基于晶振頻率補償?shù)母呔葦?shù)字時鐘設(shè)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(shè)計精度。本文根據(jù)上述方案對基于晶振頻率補償?shù)母呔葦?shù)字時鐘設(shè)計方案及其實現(xiàn)方法進行了分析探討，望能夠給相關(guān)人員提供一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：GPS；晶振頻率；高精度；數(shù)字時鐘

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，在時頻器件方面，近年來國內(nèi)外研究人員將研究重點轉(zhuǎn)移到了高精度時鐘的研究與設(shè)計方面，并在研究中廣泛應(yīng)用微處理器、GPS定時校頻等技術(shù)，以期可以達到更高的設(shè)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(chǎn)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(jié)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(chǎn)生的秒脈沖起到自動修正作用，具有較大的應(yīng)用意義。

1 數(shù)字時鐘的組成結(jié)構(gòu)與運行方式

基于頻率補償?shù)母呔葦?shù)字時鐘主要是由GPS定時接收機、普通晶振、時鐘產(chǎn)生及校準電路、單片機數(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(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)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(jié)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(chǎn)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(jié)合實踐經(jīng)驗來看，普通晶振標稱頻率累積越多，穩(wěn)定性效果并不會增加，反而會降低。為規(guī)避這一問題的影響，研究人員提出基于晶振頻率補償?shù)母呔葦?shù)字時鐘設(shè)計方案，目的在于解決普通晶振穩(wěn)定性效果不佳的問題，以期進一步完善時鐘精確。

2 硬件電路設(shè)計方案

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

2.1 時鐘產(chǎn)生與校準模塊

時鐘產(chǎn)生校準電路組成主要是由24位計數(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)位信號會對24位計數(shù)器以及預(yù)置值寄存器實現(xiàn)清零動作，為下一步運行工作奠定基礎(chǔ)。實現(xiàn)清零動作之后，GPS秒脈沖會出現(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，并進行計數(shù)、實行本地晶振計數(shù)[2]。

需要注意的是，如果24位計數(shù)器計數(shù)值與預(yù)置初始頻率值進行比較的過程中，出現(xiàn)明顯的不相等情況。此時，我們需要繼續(xù)實行計數(shù)操作，待數(shù)值穩(wěn)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(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最小二乘法方式，確保補償后的頻率值科學(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完成提取動作，一般多作為相差計數(shù)電路的主要信號方式。在實現(xiàn)鑒相與相差計數(shù)線路設(shè)計方案的過程中，我們可以利用3D鑒相器實現(xiàn)設(shè)計方案。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信號為主要信號形式。

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

3 算法設(shè)計內(nèi)容與應(yīng)用

軟件設(shè)計所應(yīng)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(jié)合上述內(nèi)容可知，單片機在實際應(yīng)用過程中，涉及到的主要算法為最小二乘算法。算法設(shè)計內(nèi)容與應(yīng)用具體如下：

單片機接收相差數(shù)據(jù)的過程中，往往會以預(yù)先設(shè)定的數(shù)值為標準。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)計方式完成計算分析過程中，得到的數(shù)值可以視為補償所需數(shù)值。待通過數(shù)據(jù)總線作用，我們可以將修正后的數(shù)值放入到儲存器當中，實現(xiàn)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(shù)理統(tǒng)計方式，實行“開始”操作，并將單片機數(shù)據(jù)進行初始化處理，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(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)計方案，利用單片機采集到的相差數(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(chǎn)生的秒脈沖對于GPS秒脈沖的誤差影響、以及對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)本地晶振補償前的標準頻率數(shù)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(guān)聯(lián)性。

5結(jié)論

總而言之，通過利用GPS自動定時校頻，基本上實現(xiàn)了數(shù)字式頻率的高精度晶振時標要求。并在此基礎(chǔ)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(wěn)定性能。針對于此，若想提高時鐘守時性能，設(shè)計人員必須采用更高穩(wěn)定度的頻率標準，確保時鐘守時性能科學(xué)、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(xué)報，2012，32（10）：160-167.

[2]藍波，胡修林.一種高精度系統(tǒng)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）