張 磊，黃海生，張 斌

（西安郵電大學(xué) 陜西 西安 710121）

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）

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16.369 M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0.1 ppm，GPS信號(hào)失效后1小時(shí)后誤差小于0.3 ppm。

GPS秒時(shí)鐘；時(shí)鐘馴服；高精度時(shí)鐘；時(shí)間同步；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列

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)到 10-12～10-15，沒(méi)有累計(jì)誤差[1]。

現(xiàn)代電力和通信系統(tǒng)等需要高精確的時(shí)鐘系統(tǒng)，時(shí)鐘系統(tǒng)精度要求達(dá)到 ，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)鐘保持同步[1-2]。

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，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f0，周期為T(mén)0。則標(biāo)準(zhǔn)分頻比為：

式中：ni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：T1，T2，T3，…，Tn，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 ▽t0，由于晶振時(shí)鐘頻差導(dǎo)致的每周期時(shí)鐘偏差為為 ▽t1，對(duì)應(yīng)每個(gè)時(shí)鐘的誤差是τ1，τ2，τ3，…，τn。則有：

有（2）式可知，分頻時(shí)鐘在開(kāi)始時(shí)誤差較小，隨著時(shí)間的推移，即 i值較大時(shí)，誤差不斷積累，誤差顯著增大。

此外，由于分頻比可能是無(wú)限小數(shù)，系統(tǒng)分頻不可能做到準(zhǔn)確無(wú)誤，分頻比有一定的截?cái)嗾`差，也會(huì)給輸出時(shí)鐘增加誤差。

1.2 GPS秒時(shí)鐘誤差分析

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。并由地面控制系統(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)到10-12～10-15，沒(méi)有累計(jì)誤差。

由于GPS信號(hào)受電離層延遲誤差，對(duì)流層延遲誤差，多徑效應(yīng)和接收機(jī)噪聲的影響，接收機(jī)在正常工作時(shí)恢復(fù)出來(lái)的秒時(shí)鐘信號(hào)也存在一定的誤差，秒時(shí)鐘誤差服從正太分布，表現(xiàn)為恢復(fù)出的GPS秒信號(hào)相對(duì)于UTC時(shí)鐘脈沖有左右漂移。設(shè)GPS接收機(jī)恢復(fù)出的秒時(shí)鐘與UTC時(shí)鐘誤差為ε，ε為隨機(jī)誤差且服從正太，取樣數(shù)N，有：

對(duì)于不同型號(hào)的接收機(jī)，對(duì)應(yīng)的σ取值不同，一般在100 ns以內(nèi)，如星際通GP5MX1513F1GPS為50 ns。

觀察n個(gè)GPS秒時(shí)鐘序列T1，T2，T3，…，Tn，假設(shè)每個(gè)秒時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的隨機(jī)誤差為 ε1，ε2，ε3，…，εn，UTC秒時(shí)鐘T0，有：

則有隨機(jī)誤差的平均值為：

由以上分析知GPS秒時(shí)鐘有一定的隨機(jī)誤差，誤差隨不同型號(hào)接收機(jī)變化大小不一；但時(shí)鐘長(zhǎng)時(shí)間的累積誤差趨于零，即GPS秒時(shí)鐘沒(méi)有累計(jì)誤差，可以將它作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘馴服晶振時(shí)鐘來(lái)生成高精度系統(tǒng)時(shí)鐘。

2 高精度時(shí)鐘馴服原理

由于晶振時(shí)鐘短期穩(wěn)定性好，隨機(jī)誤差較小，而GPS秒時(shí)鐘沒(méi)累計(jì)誤差較小，所以使用GPS秒時(shí)鐘馴服晶振時(shí)鐘，消除晶振時(shí)鐘累積誤差。對(duì)晶振時(shí)鐘馴服有兩種方法：一種是將晶振時(shí)鐘誤差轉(zhuǎn)化為晶振對(duì)應(yīng)的電壓調(diào)節(jié)量，直接對(duì)晶振工作電壓進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)晶振震蕩時(shí)鐘周期，使晶振時(shí)鐘趨于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，這種方法優(yōu)點(diǎn)是可以得到精確地晶振時(shí)鐘，缺點(diǎn)是技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)；一種是將晶振時(shí)鐘誤差轉(zhuǎn)化為時(shí)鐘分頻調(diào)節(jié)量，對(duì)分頻電路的分頻比進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到高精確的分頻時(shí)鐘，這種方法優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是需要更高頻的晶振[3]。本文采用第二種方法，根據(jù)數(shù)字鎖相環(huán)原理，以GPS秒時(shí)鐘為基準(zhǔn)，通過(guò)GPS秒時(shí)鐘馴服晶振時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需要的高精度時(shí)鐘。

