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基于GPS校准晶振的高精度时钟的设计
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。
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。