姜峰

摘要：為解決晶體振蕩器頻率隱患問題，如長(zhǎng)期頻漂過大問題，研究人員提出了一種使用GPS秒脈沖信號(hào)對(duì)晶振頻率進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)的解決方案。通過對(duì)晶振頻率偏移進(jìn)行補(bǔ)償，提高時(shí)鐘設(shè)計(jì)精度。本文根據(jù)上述方案對(duì)基于晶振頻率補(bǔ)償?shù)母呔葦?shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)方案及其實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析探討，望能夠給相關(guān)人員提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：GPS；晶振頻率；高精度；數(shù)字時(shí)鐘

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，在時(shí)頻器件方面，近年來國內(nèi)外研究人員將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了高精度時(shí)鐘的研究與設(shè)計(jì)方面，并在研究中廣泛應(yīng)用微處理器、GPS定時(shí)校頻等技術(shù)，以期可以達(dá)到更高的設(shè)計(jì)精度。從某種程度上來說，一個(gè)時(shí)鐘的準(zhǔn)確度主要取決于頻率源產(chǎn)生的秒脈沖情況，即其精確度是否達(dá)標(biāo)。普通晶振頻率準(zhǔn)確度在累積誤差方面具備較好的一致性，通過結(jié)合GPS接收機(jī)以及長(zhǎng)短波接收機(jī)，可以進(jìn)一步加強(qiáng)自身的比對(duì)校準(zhǔn)程度，時(shí)鐘的準(zhǔn)確度會(huì)得到大幅度提高。而通過以GPS秒脈沖為標(biāo)準(zhǔn)的頻率源，可以對(duì)晶振產(chǎn)生的秒脈沖起到自動(dòng)修正作用，具有較大的應(yīng)用意義。

1 數(shù)字時(shí)鐘的組成結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式

基于頻率補(bǔ)償?shù)母呔葦?shù)字時(shí)鐘主要是由GPS定時(shí)接收機(jī)、普通晶振、時(shí)鐘產(chǎn)生及校準(zhǔn)電路、單片機(jī)數(shù)據(jù)算法處理模塊等基本組成結(jié)構(gòu)為主。一般來說，GPS定時(shí)接收機(jī)在正式工作過程中，輸出1路TTL電平的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)，秒脈沖時(shí)間信息數(shù)據(jù)將會(huì)通過RS 232串口完成輸出動(dòng)作，并由單片機(jī)完成讀取動(dòng)作。其中，晶振屬于本地秒脈沖與相差測(cè)量之間產(chǎn)生的頻率源，待時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)的過程中，本地原始秒脈沖及修正后會(huì)產(chǎn)生系列秒脈沖動(dòng)作。在此過程中，相差測(cè)量電路會(huì)采用脈沖填充計(jì)數(shù)法，確定GPS秒脈沖與本地秒脈沖之間存在的差值大小，測(cè)量結(jié)果主要由單片機(jī)進(jìn)行獲取[1]。

需要注意的是，單片機(jī)在處理過程中，主要利用最小二乘法對(duì)本地秒脈沖與GPS精確度進(jìn)行合理修整，以滿足時(shí)鐘精確需求。除此之外，時(shí)鐘產(chǎn)生電路動(dòng)作主要是由晶振分頻獲得。究其原因，主要是因?yàn)槠胀ňд駱?biāo)稱頻率與實(shí)際輸出頻率之間存在明顯誤差問題，并隨著時(shí)間進(jìn)行累積。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，普通晶振標(biāo)稱頻率累積越多，穩(wěn)定性效果并不會(huì)增加，反而會(huì)降低。為規(guī)避這一問題的影響，研究人員提出基于晶振頻率補(bǔ)償?shù)母呔葦?shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)方案，目的在于解決普通晶振穩(wěn)定性效果不佳的問題，以期進(jìn)一步完善時(shí)鐘精確。

2 硬件電路設(shè)計(jì)方案

硬件電路模塊設(shè)計(jì)主要是以可編程邏輯器件為主要器件類型。其中，電路設(shè)計(jì)主要以本地時(shí)鐘產(chǎn)生與校準(zhǔn)模塊、鑒相與相差技術(shù)模塊為主，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)人員需要針對(duì)上述兩個(gè)模塊進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，具體如下：

2.1 時(shí)鐘產(chǎn)生與校準(zhǔn)模塊

時(shí)鐘產(chǎn)生校準(zhǔn)電路組成主要是由24位計(jì)數(shù)器、預(yù)置值寄存器以及比較器電路等基本模塊構(gòu)成。待系統(tǒng)通電之后，復(fù)位信號(hào)會(huì)對(duì)24位計(jì)數(shù)器以及預(yù)置值寄存器實(shí)現(xiàn)清零動(dòng)作，為下一步運(yùn)行工作奠定基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)清零動(dòng)作之后，GPS秒脈沖會(huì)出現(xiàn)上升情況，在此過程中，我們可以將其上升值視為第一次同步信號(hào)，并進(jìn)行計(jì)數(shù)、實(shí)行本地晶振計(jì)數(shù)[2]。

