才瀅,崔保健,趙海鷹
(中國人民解放軍92493 部隊(duì)89 分隊(duì),遼寧 葫蘆島 125000)
GPS 全球定位系統(tǒng)與北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)在提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航信息的同時(shí)提供精確的時(shí)間信息,導(dǎo)航電文中即包含授時(shí)信息[1]。一般授時(shí)型接收機(jī)可提供同步于UTC 或者GPS 的秒脈沖信號(hào),例如M12T 型GPS 接收機(jī)、WGB12 北斗接收機(jī);該信號(hào)的授時(shí)準(zhǔn)確度優(yōu)于50 ns[2],通常在電力、通訊領(lǐng)域作為時(shí)間基準(zhǔn)使用。但在實(shí)際應(yīng)用中,衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)整、天線被干擾及GPS接收系統(tǒng)故障等因素都會(huì)造成衛(wèi)星失鎖或信號(hào)偏差,這時(shí)就需要本地時(shí)鐘同步于定位系統(tǒng)的授時(shí)信號(hào),當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)失鎖時(shí)依靠本地鐘授時(shí),衛(wèi)星信號(hào)恢復(fù)時(shí),重新同步[3-5]。本地時(shí)鐘的秒信號(hào)通常由本地晶振、銣鐘或者銫鐘經(jīng)過分頻得到,這種依靠簡單數(shù)字電路產(chǎn)生的信號(hào)的同步精度會(huì)受系統(tǒng)工作時(shí)鐘的限制,若系統(tǒng)時(shí)鐘10 MHz,其同步精度在100 ns 左右;而采用鎖相技術(shù)設(shè)計(jì)的同步電路雖然精度高,但電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜[6]。
本文提出一種基于精密時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、復(fù)雜可編程邏輯電路和硅延遲線技術(shù)的精密秒脈沖同步方法,同步精度可達(dá)0.25 ns,可在GPS 授時(shí)同步鐘項(xiàng)目中應(yīng)用。
GPS 和北斗定位系統(tǒng)輸出的1 PPS 或100 PPS 脈沖信號(hào)作為授時(shí)信號(hào),本地銣鐘或晶振的10 MHz 信號(hào)與該信號(hào)同步,GPS 接收機(jī)的秒脈沖信號(hào)作為分頻計(jì)數(shù)的開門信號(hào);在GPS 接收機(jī)的秒脈沖上升沿,分頻電路產(chǎn)生的1 PPS 秒信號(hào)觸發(fā)分頻計(jì)數(shù)器,對(duì)OCX 輸出信號(hào)10 MHz 進(jìn)行分頻,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)脈沖信號(hào)的同步。同步精度依賴于OCX 信號(hào)與GPS 信號(hào)的初始相位差,最大同步誤差取決于OCX 信號(hào)頻率;頻率越高,同步精度越高,10 MHz 同步精度最大誤差100 ns。若要實(shí)現(xiàn)1 ns 同步精度,就要求工作時(shí)鐘頻率高達(dá)1 GHz,在電路設(shè)計(jì)上難于實(shí)現(xiàn)。
鎖相環(huán)同步技術(shù)是將晶振的10 MHz 輸出信號(hào)經(jīng)過計(jì)數(shù)器分頻得到1PPS 信號(hào),該信號(hào)與GPS 輸出的1PPS 信號(hào)同時(shí)送入鑒相器;鑒相輸出電壓調(diào)整壓控振蕩器輸出信號(hào)頻率和相位,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)的同步,從而提高同步精度;但是,對(duì)1PPS 同步,要求鑒相器工作頻率較低,鑒相器鑒相和環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)較為困難[6]?;赥DC 和硅延遲線脈沖同步原理如圖1 所示。
圖1 基于TDC 和硅延遲線脈沖同步結(jié)構(gòu)框圖
