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1、基于FPGA的GPS時(shí)鐘馴服電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)張磊，黃海生，張斌（西安郵電大學(xué)陜西西安710121）摘要：為滿足系統(tǒng)對(duì)高精度時(shí)鐘的要求，根據(jù)晶振時(shí)鐘無(wú)隨機(jī)誤差和全球定位系統(tǒng)（GPS）時(shí)鐘無(wú)累計(jì)誤差的特點(diǎn)，提出了一種利用GPS秒時(shí)鐘馴服晶振時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘的方案。該方案根據(jù)數(shù)字鎖相環(huán)倍頻原理，通過(guò)測(cè)量GPS秒時(shí)鐘和本地生成秒時(shí)鐘的相位誤差來(lái)調(diào)整電路分頻比，實(shí)時(shí)消除晶振時(shí)鐘的累計(jì)誤差，從而實(shí)現(xiàn)高精度的系統(tǒng)時(shí)鐘。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該方法在使用16.369M溫補(bǔ)晶振時(shí)，在GPS信號(hào)有效情況下輸出時(shí)鐘誤差小于0.1ppm，GPS信號(hào)失效后1小時(shí)后誤差小于0.3ppm。關(guān)鍵詞：GPS秒時(shí)鐘；時(shí)鐘馴服；高精度時(shí)鐘
2、；時(shí)間同步；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列中圖分類號(hào):TN492文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADesignandImplementationofGPSclocktamecircuitBasedonFPGAZHANGLei,HUANGHai-sheng,ZHANGBin(Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China)Abstract:Tomeettherequirementsofsystemforhighprecisionclock,Accordingtothecharacteristicsofcrystalclockwithoutrandomer
3、rorandtheglobalpositioningsystem(GPS)clocknoaccumulatederror,thispaperproposesaschemeofusingGPSsecondsignaltotamecrystaloscillatorclocktorealizehighprecisionclock.TheschemebasedontheprinciplesofdigitalPLLfrequencymultiplierbymeasuringthephaseerroroftheGPSsecondsclockwiththelocalclocktoadjusttheratio
4、oftheclockdividercircuit,real-timeeliminatingcrystalclockcumulativeerror,Soastorealizehighprecisionsystemclock.Verifiedbypractical,themethodintheuseof16.369MHZtemperature-compensationcrystaloscillator,undertheconditionofGPSsignalseffectivelytheoutputclockerrorislessthan0.1ppm,GPSsignalfailureafter1h
5、ouraftertheerrorislessthan0.3ppm.Keywords:GPSsecondclock;clocktame;high-accuracyclock;timesynchronization;field-programmablegatearray(FPGA)0引言GPS是一個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可以為用戶免費(fèi)提供實(shí)時(shí)、高精度的時(shí)間信息。GPS的時(shí)間系統(tǒng)由具有高精度、高穩(wěn)定度的原子鐘組成。由地面控制系統(tǒng)的氫原子或銫原子鐘向主運(yùn)行鐘提供時(shí)間與頻率微調(diào)參數(shù)，使主運(yùn)行鐘保持極高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，精度可以達(dá)??1215【1】到1010，沒有累計(jì)誤差?，F(xiàn)代電力和通信系統(tǒng)等需要高精確的時(shí)鐘
6、系統(tǒng)，時(shí)鐘系統(tǒng)精度要求達(dá)到1?s，甚至納秒級(jí)別。如何簡(jiǎn)單、低成本的獲取高精度時(shí)間系統(tǒng)尤為重要。電子系統(tǒng)一般使用晶振作為時(shí)鐘源，經(jīng)分頻后作為系統(tǒng)時(shí)鐘。晶振隨著使用環(huán)境溫度、電壓的變化以及時(shí)間的推移，頻率會(huì)有一定的偏移，但晶振頻率短穩(wěn)特性好，無(wú)隨機(jī)誤差。針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合GPS時(shí)鐘無(wú)累積誤差和晶振時(shí)鐘無(wú)隨機(jī)誤差的特性，采用一種使用GPS時(shí)鐘同步晶振時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)高精度同步時(shí)鐘的方法。此方法使用GPS時(shí)鐘實(shí)時(shí)測(cè)量晶振時(shí)鐘頻率以及輸出時(shí)鐘相位，利用晶振頻差和輸出時(shí)鐘相位差調(diào)節(jié)電路分頻比，消除晶振時(shí)鐘累積誤差的同時(shí)與GPS時(shí)鐘保持【1】【2】同步。1時(shí)鐘誤差分析1.1晶振秒時(shí)鐘誤差分析對(duì)溫補(bǔ)晶振時(shí)鐘進(jìn)行分頻
7、，可以得到系統(tǒng)需要的頻率時(shí)鐘。設(shè)晶振時(shí)鐘頻率為f，周期t。設(shè)系統(tǒng)需要的時(shí)鐘頻率為f，周期為T0。則標(biāo)準(zhǔn)分頻比為：0niM?（1）f0式中：為晶振時(shí)鐘在一秒時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值。因?yàn)闇匮a(bǔ)晶振在短時(shí)間內(nèi)的頻率穩(wěn)定度ni很好，短時(shí)間內(nèi)使用晶振分頻得到的時(shí)鐘頻率隨機(jī)誤差很小。現(xiàn)連考察續(xù)晶振分頻得到的時(shí)鐘序列：，，，，，設(shè)觀測(cè)的第一個(gè)時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC）的偏差為，由TTT123Tn?t0于晶振時(shí)鐘頻差導(dǎo)致的每
