基于GPS校准晶振的高时钟设计

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　　根据高晶振无随机误差和GPS秒时钟无累计误差的特点，采用GPS测量监控技术，对高晶体振荡器的输出频率进行精密测量和调节，使晶振的输出频率同步在GPS系统上，从而提供高的时钟信号。并研制了具有高性价比的高时钟发生装置，成功的应用于通信系统中。

　　1.GPS校准晶振时钟设计问题

　　GPS秒脉冲的高是统计意义下的，对一个具体的秒脉冲，其偏差可能达到200ns，另外，GPS接收机短期失锁、卫星试验、电磁干扰等因素，都可能造成秒脉冲的失真，如果直接使用GPS的秒脉冲信号来校准时钟，其只有2 ×10- 7，因此，不能直接使用秒脉冲信号作为高的时钟信号。但可以根据GPS秒时钟没有累计误差的特点，来校准晶振。控制系统选择一个合适的时间长度来校准晶振，晶振越稳定，校准的时间长度就可以越长。根据以上所述，设计时需要注意以下几个方面：

　　(1)消除GPS伪秒脉冲，由于GPS秒脉冲在传递过程中可能受外部电磁干扰而夹杂着伪脉冲，为避免处理器误判断，应予屏蔽;

　　(2)使用高稳定度晶振，以获取高的时钟;

　　(3)选用合理的算法，用GPS时钟的长期稳定性(即没有累计误差)来校准晶振时钟，并及时对晶振进行调整。

　　2.GPS校准晶振时钟的原理结构

　　图1是一个应用于通信系统的GPS校准时钟原理结构。文中采用的是10MHz带电压调节的恒温晶振，通过时钟芯片产生61. 44MHz的信号。但仅由晶振和时钟芯片产生的时钟信号的不能满足要求，需要通过GPS的时钟信号进行校准。GPS的秒脉冲信号输入到FPGA，FPGA在1s内对时钟芯片输出的61. 44MHz时钟进行计数，过滤掉干扰数据，计算出相位偏差，将此相位偏差转换为OCXO控制寄存器的变化，以此变化值来调节OCXO，使它达到稳定的。

　　图1 GPS校准时钟原理结构

　　2.1恒温晶振提供工作时钟

　　用恒温晶振OCXO 提供工作时钟。该晶振采用精密控温，使晶体工作在晶体的零温度系数点的温度上，具有很高的频率和稳定度，是目前石英晶振器件中频率稳定度的一种。晶振的频率是指晶振的实际工作频率与标称频率间的偏差，引起的偏差会给测量系统引入累积误差。晶振频率稳定度是指秒级间隔内的瞬时稳定度，即由晶振"相位噪声"引起的频率随机变化，瞬时稳定度通常会给测量系统引入随机误差。本装置采用新型的高稳定度恒温晶振OD02-5T型晶振，它的频率达到10^{- 8}量级，频率稳定度达到10^{- 11}量级。频率调整范围是电压调整(0~5V)为- 9 ×10 ^{- 7} /8 ×10^{- 7}，这种可调特性使得此恒温晶振通过GPS的校准输出频率可以达到10^{- 9}。

图2 恒温晶振

　　2.2GPS秒脉冲

　　GPS接收机接收到的GPS秒脉冲或多或少存在一些误差， GPS秒脉冲的误差服从正态分布，与国际标准时间(UTC)相比只存在单个秒脉冲左右的漂移，从一段时间来看GPS秒脉冲并不存在累计误差。因此首先对单个脉冲的有效性(即是不是伪脉冲)要进行鉴别。在大量统计的意义下，计数值的偏差(对应于一个GPS秒脉冲计数时钟芯片的输出)近似服从正态分布，偏差17;由此可以近似算出sigma = 17 ×68. 3% = 11，算法中采用的滤波门限值为10，比sigma值稍小一点，也就是当技术偏差大于10，就认为当前的GPS秒脉冲是伪脉冲，舍弃不要。另外，对于GPS的长期稳定性，技术上也不可能取无限长。由于所选晶振的稳定度很高，本文选择校准时间为16s。

　　3.GPS校准晶振的算法

　　OCXO灵敏度K0 表征了OCXO的分辨率，此值越小，表示OCXO的越高，它的计算公式为：

　　K₀=OCXO频率变化范围/OCXO寄存器变化范围

　　K_D为相位检测器灵敏度，它由后台进行时钟校准时算出，计算过程为：设置测量周期为15 s，设置OCXO寄存器的值为1,记录计数器的值COUNT_min，设置OCXO寄存器的值为4095，记录计数器的值COUNT_max，则：

　　如果GPS信号无效，不进行时钟校准，此时时钟的依赖于OCXO本身的稳定性和当前的环境特性，如温度、电压稳定性等。

　　(1) 当计数值不等于61. 44MHz时，进入粗调状态，平均时间为16s，以使OCXO快速进入细调状态。

　　(2) 当计数值达到61. 44MHz时，进入细调状态，平均时间为2K_D ，由于K_D与K₀成反比，即细调的平均时间与K₀成反比，OCXO的灵敏度越高，平均时间越长;反之，当OCXO的灵敏度比较低时，平均时间就比较短。时钟校准算法如图3所示。

　　图3 时钟校准算法

　　总结

　　以上就是基于GPS校准晶振的高时钟设计的介绍了。研制出的时钟的可达到2 ×10^{- 9}，由于可以同时满足电力系统继电保护等系统的要求，因此也可以推广到电力系统中;不但可以为定时信号发生器提供1级时钟同步信号，还可以向外提供跟踪GPS以及UTC时间的时钟信号。