CN103699001A - 利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时方法及***，***包括GPS接收机、MCU单片机、CPLD或FPGA、恒温晶体振荡器；所述MCU单片机连接GPS接收机获取GPS的信息，当发现GPS接收机收到卫星达到至少4颗时就可以确定所述GPS接收机输出的1PPS信号有效；所述CPLD或FPGA接收GPS接收机的1PPS信号，并以此为标准信号，对恒温晶体振荡器的频率进行统计，当统计到规定阀值时将统计结果发送到MCU单片机；所述MCU单片机根据所述统计结果进行一元非线性回归方程式计算，计算出需要调整的数据，通过MCU单片机输出控制电压给恒温晶体振荡器的频率调整电压脚，使恒温晶体振荡器的精度锁定在GPS的原子钟上，实现低成本高精度记时。

Description

利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时方法及***

技术领域

本发明涉及电子设备记时领域，尤其涉及一种低成本高精度的记时方法及***。 

背景技术

现有晶振时钟信号的随机误差较小, 但存在较大的累计误差。而GPS 接收机输出的秒脉冲信号存在较大的随机误差, 但不存在累计误差。晶振有着不同使用要求及特点，通常分为以下几类：普通晶振、温补晶振、压控晶振、恒温晶振等。精确度的等级普通晶振最差，恒温晶振最高，达 

、

等。随着无线通信领域的快速发展，如电信方面的微波拉远设备等方案，、

的精度已经不能满足要求，早期工程师用铷钟来解决，铷钟的精度达 以上，但是该方案成本比较贵，人民币达1万人民币甚至几万人民币以上，而恒温晶振的成本为几百元人民币的成本。 

发明内容

本发明根据GPS 时钟信号与恒温晶振时钟信号精度互补的特点, 估计出GPS 时钟随机误差的统计方差和恒温晶振的累计误差; 对恒温晶振时钟进行实时修正, 产生高精度时钟, 并预测了修正后的时钟精度。提供了一种利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时方法及***。 

一种利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时方法，包括步骤 

1、***通电，完成初始化设置，MCU单片机连接GPS接收机获取GPS的信息，当发现GPS接收机收到卫星达到至少4颗时就可以确定所述GPS接收机输出的1PPS信号有效；

2、通过复杂可编程逻辑器件（即CPLD）或现场可编程门阵列器（即FPGA）接收GPS接收机的1PPS信号，并以此为标准信号，对恒温晶体振荡器（即OCXO）的频率进行统计，当统计到规定阀值时将统计结果发送到MCU单片机，比如规定阀值为1000次或2000次；

3、MCU单片机根据所述统计结果进行一元非线性回归方程式计算，计算出需要调整的数据，通过MCU单片机输出控制电压给恒温晶体振荡器的频率调整电压脚，使恒温晶体振荡器的精度锁定在GPS的原子钟上，实现高精度记时，精度在以上。

所述步骤3还包括通过MCU单片机输出控制信号与GPS接收机通信，确保GPS接收机输出的1PPS信号是锁定到GPS的原子钟上，精度为

，通过MCU单片机与复杂可编程逻辑器件的运算，得出高精度的1PPS输出。 

所述记时方法还包括如下步骤： 

在GPS接收机提供正常的频率信号的时候，每隔2小时记住每次调整的2个值PWM1,PWM2;当GPS数据丢失后, 计算公式如下：

  T=2*60/( PWM2 – PWM1)

可以得出多少分钟后PWM的变化情况，通过PWM的调整来控制恒温晶体振荡器的老化率变化，使其高精度输出，直到GPS数据重新被MCU单片机检测到，又交回GPS驯服时钟控制。

本发明还提供一种利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时***，包括GPS接收机、MCU单片机、复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、恒温晶体振荡器；所述MCU单片机分别连接GPS接收机、复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、恒温晶体振荡器，所述GPS接收机依次连接复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、恒温晶体振荡器； 

所述MCU单片机连接GPS接收机获取GPS的信息，当发现GPS接收机收到卫星达到至少4颗时就可以确定所述GPS接收机输出的1PPS信号有效；

所述复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器接收GPS接收机的1PPS信号，并以此为标准信号，对恒温晶体振荡器的频率进行统计，当统计到规定阀值时将统计结果发送到MCU单片机；

所述MCU单片机根据所述统计结果进行一元非线性回归方程式计算，计算出需要调整的数据，通过MCU单片机输出控制电压给恒温晶体振荡器的频率调整电压脚，使恒温晶体振荡器的精度锁定在GPS的原子钟上，实现高精度记时。

本发明利用恒温晶振（OCXO）、普通单片机或MCU单片机、CPLD/FPGA等器件，配合GPS或者北斗等时钟***，用最简单、最低成本的方法，把、量级的恒温晶振（OCXO）驯服成高精度输出，直接锁定到GPS的原子钟上，精度可达

以上，同时解决了晶振自身存在的问题：老化率，因为恒温晶振锁定到原子钟上，晶振的老化率将得以控制，频率不会随着晶振的通电时间长而发生变化。 

本发明的方法和记时***运行成本低，通过科学合理的***设计，提供高精度时钟信号输出，精度可在

以上，已成功地应用于电力***暂态变化过程的异地同步记录。 

  