2.1 數(shù)字鎖相環(huán)原理

數(shù)字鎖相環(huán)的主要功能是使得輸出信號(hào)和輸入信號(hào)相位保持一個(gè)固定的關(guān)系，鎖相環(huán)一旦進(jìn)入鎖定狀態(tài)，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)相位關(guān)系基本保持不變，只有很小的抖動(dòng)誤差，而沒(méi)有頻率誤差[4]。本文基于這一原理實(shí)現(xiàn)高精度同步時(shí)鐘，既能消除晶振時(shí)鐘引起的累積誤差，同時(shí)保持了較小的隨機(jī)誤差。

圖1 數(shù)字鎖相環(huán)原理框圖Fig.1 Principle block diagram of digital PLL

2.1.1 相位比較電路

相位比較電路工作時(shí)鐘為fclk，即系統(tǒng)晶振時(shí)鐘。相位比較電路測(cè)量GPS接收機(jī)1PPS信號(hào)和本地晶振分頻得到的PPS信號(hào)的相位關(guān)系，輸出兩者相位差值。接收機(jī)1PPS信號(hào)對(duì)于電路是一個(gè)異步信號(hào)，電路需要找出它的上升沿時(shí)刻，產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖，窄脈沖同步于電路晶振時(shí)鐘，窄脈沖的上升沿對(duì)應(yīng)1PPS信號(hào)的起始時(shí)刻，在窄脈沖的上升沿處檢測(cè)PPS信號(hào)的相位值。

2.1.2 濾波電路

由于GPS接收機(jī)輸出的1PPS信號(hào)有隨機(jī)誤差，表現(xiàn)為1PPS信號(hào)上升沿相對(duì)于UTC時(shí)間有一定的抖動(dòng)性，所以以1PPS信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)得到的相位誤差值會(huì)受到影響，將原本1PPS信號(hào)的隨機(jī)誤差帶入到測(cè)量的相位誤差中，需要對(duì)得到的相位誤差進(jìn)行濾波處理。由1.2節(jié)GPS秒時(shí)鐘誤差分析知GPS秒時(shí)鐘誤差為隨機(jī)誤差，可以通過(guò)多次觀察取平均值的方法濾除隨機(jī)誤差[1，5]。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，此方法簡(jiǎn)單有效，可以有效濾除GPS秒時(shí)鐘隨機(jī)誤差對(duì)相位誤差的影響。

2.1.3 分頻電路

分頻電路對(duì)本地晶振時(shí)鐘進(jìn)行分頻，產(chǎn)生系統(tǒng)需要的高精度時(shí)鐘。分頻電路是一個(gè)分頻可控的小數(shù)分頻器，分頻比需要根據(jù)經(jīng)過(guò)濾波電路輸出不斷調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)消除晶振時(shí)鐘誤差。

圖2 小數(shù)分頻原理框圖Fig.2 Principle block diagram of decimal frequency divider

數(shù)字電路中不能直接實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻，實(shí)際中是通過(guò)兩個(gè)整數(shù)分頻電路實(shí)現(xiàn)?？刂破骺刂苾蓚€(gè)分頻器，同一時(shí)刻只能有一個(gè)分頻器工作，由控制器決定[6]。

設(shè)分頻器1分頻比為分頻比的整數(shù)部分M，分頻器2分頻比為M+1?？刂破鞯年P(guān)鍵是如何控制分頻器1和分頻器2的分頻次數(shù)，從而在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)是電路的平均分頻比等于需要的小數(shù)分頻比。設(shè)一段時(shí)間內(nèi)，分頻器1分頻N1次，分頻器2分頻N2次，則這段時(shí)間內(nèi)平均分頻比為