一是分頻處理,用于對(duì)壓控晶振、銣鐘或銫鐘的10 MHz 信號(hào)分頻產(chǎn)生1PPS 信號(hào);二是同步觸發(fā)單元,在微處理器控制下,對(duì)技術(shù)分頻鏈清零,重新計(jì)數(shù)。
在微處理器控制下,TDC 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器件測量CPLD 分頻輸出的1PPS 信號(hào)與GPS 接收機(jī)輸出的1 PPS 信號(hào)的脈沖相位的時(shí)間間隔;該時(shí)間間隔在0 ~100 ns 之間;微處理器通過控制硅延遲線對(duì)分頻輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行退后或前移,從而實(shí)現(xiàn)脈沖同步,同步分辨率0.25 ns。
為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)脈沖序列的同步,必須測量兩脈沖序列的相位差。脈沖相位差可用兩個(gè)脈沖上升沿的時(shí)間差表示,通常采用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)這一功能??紤]小型化和技術(shù)成本的要求,本文采用德國ACAM 公司研發(fā)的時(shí)間間隔測量芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔的數(shù)字化測量。時(shí)間間隔測量芯片已在高精度激光測距儀、頻率和相位信號(hào)分析等多種領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,可提供兩通道250 ps 或單通道125 ps 分辨率的時(shí)間間隔測量;每個(gè)通道可采樣四次,測量范圍3 ns ~200 ms;通過軟件可對(duì)分辨率進(jìn)行精確性調(diào)節(jié),校正和控制時(shí)鐘的頻率在500 KHz ~350 MHz 之間。TQFP44 芯片封裝方式便于手持,工業(yè)溫度范圍40 ~85 ℃,工作電壓2.7 ~5.5 V,功耗較低。時(shí)間間隔測量原理如圖2 所示。
圖2 TDC 時(shí)間間隔測量原理
TDC 內(nèi)部包含兩個(gè)計(jì)數(shù)器,一個(gè)是整周期計(jì)數(shù)器,用來保存起始和停止信號(hào)之間內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)參考時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值CC,它是在起始信號(hào)到來后,參考脈沖第一個(gè)上升沿開始至停止脈沖到來后第一個(gè)參考脈沖的上升沿為止;FC1 是起始脈沖和之后第一個(gè)時(shí)鐘脈沖上升沿的計(jì)數(shù),F(xiàn)C2 是停止脈沖和之后第一個(gè)時(shí)鐘脈沖上升沿的計(jì)數(shù),Cal1 是一個(gè)參考脈沖的計(jì)數(shù),Cal2 是兩個(gè)參考脈沖的計(jì)數(shù)。
起始脈沖和停止脈沖的時(shí)間間隔ΔT 為
DS1023 是DALLAS 公司的8 位可編程延遲線,步進(jìn)調(diào)整分辨率0.25 ns,具有片上延時(shí)參考端,可以配置成延遲線、脈寬調(diào)制器或者自由振蕩器;采用并行或串行控制接口設(shè)計(jì),具有5V 和3.3V 供電方式,方便與微處理器接口,可以多個(gè)延遲線級(jí)聯(lián)使用;對(duì)脈沖寬度沒有要求,可以實(shí)現(xiàn)一周期和多周期延遲,可用于脈沖延遲、脈寬調(diào)制和設(shè)計(jì)振蕩器等。用微處理器控制DS1023 可以實(shí)現(xiàn)脈沖序列延遲時(shí)間的精確控制。
2.3.1 脈沖粗同步
在GPS 秒脈沖信號(hào)上升沿,微處理器響應(yīng)中斷,并將SYNC 信號(hào)置為低電平,啟動(dòng)分頻計(jì)數(shù)鏈對(duì)晶振輸出的10 MHz 信號(hào)進(jìn)行107 分頻,分頻輸出1PPS 脈沖信號(hào)與GPS 直接輸出的1PPS 脈沖的相位差為0 ~100 ns,由于以GPS 秒脈沖作為分頻鏈的觸發(fā)脈沖,所以晶振分頻輸出的秒脈沖只能滯后于GPS 秒脈沖,即同步精度為0 ~100 ns,可實(shí)現(xiàn)GPS 秒脈沖和晶振分頻秒脈沖的粗略同步。
