一种GPS校准的数字式高精度守时钟

　　1　引　　言

　　GPS(global positioning system)是当今授时精度最高、应用最为广泛的全球定位授时系统。基于GPS接收机的各种同步授时装置已广泛应用于电力、金融和航天等领域。目前一台价格适中的授时型GPS接收机定位后即可提供精度为20 ns的1PPS信号输出[1]。这样的授时精度可以满足绝大多数同步定时要求。然而一旦GPS信号丢失,接收机的授时精度急剧下降,因此研究高性能的守时钟就显的越来越重要。

　　所谓守时是指己被校准的时钟在自主运行的状态下,保持其时间与标准时间的误差尽可能小的能力。守时精度是衡量时钟性能优劣的一个重要的技术指标。该指标可定义为:在一定的外部条件下,时钟自主运行的时间和在此期间产生的时间偏差之比。

　　GPS校准的高精度守时钟一般是由温补晶振(TCXO)或恒温晶振(OCXO)或原子频标(由于价格昂贵在此不做讨论)、分频器、计数器和GPS接收机等构成。GPS接收机定位后同步时钟,测量出晶振的频率偏差并进行适当的补偿;当接收机失锁后时钟进入守时状态,其守时能力主要取决于补偿后晶振的频率准确度和稳定度。

　　晶振的老化是指其输出频率的准确度会随着时间的流逝产生不可逆转的偏差。文献[2]提到的一种进口超薄型双恒温槽超精密恒温晶振OCXO的频率稳定度高达±1×10E-10,但是其年老化率却只有±1×10E-8/年,比稳定度低2个数量级。由此可见老化是导致时钟守时精度下降的最主要原因。解决的方法是利用GPS接收机输出的标准时间信号测算出晶振输出信号频率的准确度偏差,并进行适当校正补偿。

　　本文先简述了时钟电路的几种补偿晶振频偏的方法,详细介绍了一种分频比可微调的基于加法器的时钟电路(adderbased clock,ABC电路)[3-4],提出了一种基于ABC电路的GPS校准的高精度守时钟的实现方案。在只需要守时无需锁频的情况下,该方案具有电路全数字化、电源种类单一、功耗低、设计简单和便于集成等优点。本文还介绍了该守时钟的工作状态转换图和一种简单实用的均值滤波时钟步距调整算法。最后通过一个守时系统实例说明了ABC电路的具体设计方法,给出了实测结果。

　　2　时钟电路补偿晶振老化的几种方法

　　晶振老化导致其频率发生准确度误差,也即晶振的振荡周期与额定周期值发生微小偏差。校正补偿的途径只有2个:微调晶振的振荡频率或改变时钟电路的分频比。

        1)压控振荡器锁相环方案

　　这是一种最常见的微调晶振频率的方案。方案由压控恒温晶振(VOCXO)、鉴相器、环路滤波器或滤波算法、调节器(多为PI规律)、DAC和GPS接收机等部件构成锁相环[5-6,14]。鉴相器先检测出接收机1PPS信号和晶振分频产生的秒脉冲信号之间的相位差,采用滤波算法计算出晶振的频率偏差并生成补偿量,再将补偿量通过DAC转换成电压微调VOCXO的输出频率使其锁定在额定的频率上,达到锁频守时的目的。这种方案的优点是在实现守时的同时也实现了锁频;其缺点是电路复杂,需要采用高精度的DAC、多路电源和需要仔细设计的模拟电路。