N1，N2取不同值時(shí)上式取值范圍[M，M+1] ，理論上可以實(shí)現(xiàn)M值M+1間任意小數(shù)分頻比。考慮到數(shù)字電路特點(diǎn)，在工程實(shí)現(xiàn)當(dāng)中，將以上等式轉(zhuǎn)化為

實(shí)現(xiàn)時(shí)i的取值不可能無(wú)限大，需根據(jù)系統(tǒng)允許的時(shí)鐘誤差值進(jìn)行截取。

2.1.4 分頻電路控制電路

有分頻器原理分析知，分頻電路有兩個(gè)分頻器F1和 F2，分頻比分別為M和M+1。分頻控制器的作用是產(chǎn)生控制信號(hào)，控制兩個(gè)分頻器的工作時(shí)間比例，使輸出時(shí)鐘在一段時(shí)間內(nèi)的平均等效頻率趨近于設(shè)置的時(shí)鐘頻率。

圖3 分頻控制器原理圖Fig.3 Principle block diagram of frequency division controller

控制器是一個(gè)串行加法器，累加器位數(shù)由分頻比的小數(shù)位決定。累加器輸入值α1，α2，α3，…，αn的初始值為式（8）中的系數(shù)，考慮晶振頻差范圍和鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差，只有前幾位系數(shù)可調(diào)，其他系數(shù)固定不變。電路正常工作時(shí)會(huì)依據(jù)鑒相結(jié)果進(jìn)行小幅度調(diào)整。如果式（8）中的系數(shù)無(wú)窮或位數(shù)太大，需進(jìn)行截?cái)嗳∩??？刂破鬏敵鲆晃豢刂菩盘?hào)sel，sel為高時(shí)選擇分頻器F2，為低時(shí)選擇分頻器F1。所以sel信號(hào)的占空比最終確定了分頻電路的等效小數(shù)分頻系數(shù)。

2.2 時(shí)鐘誤差分析及處理

2.2.1 輸出時(shí)鐘抖動(dòng)性分析

通過(guò)以上方法，既可以消除晶振時(shí)鐘的累積誤差，同時(shí)通過(guò)濾波電路減小了GPS秒時(shí)鐘隨機(jī)誤差對(duì)輸出時(shí)鐘的影響。

由于小數(shù)分頻電路的具體結(jié)構(gòu)，決定了以這種分頻電路產(chǎn)生的分頻時(shí)鐘具有一定的抖動(dòng)性[6]。對(duì)（8）式對(duì)應(yīng)的控制器，分析他的固有抖動(dòng)，令：

則分頻器周期為：

一個(gè)分頻周期內(nèi)分頻器產(chǎn)生信號(hào)的抖動(dòng)量為：

L[t]為控制器的控制信號(hào)，t0為晶振時(shí)鐘的周期。則信號(hào)的抖動(dòng)峰峰值為：

一個(gè)分頻周期中的不同時(shí)刻，輸出信號(hào)的抖動(dòng)值都不同，每一個(gè)抖動(dòng)值在一個(gè)周期內(nèi)只出現(xiàn)一次，所以抖動(dòng)頻率為 1/T。

2.2.2 高精度時(shí)鐘誤差分析

晶振時(shí)鐘頻率誤差和GPS秒時(shí)鐘對(duì)高精度時(shí)鐘的影響前面已經(jīng)分析，數(shù)字鎖相環(huán)電路能夠?qū)ζ溥M(jìn)行補(bǔ)償及平滑濾波處理。這里主要討論由于分頻電路小數(shù)部分截?cái)嗾`差對(duì)輸出時(shí)鐘的影響。當(dāng)小數(shù)分頻比位數(shù)進(jìn)行截?cái)嗵幚砗螅敵鰰r(shí)鐘會(huì)在一個(gè)分頻周期內(nèi)有微小的頻率誤差。輸出時(shí)鐘再經(jīng)過(guò)分頻生成PPS時(shí)鐘信號(hào)，與1PPS信號(hào)鑒頻處理。輸出時(shí)鐘微小的頻率差會(huì)體現(xiàn)為PPS信號(hào)與1PPS信號(hào)的相位誤差，相位誤差經(jīng)濾波處理后，分頻控制器會(huì)依據(jù)結(jié)果在下一個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)分頻比的小數(shù)部分補(bǔ)償，如此循環(huán)，結(jié)果表現(xiàn)為增加了輸出時(shí)鐘的抖動(dòng)性，但不會(huì)有累計(jì)頻率誤差。

