基于GPS校準晶振的高精度時鐘的設計
摘要: 文章結合高精度晶振無隨機誤差和GPS秒時鐘無累計誤差的特點,采用GPS測量監(jiān)控技術,對高精度晶體振蕩器的輸出頻率進行精密測量和調節(jié),使晶振的輸出頻率同步在GPS系統(tǒng)上,從而提供高精度的時鐘信號。根據此方法研制了具有高性價比的高精度時鐘發(fā)生裝置,并成功的應用于通信系統(tǒng)中。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/185957.htm0 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GPS秒時鐘沒有累計誤差的特點,來校準晶振??刂葡到y(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:
?。?) 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。
?。?) 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帶電壓調節(jié)的恒溫晶振,通過時鐘芯片產生61. 44MHz的信號。但僅由晶振和時鐘芯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的秒脈沖信號輸入到FPGA, FPGA在1 s內對時鐘芯片輸出的61. 44MHz時鐘進行計數,過濾掉干擾數據,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(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。頻率調整范圍是電壓調整(0~5V)為- 9 ×10 - 7 /8 ×10- 7 ,這種可調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,計數值的偏差(對應于一個GPS秒脈沖計數時鐘芯片的輸出)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,記錄計數器的值COUNTmin ,設置OCXO寄存器的值為4095,記錄計數器的值COUNTmax ,則:
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