-9×10-7/8×10-7，這種可調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。在大量統計的意義下，計數值的偏差(對應于一個GPS秒脈沖計數時鐘芯片的輸出)近似服從正態分布，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的長期穩定性，技術上也不可能取無限長。由于所選晶振的穩定度很高，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：設置測量周期為15s，設置OCXO寄存器的值為1,記錄計數器的值COUNTmin，設置OCXO寄存器的值為4095，記錄計數器的值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本身的穩定性和當前的環境特性，如溫度、電壓穩定性等。

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

(2)當計數值達到61.44MHz時，進入細調狀態，平均時間為2KD，由于KD與K0成反比，即細調的平均時間與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

以上就是基于GPS校準晶振的高時鐘設計的介紹了。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繼電保護等系統的要求，因此也可以推廣到電力系統中;不但可以為定時信號發生器提供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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