1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 GPS校準(zhǔn)晶振的高時鐘的設(shè)計(jì) 0 引言 本文結(jié)合GPS的長期穩(wěn)定性校準(zhǔn)晶振頻率，采用GPS測量監(jiān)控技術(shù)，對晶體振蕩器的輸出頻率開展精細(xì)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(zhǔn)信號。 1 高精度GPS校準(zhǔn)晶振時鐘設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題 GPS秒脈沖的高精度是統(tǒng)計(jì)意義下的，對一個具體的秒脈沖，其偏差可能到達(dá)200ns,另外， GPS接收機(jī)短期失鎖、衛(wèi)星試驗(yàn)、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

2、有累計(jì)誤差的特點(diǎn)，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(jì)高精度的GPS校準(zhǔn)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，為防止處理器誤判斷，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(jì)誤差）來校準(zhǔn)晶振時鐘，并及時對晶振開展調(diào)整。 2 GPS校準(zhǔn)晶振時鐘的原理構(gòu)造 圖1是一個應(yīng)用于通信系統(tǒng)的GPS校準(zhǔn)時鐘原理構(gòu)造。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6

3、1. 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的時鐘信號開展校準(zhǔn)。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時鐘開展計(jì)數(shù)，過濾掉干擾數(shù)據(jù)，計(jì)算出相位偏差，將此相位偏差轉(zhuǎn)換為OCXO控制存放器的變化，以此變化值來調(diào)節(jié)OCXO,使它到達(dá)穩(wěn)定的精度。 圖1 GPS校準(zhǔn)時鐘原理構(gòu)造 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。該晶振采用精細(xì)控溫，使晶體工作在晶體的零溫度系數(shù)點(diǎn)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)定度的一種。晶振的頻率精度是指晶振的實(shí)際工作

4、頻率與標(biāo)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(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，它的頻率精度到達(dá)10- 8量級，頻率穩(wěn)定度到達(dá)10- 11量級。頻率調(diào)整范圍是電壓調(diào)整（05V）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)輸出頻率精度可以到達(dá)10- 9. 2. 2 GPS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

5、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(jì)誤差。因此首先對單個脈沖的有效性（即是不是偽脈沖）要開展鑒別。在大量統(tǒng)計(jì)的意義下，計(jì)數(shù)值的偏差（對應(yīng)于一個GPS秒脈沖計(jì)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(diǎn)，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16 s. 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

6、小，表示OCXO的精度越高，它的計(jì)算公式為： K0 =OCXO頻率變化范圍/OCXO存放器變化范圍 KD為相位檢測器靈敏度，它由后臺開展時鐘校準(zhǔn)時算出，計(jì)算過程為：設(shè)置測量周期為15 s,設(shè)置OCXO存放器的值為1,記錄計(jì)數(shù)器的值COUNTmin ,設(shè)置OCXO存放器的值為4095,記錄計(jì)數(shù)器的值COUNTmax ,則： 如果GPS信號無效，不開展時鐘校準(zhǔn)，此時時鐘的精度依賴于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(jì)數(shù)值不等于61. 44MHz時，進(jìn)入粗調(diào)狀態(tài)，平均時間為16 s,以使OCXO快速進(jìn)入細(xì)調(diào)狀態(tài)。 （2） 當(dāng)計(jì)數(shù)值到達(dá)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2所示。 圖2 時鐘校準(zhǔn)算法 4 結(jié)論 本文根據(jù)GPS時鐘無累積誤差和恒溫晶振無隨機(jī)誤差的特點(diǎn)，提出了通過GPS校準(zhǔn)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(yùn)用到了通信系統(tǒng)用掃頻儀中。研制出的時鐘的