3 時(shí)鐘馴服系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 接收機(jī)工作狀態(tài)確定

由于衛(wèi)星信號(hào)可能受到各種不確定性因素的干擾，接收機(jī)工作狀態(tài)可能會(huì)從正常狀態(tài)進(jìn)入不正常狀態(tài)。接收機(jī)在不正常狀態(tài)下，輸出的秒時(shí)鐘會(huì)有累積誤差，此時(shí)時(shí)鐘信號(hào)不可用；在正常工作狀態(tài)下，輸出的秒時(shí)鐘累計(jì)誤差趨于零，只有很小的隨機(jī)誤差，此時(shí)時(shí)鐘可用。所以系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)對(duì)接手機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)接收機(jī)的不同工作狀態(tài)調(diào)整時(shí)鐘馴服電路。本文采用解析接收機(jī)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的方式評(píng)估接收機(jī)工作狀態(tài)。協(xié)議解析電路實(shí)時(shí)解析0183導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并檢測(cè)其中的定位模式位及數(shù)據(jù)有效位，如果定位模式為差分定位或自主定位且數(shù)據(jù)有效，認(rèn)為接收機(jī)正常工作，否則認(rèn)為接收機(jī)工作異常。

3.2 高精度同步時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)原理

實(shí)現(xiàn)時(shí)，考慮到晶振頻差的范圍，電路增加了晶振頻率檢測(cè)模塊，即對(duì)鎖相環(huán)電路引入頻率輔助電路，這樣做好處是減小鎖相環(huán)帶寬，即提高輸出時(shí)鐘的穩(wěn)定性又?jǐn)U大了電路允許的晶振時(shí)鐘誤差范圍[4]。系統(tǒng)開(kāi)始后，等待晶振時(shí)鐘穩(wěn)定后，頻率測(cè)量電路會(huì)在GPS秒時(shí)鐘有效后連續(xù)256 s檢測(cè)晶振頻率，測(cè)量結(jié)果經(jīng)平均濾波后作為晶振實(shí)際頻率值，并對(duì)分頻控制電路中的小數(shù)分頻微調(diào)寄存器賦值。這樣可以有效避免因?yàn)榫д耦l率偏差較大導(dǎo)致鎖相環(huán)長(zhǎng)時(shí)間未進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

時(shí)鐘同步后，接收機(jī)工作正常時(shí)，根據(jù)本文提出的數(shù)字鎖相環(huán)原理可以產(chǎn)生高精度的同步時(shí)鐘。若接收機(jī)工作中衛(wèi)星信號(hào)丟失，電路會(huì)保持最后一次分頻比。

根據(jù)以上原理，本文設(shè)計(jì)完成了一個(gè)GPS高精度同步時(shí)鐘電路，硬件原理如圖4所示。

圖4 GPS時(shí)鐘馴服實(shí)現(xiàn)原理框圖Fig.4 Principle block diagram of GPS clock taming

GPS接收接開(kāi)始工作后，協(xié)議解析模塊開(kāi)始解析航數(shù)據(jù)，確定接收機(jī)的工作狀況。當(dāng)接收機(jī)捕獲到4可以上衛(wèi)星并輸出有效時(shí)間信息后，馴服電路開(kāi)始工作，輸出經(jīng)過(guò)馴服的時(shí)鐘。

4 實(shí)際測(cè)試

依據(jù)以上原理設(shè)計(jì)電路，并對(duì)經(jīng)過(guò)馴服的時(shí)鐘進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證測(cè)量。實(shí)現(xiàn)中接收機(jī)采用星際通GP5MX1513F1GPS，自主定位精度小于2 m，其妙時(shí)鐘隨機(jī)誤差符合均值為0的正態(tài)分布，σ=20 ns 。晶振采用RAKON16.369M溫補(bǔ)晶振，頻率準(zhǔn)確度1 PPM，頻率穩(wěn)定度0.5 PPM。輸出32.768 K頻率時(shí)鐘。使用quartusII軟件自帶邏輯分析儀對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行觀察。圖中CLK_32K信號(hào)為32.768 K輸出時(shí)鐘，PPS信號(hào)是CLK_32K時(shí)鐘分頻后得到的本地秒信號(hào)，PPS_1 Hz為衛(wèi)星接收機(jī)輸出的衛(wèi)星秒時(shí)鐘信號(hào)。valid信號(hào)為接收機(jī)時(shí)間信號(hào)是否有效的指示信號(hào)，為高表示信號(hào)有效，否則無(wú)效。采樣時(shí)鐘為16.369 M系統(tǒng)工作時(shí)鐘，以衛(wèi)星秒時(shí)鐘PPS_1 Hz上升沿作為觸發(fā)時(shí)刻。