需要注意的是，如果24位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值與預(yù)置初始頻率值進(jìn)行比較的過程中，出現(xiàn)明顯的不相等情況。此時(shí)，我們需要繼續(xù)實(shí)行計(jì)數(shù)操作，待數(shù)值穩(wěn)定之后，即可獲得本地秒脈沖信號(hào)。但是需要注意的是，介于晶振自身存在明顯的漂移問題，本地產(chǎn)生的秒脈沖難以回避與GPS秒脈沖存在的隱患問題，如相位差問題。為解決這一問題，建議相關(guān)人員可以利用單片機(jī)最小二乘法方式，確保補(bǔ)償后的頻率值科學(xué)、合理。

2.2 鑒相與相差技術(shù)電路

鑒相電路在實(shí)質(zhì)層面上，主要是通過GPS秒脈沖和晶振秒脈沖之間存在的相位差信號(hào)完成提取動(dòng)作，一般多作為相差計(jì)數(shù)電路的主要信號(hào)方式。在實(shí)現(xiàn)鑒相與相差計(jì)數(shù)線路設(shè)計(jì)方案的過程中，我們可以利用3D鑒相器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。所謂的3D鑒相器主要是由觸發(fā)器、選擇器為基本組成結(jié)構(gòu)，并以GPS信號(hào)為主要信號(hào)形式。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，3D鑒相器多會(huì)以選擇器作為輸出端，根據(jù)晶振秒脈沖相位變化情況，確定相差信號(hào)計(jì)數(shù)情況。隨之，晶振秒脈沖會(huì)處罰中斷信號(hào)，待單片機(jī)響應(yīng)之后，內(nèi)部存在的相差數(shù)據(jù)會(huì)錄入到內(nèi)存單元當(dāng)中。此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向計(jì)數(shù)器發(fā)出指令，即清零信號(hào)。周而復(fù)始，等待下一個(gè)清零指令。

3 算法設(shè)計(jì)內(nèi)容與應(yīng)用

軟件設(shè)計(jì)所應(yīng)用的器件，主要為單片機(jī)。本文所研究的單片機(jī)主要以P89C51單片機(jī)器件為主。結(jié)合上述內(nèi)容可知，單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中，涉及到的主要算法為最小二乘算法。算法設(shè)計(jì)內(nèi)容與應(yīng)用具體如下：

單片機(jī)接收相差數(shù)據(jù)的過程中，往往會(huì)以預(yù)先設(shè)定的數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)。在此過程中，所獲得的數(shù)據(jù)需要結(jié)合一次線性數(shù)理統(tǒng)計(jì)方式完成計(jì)算分析過程中，得到的數(shù)值可以視為補(bǔ)償所需數(shù)值。待通過數(shù)據(jù)總線作用，我們可以將修正后的數(shù)值放入到儲(chǔ)存器當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)晶振秒脈沖信號(hào)的順利輸出。

在進(jìn)行單片機(jī)算法流程的過程中，我們可以利用一次線性數(shù)理統(tǒng)計(jì)方式，實(shí)行“開始”操作，并將單片機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理，設(shè)取數(shù)據(jù)數(shù)為n，并設(shè)取初始變量i=1。并在此基礎(chǔ)上，利用算法流程方式，確定實(shí)際送補(bǔ)償值。待確定好實(shí)際送補(bǔ)償值之后，我們可以進(jìn)行相差數(shù)據(jù)算法處理工作，并總結(jié)與歸納具體修正結(jié)果。

4 相差數(shù)據(jù)算法處理與修正情況分析

表1是根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，利用單片機(jī)采集到的相差數(shù)據(jù)，僅供參考。

根據(jù)表格相差值內(nèi)容，我們可以利用最小二乘算法進(jìn)行計(jì)算處理。一般來說，利用一元回歸方程的最小二乘算法基本上可以確定實(shí)際估算值，并且我們可以實(shí)際估算值，明確本地晶振產(chǎn)生的秒脈沖對(duì)于GPS秒脈沖的誤差影響、以及對(duì)GPS秒脈沖產(chǎn)生的頻偏問題等。在此基礎(chǔ)上，我們可以根據(jù)本地晶振補(bǔ)償前的標(biāo)準(zhǔn)頻率數(shù)值，明確與補(bǔ)償后之間的差距問題，目的在于進(jìn)一步確保補(bǔ)償后的準(zhǔn)確度。需要注意的是，晶振頻偏與標(biāo)準(zhǔn)頻率之間存在明顯的線性關(guān)聯(lián)性。

5結(jié)論

總而言之，通過利用GPS自動(dòng)定時(shí)校頻，基本上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式頻率的高精度晶振時(shí)標(biāo)要求。并在此基礎(chǔ)上，通過利用晶振頻率補(bǔ)償方法，能夠進(jìn)一步提高普通晶振的準(zhǔn)確度，并取得較好的補(bǔ)償效果。需要注意的是，守時(shí)性能情況主要取決于晶振穩(wěn)定性能。針對(duì)于此，若想提高時(shí)鐘守時(shí)性能，設(shè)計(jì)人員必須采用更高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)，確保時(shí)鐘守時(shí)性能科學(xué)、合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]張斌，張東來.基于 GPS的高精度時(shí)鐘在線校頻與授時(shí)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（10）：160-167.

[2]藍(lán)波，胡修林.一種高精度系統(tǒng)時(shí)間同步方法[J].信息與控制，2011，40（3）：61？65.

（作者單位：中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所）