基于GPS校準(zhǔn)晶振的高精度時(shí)鐘的設(shè)計(jì)

摘要： 文章結(jié)合高精度晶振無(wú)隨機(jī)誤差和GPS秒時(shí)鐘無(wú)累計(jì)誤差的特點(diǎn)，采用GPS測(cè)量監(jiān)控技術(shù)，對(duì)高精度晶體振蕩器的輸出頻率進(jìn)行精密測(cè)量和調(diào)節(jié)，使晶振的輸出頻率同步在GPS系統(tǒng)上，從而提供高精度的時(shí)鐘信號(hào)。根據(jù)此方法研制了具有高性價(jià)比的高精度時(shí)鐘發(fā)生裝置，并成功的應(yīng)用于通信系統(tǒng)中。

　　0 引言

　　本文結(jié)合GPS的長(zhǎng)期穩(wěn)定性校準(zhǔn)晶振頻率，采用GPS測(cè)量監(jiān)控技術(shù)，對(duì)晶體振蕩器的輸出頻率進(jìn)行精密測(cè)量和調(diào)節(jié)，使晶振的輸出頻率同步在GPS系統(tǒng)上，提供高精度的時(shí)間頻率基準(zhǔn)信號(hào)。

　　1 高精度GPS校準(zhǔn)晶振時(shí)鐘設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

　　GPS秒脈沖的高精度是統(tǒng)計(jì)意義下的，對(duì)一個(gè)具體的秒脈沖，其偏差可能達(dá)到200ns，另外， GPS接收機(jī)短期失鎖、衛(wèi)星試驗(yàn)、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(hào)來(lái)校準(zhǔn)時(shí)鐘，其精度只有2 ×10- 7 ，因此，不能直接使用秒脈沖信號(hào)作為高精度的時(shí)鐘信號(hào)。但可以根據(jù)GPS秒時(shí)鐘沒(méi)有累計(jì)誤差的特點(diǎn)，來(lái)校準(zhǔn)晶振。控制系統(tǒng)選擇一個(gè)合適的時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)校準(zhǔn)晶振，晶振越穩(wěn)定，校準(zhǔn)的時(shí)間長(zhǎng)度就可以越長(zhǎng)。根據(jù)以上所述，設(shè)計(jì)高精度的GPS校準(zhǔn)晶振時(shí)鐘需要注意以下幾個(gè)方面：

　?。?） 消除GPS偽秒脈沖，由于GPS秒脈沖在傳遞過(guò)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。

　?。?） 使用高穩(wěn)定度晶振，以獲取高精度的時(shí)鐘。

　　（3） 選用合理的算法，用GPS時(shí)鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定性（即沒(méi)有累計(jì)誤差）來(lái)校準(zhǔn)晶振時(shí)鐘，并及時(shí)對(duì)晶振進(jìn)行調(diào)整。

　　2 GPS校準(zhǔn)晶振時(shí)鐘的原理結(jié)構(gòu)

　　圖1是一個(gè)應(yīng)用于通信系統(tǒng)的GPS校準(zhǔn)時(shí)鐘原理結(jié)構(gòu)。本文采用的是10MHz帶電壓調(diào)節(jié)的恒溫晶振，通過(guò)時(shí)鐘芯片產(chǎn)生61. 44MHz的信號(hào)。但僅由晶振和時(shí)鐘芯片產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)的精度不能滿足要求，需要通過(guò)GPS的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)。GPS的秒脈沖信號(hào)輸入到FPGA， FPGA在1 s內(nèi)對(duì)時(shí)鐘芯片輸出的61. 44MHz時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，過(guò)濾掉干擾數(shù)據(jù)，計(jì)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(lái)調(diào)節(jié)OCXO，使它達(dá)到穩(wěn)定的精度。

　　圖1 GPS校準(zhǔn)時(shí)鐘原理結(jié)構(gòu)

　　2. 1 高穩(wěn)定度恒溫晶振提供工作時(shí)鐘

　　用恒溫晶振OCXO 提供工作時(shí)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(diǎn)的溫度上，具有很高的頻率精度和穩(wěn)定度，是目前石英晶振器件中頻率穩(wěn)定度最高的一種。晶振的頻率精度是指晶振的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差，精度引起的偏差會(huì)給測(cè)量系統(tǒng)引入累積誤差。晶振頻率穩(wěn)定度是指秒級(jí)間隔內(nèi)的瞬時(shí)穩(wěn)定度，即由晶振“相位噪聲”引起的頻率隨機(jī)變化，瞬時(shí)穩(wěn)定度通常會(huì)給測(cè)量系統(tǒng)引入隨機(jī)誤差。本裝置采用新型的高穩(wěn)定度恒溫晶振OD02 - 5T型晶振，它的頻率精度達(dá)到10- 8量級(jí)，頻率穩(wěn)定度達(dá)到10- 11量級(jí)。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(guò)GPS的校準(zhǔn)輸出頻率精度可以達(dá)到10- 9.

