基于GPS校准晶振的高精度时钟的设计

2012-09-26 15:37:03来源: 互联网

摘要: 文章结合高精度晶振无随机误差和GPS秒时钟无累计误差的特点,采用GPS测量监控技术,对高精度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,从而提供高精度的时钟信号。根据此方法研制了具有高性价比的高精度时钟发生装置,并成功的应用于通信系统中。

  0 引言

  本文结合GPS的长期稳定性校准晶振频率,采用GPS测量监控技术,对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,提供高精度的时间频率基准信号。

  1 高精度GPS校准晶振时钟设计中应注意的问题

  GPS秒脉冲的高精度是统计意义下的,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,其精度只有2 ×10- 7 ,因此,不能直接使用秒脉冲信号作为高精度的时钟信号。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,设计高精度的GPS校准晶振时钟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,以获取高精度的时钟。

  (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。本文采用的是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精度不能满足要求,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1 s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,使它达到稳定的精度。

  

  图1 GPS校准时钟原理结构

  2. 1 高稳定度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,具有很高的频率精度和稳定度,是目前石英晶振器件中频率稳定度最高的一种。晶振的频率精度是指晶振的实际工作频率与标称频率间的偏差,精度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,它的频率精度达到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的校准输出频率精度可以达到10- 9.

  2. 2 GPS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,最大偏差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16 s。

3 GPS校准晶振的算法

  OCXO灵敏度K0 表征了OCXO的最小分辨率,此值越小,表示OCXO的精度越高,它的计算公式为:

  K0 =OCXO频率变化范围/OCXO寄存器变化范围

  KD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COUNTmin ,设置OCXO寄存器的值为4095,记录计数器的值COUNTmax ,则:

  

  如果GPS信号无效,不进行时钟校准,此时时钟的精度依赖于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16 s,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2KD ,由于KD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2所示。

  

  图2 时钟校准算法

  4 结论

  本文根据GPS时钟无累积误差和恒温晶振无随机误差的特点,提出了通过GPS校准晶振产生高精度时钟的方法;并研制出了高精度的时钟发生装置,成功的运用到了通信系统用扫频仪中。研制出的时钟的精度可达到2 ×10- 9 ,由于这样的精度同时可以满足电力系统继电保护等系统的要求,同样也可以推广到电力系统中;同时也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。

关键字:GPS校准  晶振  高精度  时钟

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0926/article_16909.html
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