GPS校准石英晶振时钟中应该注意的问题     DATE: 2019-12-02 22:01

GPS北斗驯服晶振中常见的问题

一.高精度GPS校准石英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,贴片晶振越稳定,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三个方面:
(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。

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15s,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16s,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。请欣赏电路图!

(1) 高稳定度恒温晶振提供工作时钟
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) 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,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16s。

本实用新型为基于GPS与恒温晶振的时钟源装置,包括有源晶振,恒温晶振模块、主控模块、GPS模块、窄化电路模块及从控模块。主控模块接从控模块,GPS模块输出一路接主控模块、另一路经窄化电路模块接从控模块,恒温晶振模块接从控模块。GPS模块接收卫星秒脉冲信号,从控模块据此对其内的分频子模块定时复位,消除恒温晶振的累积误差。从控模块还接有双极性信号变换模块,可输出双极性信号。恒温晶振模块还接有晶振自调整模块,当GPS的短时间失效,自调整模块可对恒温晶振模块定时调整复位,保证输出信号的同步精度。

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