採用GPS測量監控技術校準高精度晶振時鐘的設計方案介紹

2020-11-24 電子發燒友

採用GPS測量監控技術校準高精度晶振時鐘的設計方案介紹

電子設計 發表於 2018-11-16 08:09:00

 引言

本文結合GPS的長期穩定性校準晶振頻率，採用GPS測量監控技術，對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，提供高精度的時間頻率基準信號。

1 高精度GPS校準晶振時鐘設計中應注意的問題

GPS秒脈衝的高精度是統計意義下的，對一個具體的秒脈衝，其偏差可能達到200ns,另外， GPS接收機短期失鎖、衛星試驗、電磁幹擾等因素，都可能造成秒脈衝的失真，如果直接使用GPS的秒脈衝信號來校準時鐘，其精度只有2 ×10- 7 ,因此，不能直接使用秒脈衝信號作為高精度的時鐘信號。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，設計高精度的GPS校準晶振時鐘需要注意以下幾個方面：

（1） 消除GPS偽秒脈衝，由於GPS秒脈衝在傳遞過程中可能受外部電磁幹擾而夾雜著偽脈衝，為避免處理器誤判斷，應予屏蔽。

（2） 使用高穩定度晶振，以獲取高精度的時鐘。

（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，並及時對晶振進行調整。

2 GPS校準晶振時鐘的原理結構

圖1是一個應用於通信系統的GPS校準時鐘原理結構。本文採用的是10MHz帶電壓調節的恆溫晶振，通過時鐘晶片產生61. 44MHz的信號。但僅由晶振和時鐘晶片產生的時鐘信號的精度不能滿足要求，需要通過GPS的時鐘信號進行校準。GPS的秒脈衝信號輸入到FPGA, FPGA在1 s內對時鐘晶片輸出的61. 44MHz時鐘進行計數，過濾掉幹擾數據，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,使它達到穩定的精度。

圖1 GPS校準時鐘原理結構

2. 1 高穩定度恆溫晶振提供工作時鐘

用恆溫晶振OCXO 提供工作時鐘。該晶振採用精密控溫，使晶體工作在晶體的零溫度係數點的溫度上，具有很高的頻率精度和穩定度，是目前石英晶振器件中頻率穩定度最高的一種。晶振的頻率精度是指晶振的實際工作頻率與標稱頻率間的偏差，精度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。本裝置採用新型的高穩定度恆溫晶振OD02 - 5T型晶振，它的頻率精度達到10- 8量級，頻率穩定度達到10- 11量級。頻率調整範圍是電壓調整（0~5V）為- 9 ×10 - 7 /8 ×10- 7 ,這種可調特性使得此恆溫晶振通過GPS的校準輸出頻率精度可以達到10- 9.

2. 2 GPS秒脈衝

GPS接收機接收到的GPS秒脈衝或多或少存在一些誤差， GPS秒脈衝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衝左右的漂移，從一段時間來看GPS秒脈衝並不存在累計誤差。因此首先對單個脈衝的有效性（即是不是偽脈衝）要進行鑑別。在大量統計的意義下，計數值的偏差（對應於一個GPS秒脈衝計數時鐘晶片的輸出）近似服從正態分布，最大偏差17,由此可以近似算出sigma = 17 ×68. 3% = 11,算法中採用的濾波門限值為10,比sigma值稍小一點，也就是當技術偏差大於10,就認為當前的GPS秒脈衝是偽脈衝，捨棄不要。另外，對於GPS的長期穩定性，技術上也不可能取無限長。由於所選晶振的穩定度很高，本文選擇校準時間為16 s.

3 GPS校準晶振的算法

OCXO靈敏度K0 表徵了OCXO的最小解析度，此值越小，表示OCXO的精度越高，它的計算公式為：

K0 =OCXO頻率變化範圍/OCXO寄存器變化範圍

KD為相位檢測器靈敏度，它由後臺進行時鐘校準時算出，計算過程為：設置測量周期為15 s,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，此時時鐘的精度依賴於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） 當計數值不等於61. 44MHz時，進入粗調狀態，平均時間為16 s,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 ,由於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2所示。

圖2 時鐘校準算法

4 結論

本文根據GPS時鐘無累積誤差和恆溫晶振無隨機誤差的特點，提出了通過GPS校準晶振產生高精度時鐘的方法；並研製出了高精度的時鐘發生裝置，成功的運用到了通信系統用掃頻儀中。研製出的時鐘的精度可達到2 ×10- 9 ,由於這樣的精度同時可以滿足電力系統繼電保護等系統的要求，同樣也可以推廣到電力系統中；同時也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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