2.3.2 脈沖精細(xì)同步
在兩個(gè)秒脈沖序列粗同步后,脈沖同步范圍在0 ~100 ns 之間,同步精度依賴于微處理器響應(yīng)速度和晶振的頻率,晶振頻率越高,同步精度越高。而延遲線只能將脈延遲推后,因此,粗同步分頻的分頻數(shù)為107-1,粗分頻脈沖比GPS 秒脈沖提前0 ~100 ns。由TDC 測量GPS 秒脈沖和OCX 分頻后秒脈沖的時(shí)間差,控制DS1023 延遲線延遲同樣時(shí)間,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)脈沖的精確同步;其同步準(zhǔn)確度依賴于TDC 測量準(zhǔn)確度和DS1023 的延遲調(diào)節(jié)步進(jìn)量,TDC 測量精度和DS1023延遲的最大分辨率均在0.1 ns。因此,這種方法可以實(shí)現(xiàn)亞納秒級(jí)的脈沖同步。
由于GPS 和晶振的頻率存在較大偏差,GPS 輸出1PPS 秒脈沖雖然具有20 ~30 ns 的抖動(dòng),但不存在漂移。晶振頻率準(zhǔn)確度較低,漂移較大,因此,隨著時(shí)間延長,GPS 輸出的1 PPS 和晶振分頻輸出1PPS 兩個(gè)信號(hào)的相位差會(huì)逐漸增大,甚至超過100 ns,達(dá)到微秒和毫秒量級(jí),僅通過DS1023 延遲線不能滿足要求。若通過延遲線級(jí)聯(lián),對(duì)于相位差較大的延遲需要的延遲芯片數(shù)量會(huì)大大增加硬件設(shè)計(jì)成本,而通過微處理器控制CPLD 增大和減小分頻計(jì)數(shù)鏈的系數(shù),可實(shí)現(xiàn)脈沖的任意時(shí)間間隔推后和前移,將脈沖相位差調(diào)整到DS1023 的控制范圍內(nèi),精細(xì)調(diào)整依靠DS1023 實(shí)現(xiàn)。寬范圍脈沖同步原理如圖3 所示。
圖3 寬范圍脈沖同步原理框圖
通常,若NORMAL 和SYNC 為同一分頻值,T0 時(shí)刻兩者同步。在START_ PULSE 上升沿,如果INC_DEC 為高電平,分頻技術(shù)鏈數(shù)值為正常分頻系數(shù)減1,T1 時(shí)刻分頻后脈沖較正常分頻脈沖前移一個(gè)時(shí)鐘周期;如果INC_ DEC 為低電平,分頻技術(shù)鏈數(shù)值為正常分頻系數(shù)加1,T2 時(shí)刻分頻后脈沖較正常分頻脈沖推后一個(gè)時(shí)鐘周期。CPLD 控制脈沖前移和推后軟件仿真結(jié)果如圖4 所示。GPS 馴服銣鐘設(shè)計(jì)中的GPS 秒脈沖和銣鐘分頻秒脈沖同步效果如圖5 所示。微處理器通過串口接收GPS 接收機(jī)的輸出信息,當(dāng)GPS 接收機(jī)鎖定衛(wèi)星后,微處理器發(fā)送同步信號(hào),實(shí)現(xiàn)GPS 秒脈沖信號(hào)與OCX分頻秒脈沖信號(hào)粗同步,同步精度大約70 ns;TDC 測量粗同步后的脈沖時(shí)間差,通過硅延遲線將OCX 分頻秒脈沖推后,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)脈沖的精確同步,同步精度0.5 ns。
圖4 CPLD 脈沖同步仿真結(jié)果
本文針對(duì)GPS 同步時(shí)鐘研究設(shè)計(jì)中的脈沖同步問題,提出了基于微處理器和TDC 實(shí)現(xiàn)脈沖相位精確測量及控制CPLD 器件和硅延遲線實(shí)現(xiàn)脈沖精確同步的方法。該方法具有同步范圍寬、穩(wěn)定性好、同步精度高的特點(diǎn),完全滿足GPS 同步時(shí)鐘設(shè)計(jì)要求,可以廣泛應(yīng)用于電力統(tǒng)、通信統(tǒng)、時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)和授時(shí)、守時(shí)及計(jì)量測試領(lǐng)域。
圖5 GPS 秒脈沖和銣鐘分頻秒脈同步效果
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