　　2. 2 GPS秒脈沖

　　GPS接收機(jī)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC）相比只存在單個(gè)秒脈沖左右的漂移，從一段時(shí)間來(lái)看GPS秒脈沖并不存在累計(jì)誤差。因此首先對(duì)單個(gè)脈沖的有效性（即是不是偽脈沖）要進(jìn)行鑒別。在大量統(tǒng)計(jì)的意義下，計(jì)數(shù)值的偏差（對(duì)應(yīng)于一個(gè)GPS秒脈沖計(jì)數(shù)時(shí)鐘芯片的輸出）近似服從正態(tài)分布，最大偏差17，由此可以近似算出sigma = 17 ×68. 3% = 11，算法中采用的濾波門(mén)限值為10，比sigma值稍小一點(diǎn)，也就是當(dāng)技術(shù)偏差大于10，就認(rèn)為當(dāng)前的GPS秒脈沖是偽脈沖，舍棄不要。另外，對(duì)于GPS的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，技術(shù)上也不可能取無(wú)限長(zhǎng)。由于所選晶振的穩(wěn)定度很高，本文選擇校準(zhǔn)時(shí)間為16 s。
 

3 GPS校準(zhǔn)晶振的算法

　　OCXO靈敏度K0 表征了OCXO的最小分辨率，此值越小，表示OCXO的精度越高，它的計(jì)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(cè)器靈敏度，它由后臺(tái)進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)時(shí)算出，計(jì)算過(guò)程為：設(shè)置測(cè)量周期為15 s，設(shè)置OCXO寄存器的值為1，記錄計(jì)數(shù)器的值COUNTmin ，設(shè)置OCXO寄存器的值為4095，記錄計(jì)數(shù)器的值COUNTmax ，則：

　　如果GPS信號(hào)無(wú)效，不進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)，此時(shí)時(shí)鐘的精度依賴于OCXO本身的穩(wěn)定性和當(dāng)前的環(huán)境特性，如溫度、電壓穩(wěn)定性等。

　?。?） 當(dāng)計(jì)數(shù)值不等于61. 44MHz時(shí)，進(jìn)入粗調(diào)狀態(tài)，平均時(shí)間為16 s，以使OCXO快速進(jìn)入細(xì)調(diào)狀態(tài)。

　?。?） 當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到61. 44MHz時(shí)，進(jìn)入細(xì)調(diào)狀態(tài)，平均時(shí)間為2KD ，由于KD與K0 成反比，即細(xì)調(diào)的平均時(shí)間與K0 成反比， OCXO的靈敏度越高，平均時(shí)間越長(zhǎng)；反之，當(dāng)OCXO的靈敏度比較低時(shí)，平均時(shí)間就比較短。時(shí)鐘校準(zhǔn)算法如圖2所示。

　　圖2 時(shí)鐘校準(zhǔn)算法

　　4 結(jié)論

　　本文根據(jù)GPS時(shí)鐘無(wú)累積誤差和恒溫晶振無(wú)隨機(jī)誤差的特點(diǎn)，提出了通過(guò)GPS校準(zhǔn)晶振產(chǎn)生高精度時(shí)鐘的方法；并研制出了高精度的時(shí)鐘發(fā)生裝置，成功的運(yùn)用到了通信系統(tǒng)用掃頻儀中。研制出的時(shí)鐘的精度可達(dá)到2 ×10- 9 ，由于這樣的精度同時(shí)可以滿足電力系統(tǒng)繼電保護(hù)等系統(tǒng)的要求，同樣也可以推廣到電力系統(tǒng)中；同時(shí)也可以為定時(shí)信號(hào)發(fā)生器提供1級(jí)時(shí)鐘同步信號(hào)，還可以向外提供跟蹤GPS以及UTC時(shí)間的時(shí)鐘信號(hào)。