從圖5中知，系統(tǒng)輸出時(shí)鐘CLK_32K、本地秒信號(hào)PPS與衛(wèi)星秒時(shí)鐘PPS_1 Hz上升沿的對(duì)齊，即衛(wèi)星信號(hào)有效時(shí)，本地秒時(shí)鐘與衛(wèi)星秒時(shí)鐘同步，誤差在61個(gè)納秒以內(nèi)（一個(gè)16.369M時(shí)鐘周期）。

圖6實(shí)驗(yàn)是將衛(wèi)星秒時(shí)鐘分成兩路，在系統(tǒng)完成時(shí)間馴服后在FPGA內(nèi)部強(qiáng)制給鎖相環(huán)的衛(wèi)星指示信號(hào)valid拉低，使馴服電路進(jìn)入保持狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一小時(shí)后的電路工作情況。

圖5 衛(wèi)星信號(hào)有效時(shí)信號(hào)時(shí)間關(guān)系Fig.5 Clock time relationship when satellite signals is valid

經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，GPS信號(hào)失效一小時(shí)后最大誤差在3個(gè)16.369M時(shí)鐘周期內(nèi)。通過(guò)本文設(shè)計(jì)的時(shí)鐘馴服電路，很好的消除了晶振的累積誤差并保持與衛(wèi)星秒時(shí)鐘的同步性。

圖6 衛(wèi)星信號(hào)無(wú)效時(shí)信號(hào)時(shí)間關(guān)系Fig.6 Clock time relationship when satellite signals is invalid

5 結(jié)束語(yǔ)

文中根據(jù)GPS秒時(shí)鐘隨機(jī)誤差和溫補(bǔ)晶振時(shí)鐘累計(jì)誤差互補(bǔ)的特性，依據(jù)數(shù)字鎖相環(huán)原理，在FPGA中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種使用GPS秒時(shí)鐘測(cè)量溫補(bǔ)晶振頻率，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘的馴服電路。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該設(shè)計(jì)產(chǎn)生高精度時(shí)鐘不僅穩(wěn)定度好，同步性高，而且實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單。在GPS接收機(jī)失效后仍能較長(zhǎng)時(shí)間的保持時(shí)鐘的穩(wěn)定性和同步性，能夠很好地滿足同步系統(tǒng)的要求。

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Design and implementation of GPS clock tame circuit based on FPGA

ZHANG Lei，HUANG Hai-sheng，ZHANG Bin
（Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi'an 710121，China ）

To meet the requirements of system for higsh precision clock，according to the characteristics of crystal clock without random error and the global positioning system（GPS）clock no accumulated error，this paper proposes a scheme of using GPS second signal to tame crystal oscillator clock to realize high precision clock.The scheme based on the principles of digital PLL frequency multiplier by measuring the phase error of the GPS seconds clock with the local clock to adjust the ratio of the clock divider circuit，real-time eliminating crystal clock cumulative error，So as to realize high precision system clock.Verified by practical，the method in the use of 16.369MHz temperature-compensation crystal oscillator，under the condition of GPS signals effectively the output clock error is less than 0.1ppm，GPS signal failure after 1 hour after the error is less than 0.3ppm.

GPS second clock；clock tame；high-accuracy clock；time synchronization；Field-Programmable Gate Array（FPGA）

TN492

A

1674-6236（2014）11-0061-04

2014-02-17 稿件編號(hào)：201402076

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃戰(zhàn)略基金資助項(xiàng)目（2012KTCQ01-06）；陜西省教育廳服務(wù)地方專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目（2013JC10）

張 磊（1987—），男，陜西咸陽(yáng)人，碩士研究生。研究方向：專(zhuān)用集成電路與系統(tǒng)集成。