基于晶振頻率補償的高精度數字時鐘設計

姜峰

摘要：為解決晶體振蕩器頻率隱患問題，如長期頻漂過大問題，研究人員提出了一種使用GPS秒脈沖信號對晶振頻率進行自動校準的解決方案。通過對晶振頻率偏移進行補償，提高時鐘設計精度。本文根據上述方案對基于晶振頻率補償的高精度數字時鐘設計方案及其實現方法進行了分析探討，望能夠給相關人員提供一定的參考價值。

關鍵詞：GPS；晶振頻率；高精度；數字時鐘

隨著電子技術的不斷發展，在時頻器件方面，近年來國內外研究人員將研究重點轉移到了高精度時鐘的研究與設計方面，并在研究中廣泛應用微處理器、GPS定時校頻等技術，以期可以達到更高的設計精度。從某種程度上來說，一個時鐘的準確度主要取決于頻率源產生的秒脈沖情況，即其精確度是否達標。普通晶振頻率準確度在累積誤差方面具備較好的一致性，通過結合GPS接收機以及長短波接收機，可以進一步加強自身的比對校準程度，時鐘的準確度會得到大幅度提高。而通過以GPS秒脈沖為標準的頻率源，可以對晶振產生的秒脈沖起到自動修正作用，具有較大的應用意義。

1 數字時鐘的組成結構與運行方式

基于頻率補償的高精度數字時鐘主要是由GPS定時接收機、普通晶振、時鐘產生及校準電路、單片機數據算法處理模塊等基本組成結構為主。一般來說，GPS定時接收機在正式工作過程中，輸出1路TTL電平的標準秒脈沖信號，秒脈沖時間信息數據將會通過RS 232串口完成輸出動作，并由單片機完成讀取動作。其中，晶振屬于本地秒脈沖與相差測量之間產生的頻率源，待時鐘進行校準的過程中，本地原始秒脈沖及修正后會產生系列秒脈沖動作。在此過程中，相差測量電路會采用脈沖填充計數法，確定GPS秒脈沖與本地秒脈沖之間存在的差值大小，測量結果主要由單片機進行獲取[1]。

需要注意的是，單片機在處理過程中，主要利用最小二乘法對本地秒脈沖與GPS精確度進行合理修整，以滿足時鐘精確需求。除此之外，時鐘產生電路動作主要是由晶振分頻獲得。究其原因，主要是因為普通晶振標稱頻率與實際輸出頻率之間存在明顯誤差問題，并隨著時間進行累積。結合實踐經驗來看，普通晶振標稱頻率累積越多，穩定性效果并不會增加，反而會降低。為規避這一問題的影響，研究人員提出基于晶振頻率補償的高精度數字時鐘設計方案，目的在于解決普通晶振穩定性效果不佳的問題，以期進一步完善時鐘精確。

2 硬件電路設計方案

硬件電路模塊設計主要是以可編程邏輯器件為主要器件類型。其中，電路設計主要以本地時鐘產生與校準模塊、鑒相與相差技術模塊為主，在實際設計過程中，相關人員需要針對上述兩個模塊進行重點設計，具體如下：

2.1 時鐘產生與校準模塊

時鐘產生校準電路組成主要是由24位計數器、預置值寄存器以及比較器電路等基本模塊構成。待系統通電之后，復位信號會對24位計數器以及預置值寄存器實現清零動作，為下一步運行工作奠定基礎。實現清零動作之后，GPS秒脈沖會出現上升情況，在此過程中，我們可以將其上升值視為第一次同步信號，并進行計數、實行本地晶振計數[2]。

需要注意的是，如果24位計數器計數值與預置初始頻率值進行比較的過程中，出現明顯的不相等情況。此時，我們需要繼續實行計數操作，待數值穩定之后，即可獲得本地秒脈沖信號。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，建議相關人員可以利用單片機最小二乘法方式，確保補償后的頻率值科學、合理。

2.2 鑒相與相差技術電路

鑒相電路在實質層面上，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完成提取動作，一般多作為相差計數電路的主要信號方式。在實現鑒相與相差計數線路設計方案的過程中，我們可以利用3D鑒相器實現設計方案。所謂的3D鑒相器主要是由觸發器、選擇器為基本組成結構，并以GPS信號為主要信號形式。

在實際應用過程中，3D鑒相器多會以選擇器作為輸出端，根據晶振秒脈沖相位變化情況，確定相差信號計數情況。隨之，晶振秒脈沖會處罰中斷信號，待單片機響應之后，內部存在的相差數據會錄入到內存單元當中。此時，系統會向計數器發出指令，即清零信號。周而復始，等待下一個清零指令。

3 算法設計內容與應用

軟件設計所應用的器件，主要為單片機。本文所研究的單片機主要以P89C51單片機器件為主。結合上述內容可知，單片機在實際應用過程中，涉及到的主要算法為最小二乘算法。算法設計內容與應用具體如下：

單片機接收相差數據的過程中，往往會以預先設定的數值為標準。在此過程中，所獲得的數據需要結合一次線性數理統計方式完成計算分析過程中，得到的數值可以視為補償所需數值。待通過數據總線作用，我們可以將修正后的數值放入到儲存器當中，實現晶振秒脈沖信號的順利輸出。

在進行單片機算法流程的過程中，我們可以利用一次線性數理統計方式，實行“開始”操作，并將單片機數據進行初始化處理，設取數據數為n，并設取初始變量i=1。并在此基礎上，利用算法流程方式，確定實際送補償值。待確定好實際送補償值之后，我們可以進行相差數據算法處理工作，并總結與歸納具體修正結果。

4 相差數據算法處理與修正情況分析

表1是根據上述設計方案，利用單片機采集到的相差數據，僅供參考。

根據表格相差值內容，我們可以利用最小二乘算法進行計算處理。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際估算值，并且我們可以實際估算值，明確本地晶振產生的秒脈沖對于GPS秒脈沖的誤差影響、以及對GPS秒脈沖產生的頻偏問題等。在此基礎上，我們可以根據本地晶振補償前的標準頻率數值，明確與補償后之間的差距問題，目的在于進一步確保補償后的準確度。需要注意的是，晶振頻偏與標準頻率之間存在明顯的線性關聯性。

5結論

總而言之，通過利用GPS自動定時校頻，基本上實現了數字式頻率的高精度晶振時標要求。并在此基礎上，通過利用晶振頻率補償方法，能夠進一步提高普通晶振的準確度，并取得較好的補償效果。需要注意的是，守時性能情況主要取決于晶振穩定性能。針對于此，若想提高時鐘守時性能，設計人員必須采用更高穩定度的頻率標準，確保時鐘守時性能科學、合理。

參考文獻：

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

[2]藍波，胡修林.一種高精度系統時間同步方法[J].信息與控制，2011，40（3）：61？65.

（作者單位：中國電子科技集團公司第五十四研究所）