基于FPGA的GPS时钟驯服电路设计与实现

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1、基于FPGA的GPS时钟驯服电路设计与实现张磊，黄海生，张斌（西安邮电大学陕西西安710121）摘要：为满足系统对高精度时钟的要求，根据晶振时钟无随机误差和全球定位系统（GPS）时钟无累计误差的特点，提出了一种利用GPS秒时钟驯服晶振时钟来实现高精度时钟的方案。该方案根据数字锁相环倍频原理，通过测量GPS秒时钟和本地生成秒时钟的相位误差来调整电路分频比，实时消除晶振时钟的累计误差，从而实现高精度的系统时钟。经实际验证，该方法在使用16.369M温补晶振时，在GPS信号有效情况下输出时钟误差小于0.1ppm，GPS信号失效后1小时后误差小于0.3ppm。关键词：GPS秒时钟；时钟驯服；高精度时钟

2、；时间同步；现场可编程门阵列中图分类号:TN492文献标识码:ADesignandImplementationofGPSclocktamecircuitBasedonFPGAZHANGLei,HUANGHai-sheng,ZHANGBin(Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China)Abstract:Tomeettherequirementsofsystemforhighprecisionclock,Accordingtothecharacteristicsofcrystalclockwithoutrandomer

3、rorandtheglobalpositioningsystem(GPS)clocknoaccumulatederror,thispaperproposesaschemeofusingGPSsecondsignaltotamecrystaloscillatorclocktorealizehighprecisionclock.TheschemebasedontheprinciplesofdigitalPLLfrequencymultiplierbymeasuringthephaseerroroftheGPSsecondsclockwiththelocalclocktoadjusttheratio

4、oftheclockdividercircuit,real-timeeliminatingcrystalclockcumulativeerror,Soastorealizehighprecisionsystemclock.Verifiedbypractical,themethodintheuseof16.369MHZtemperature-compensationcrystaloscillator,undertheconditionofGPSsignalseffectivelytheoutputclockerrorislessthan0.1ppm,GPSsignalfailureafter1h

5、ouraftertheerrorislessthan0.3ppm.Keywords:GPSsecondclock;clocktame;high-accuracyclock;timesynchronization;field-programmablegatearray(FPGA)0引言GPS是一个全球卫星导航定位系统，可以为用户免费提供实时、高精度的时间信息。GPS的时间系统由具有高精度、高稳定度的原子钟组成。由地面控制系统的氢原子或铯原子钟向主运行钟提供时间与频率微调参数，使主运行钟保持极高的长期稳定性，精度可以达1215【1】到1010，没有累计误差。现代电力和通信系统等需要高精确的时钟

6、系统，时钟系统精度要求达到1s，甚至纳秒级别。如何简单、低成本的获取高精度时间系统尤为重要。电子系统一般使用晶振作为时钟源，经分频后作为系统时钟。晶振随着使用环境温度、电压的变化以及时间的推移，频率会有一定的偏移，但晶振频率短稳特性好，无随机误差。针对以上问题，结合GPS时钟无累积误差和晶振时钟无随机误差的特性，采用一种使用GPS时钟同步晶振时钟，实现高精度同步时钟的方法。此方法使用GPS时钟实时测量晶振时钟频率以及输出时钟相位，利用晶振频差和输出时钟相位差调节电路分频比，消除晶振时钟累积误差的同时与GPS时钟保持【1】【2】同步。1时钟误差分析1.1晶振秒时钟误差分析对温补晶振时钟进行分频

7、，可以得到系统需要的频率时钟。设晶振时钟频率为f，周期t。设系统需要的时钟频率为f，周期为T0。则标准分频比为：0niM（1）f0式中：为晶振时钟在一秒时间内的计数值。因为温补晶振在短时间内的频率稳定度ni很好，短时间内使用晶振分频得到的时钟频率随机误差很小。现连考察续晶振分频得到的时钟序列：，，，，，设观测的第一个时钟与标准时间（UTC）的偏差为，由TTT123Tnt0于晶振时钟频差导致的每