采用GPS測量監(jiān)控技術校準高精度晶振時鐘的設計方案介紹

引言

本文結合GPS的長期穩(wěn)定性校準晶振頻率，采用GPS測量監(jiān)控技術，對晶體振蕩器的輸出頻率進行精密測量和調(diào)節(jié)，使晶振的輸出頻率同步在GPS系統(tǒng)上，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秒脈沖的高精度是統(tǒng)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(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時鐘，其精度只有2 ×10- 7 ,因此，不能直接使用秒脈沖信號作為高精度的時鐘信號。但可以根據(jù)GPS秒時鐘沒有累計誤差的特點，來校準晶振。控制系統(tǒng)選擇一個合適的時間長度來校準晶振，晶振越穩(wěn)定，校準的時間長度就可以越長。根據(jù)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(wěn)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(wěn)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(diào)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(tǒng)的GPS校準時鐘原理結構。本文采用的是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的秒脈沖信號輸入到FPGA, FPGA在1 s內(nèi)對時鐘芯片輸出的61. 44MHz時鐘進行計數(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,使它達到穩(wěn)定的精度。

圖1 GPS校準時鐘原理結構

2. 1 高穩(wěn)定度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(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"引起的頻率隨機變化，瞬時穩(wěn)定度通常會給測量系統(tǒng)引入隨機誤差。本裝置采用新型的高穩(wěn)定度恒溫晶振OD02 - 5T型晶振，它的頻率精度達到10- 8量級，頻率穩(wěn)定度達到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的校準輸出頻率精度可以達到10- 9.

2. 2 GPS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(tài)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(tǒng)計的意義下，計數(shù)值的偏差（對應于一個GPS秒脈沖計數(shù)時鐘芯片的輸出）近似服從正態(tài)分布，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(wěn)定性，技術上也不可能取無限長。由于所選晶振的穩(wěn)定度很高，本文選擇校準時間為16 s.

3 GPS校準晶振的算法

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15 s,設置OCXO寄存器的值為1,記錄計數(shù)器的值COUNTmin ,設置OCXO寄存器的值為4095,記錄計數(shù)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于OCXO本身的穩(wěn)定性和當前的環(huán)境特性，如溫度、電壓穩(wěn)定性等。

（1） 當計數(shù)值不等于61. 44MHz時，進入粗調(diào)狀態(tài)，平均時間為16 s,以使OCXO快速進入細調(diào)狀態(tài)。

（2） 當計數(shù)值達到61. 44MHz時，進入細調(diào)狀態(tài)，平均時間為2KD ,由于KD與K0 成反比，即細調(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(jù)GPS時鐘無累積誤差和恒溫晶振無隨機誤差的特點，提出了通過GPS校準晶振產(chǎn)生高精度時鐘的方法；并研制出了高精度的時鐘發(fā)生裝置，成功的運用到了通信系統(tǒng)用掃頻儀中。研制出的時鐘的精度可達到2 ×10- 9 ,由于這樣的精度同時可以滿足電力系統(tǒng)繼電保護等系統(tǒng)的要求，同樣也可以推廣到電力系統(tǒng)中；同時也可以為定時信號發(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。