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  • 基于GPS校準(zhǔn)晶振的高時鐘設(shè)計介紹
    • 發(fā)布時間:2021-12-16 16:21:56
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    基于GPS校準(zhǔn)晶振的高時鐘設(shè)計介紹
    根據(jù)高晶振無隨機(jī)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(jìn)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(zhǔn)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(dá)到200ns,另外,GPS接收機(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)晶振??刂葡到y(tǒng)選擇一個合適的時間長度來校準(zhǔn)晶振,晶振越穩(wěn)定,校準(zhǔn)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(zhǔn)晶振時鐘,并及時對晶振進(jìn)行調(diào)整。
    2.GPS校準(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)行校準(zhǔn)。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(jìn)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(dá)到穩(wěn)定的。
    晶振
    圖1 GPS校準(zhǔn)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(biāo)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(jī)變化,瞬時穩(wěn)定度通常會給測量系統(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,它的頻率達(dá)到10- 8量級,頻率穩(wěn)定度達(dá)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(zhǔn)輸出頻率可以達(dá)到10- 9。
    晶振
    圖2 恒溫晶振
    2.2GPS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,與國際標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(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(zhǔn)時間為16s。
    3.GPS校準(zhǔn)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(jìn)行時鐘校準(zhǔn)時算出,計算過程為:設(shè)置測量周期為15 s,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:
    晶振
    如果GPS信號無效,不進(jìn)行時鐘校準(zhǔn),此時時鐘的依賴于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。
    (1) 當(dāng)計數(shù)值不等于61. 44MHz時,進(jìn)入粗調(diào)狀態(tài),平均時間為16s,以使OCXO快速進(jìn)入細(xì)調(diào)狀態(tài)。
    (2) 當(dāng)計數(shù)值達(dá)到61. 44MHz時,進(jìn)入細(xì)調(diào)狀態(tài),平均時間為2KD ,由于KD與K0成反比,即細(xì)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(dāng)OCXO的靈敏度比較低時,平均時間就比較短。時鐘校準(zhǔn)算法如圖3所示。
    晶振
    圖3 時鐘校準(zhǔn)算法
    總結(jié)
    以上就是基于GPS校準(zhǔn)晶振的高時鐘設(shè)計的介紹了。研制出的時鐘的可達(dá)到2 ×10- 9,由于可以同時滿足電力系統(tǒng)繼電保護(hù)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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