附图说明

图1是本发明实施例提供的利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时***结构示意图。 

图2是本发明实施例提供的记时方法部分流程示意图; 

图3是本发明实施例中精确度为10.0000005的一个OCXO晶振示意表。 

  

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。 

如图1所示，本发明实施例提供的一种利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时***，包括GPS接收机、MCU单片机、复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、恒温晶体振荡器；所述MCU单片机分别连接GPS接收机、复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、恒温晶体振荡器，所述GPS接收机依次连接复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、恒温晶体振荡器；本发明的记时方法运用在本发明***中。 

***通电后，所述MCU单片机连接GPS接收机获取GPS的信息，MCU单片机等待恒温晶体振荡器（OCXO）温度稳定并查询GPS接收机是否提供有效的1PPS信号；当发现GPS接收机收到卫星达到至少4颗时就可以确定所述GPS接收机输出的1PPS信号有效； 

如图2所示，所述复杂可编程逻辑器件（即CPLD）或现场可编程门阵列器（即FPGA）接收GPS接收机的1PPS信号，并以此为标准信号，对恒温晶体振荡器（OCXO）的频率进行统计，当统计到规定阀值时将统计结果发送到MCU单片机；比如规定阀值为1000次或2000次；

所述MCU单片机根据所述统计结果进行一元非线性回归方程式计算，计算出需要调整的数据，利用一元二次回归数学模型迅速调整10MHz的OCXO输出频率,以及CPLD或FPGA的1PPS的输出频率，通过MCU单片机的PWM/DA脚输出控制电压给恒温晶体振荡器的频率调整电压脚，使恒温晶体振荡器的精度锁定在GPS的原子钟上，实现高精度记时，精度可在

以上。同时通过MCU单片机输出控制信号给GPS接收机，使GPS接收机输出的1PPS信号精度在

以上。

具体算法说明如下： 

假如一个标称f0=10000000M的晶振，用安捷伦的53220A频率计数器测试的频率为f1=10000000.11000，精确度为

(f0 - f1)/ f0=(10000000-10000000.11)/10000000= -1.1E-08（

）

从以上公式看出，理想精度是

，但是因为无论是MCU单片机还是CPLD/FPGA, 小数点后面的数据均不能处理，所以f1的频率在MCU单片机和CPLD/FPGA运算里面为10000000（小数点读不出来），实际计算如下：

(f0 - f1)/ f0=(10000000-10000000)/10000000= -0E-07（

）

只能是

精度，那么现有技术要做到，唯一的办法可以倍频，因为高频对硬件要求比较高，违背了本发明提倡的低成本的方案，所以此倍频方法不可以采用。

本发明在现有方法上做了改进，比如我们有一个OCXO晶振的精确度为10.0000005，从图3我们可以看到： 

1秒钟CPLD计的频率为10000000，小数点后面的数据被去掉；

2秒钟分开计CPLD的频率为20000000（10000000+10000000）小数点后面的数据被去掉；

假设一个晶振的频率用示波器测试出来每秒钟的频率是10000000.5000Hz，因为CPLD只能计整数部分，那么将丢失小数部分，如果延长了计数周期到2秒，那么CPLD将计数为

F= f1+f2=10000000.5000+10000000.5000=2000001;假设计数周期为100秒：

F= f1+f2+。。。+f100=10000000.5000+10000000.5000+。。。+10000000.5000=1000000050;

以此类推，当连续1000秒的测试，那么CPLD的计数为10 000 000 500，这些数据能被CPLD以及MCU单片机处理，从而可以通过一元二次回归方程式算出需要的PWM/DA的值，通过调整OCXO的压控电压使其精度达到本发明想要的值。 

本发明方案的做法是利用1000秒来消除GPS的抖动，找到OCXO的频率漂移特性，通过MCU单片机与CPLD/FPGA的计算，找到一条符合本晶振的控制规律，使OCXO的精度锁定到GPS上，解决了铷钟、原子钟的带来的高成本问题。 

在GPS 接收机中, 输出秒时钟与UCT 存在一定的误差ε。考察某一秒时间序列, 第x 个秒时钟的时间误差εx，εx服从正态分布: 

εx～ N (0, б²)                  (1)

不同档次的GPS 接收机, б 数值大小不同。

  由于高精度晶振的随机误差远小于GPS 秒时钟的随机误差(如稳定度为10- 9的晶振分频产生的秒时钟随机误差小于1 n s) , 因此不考虑晶振秒时钟的随机误差。仅考虑晶振的频率偏差及频率的线性漂移, 由晶振分频产生秒时间序列的第x 个秒时钟的时间误差μ(x ) 可以表示为: 

μ(x ) = a + bx + cx²                (2)

式中: a 为秒时间序列的初始误差; b 为考虑频率偏差的误差系数; c 为考虑频率线性漂移的误差系数。

  由式(1) 和式(2) 得晶振分频秒时钟(简称晶振秒时钟) 与GPS 秒时钟之间的偏差为: 

YX=a+bx+c x²+ε_X   （x ∈ n  ）           (3)

晶振秒时钟与GPS 秒时钟的偏差是可以测量的, 设测量结果序列Y 表示为:Y 1, Y 2, ……, Y x , ……,Y n。由Y的时间序列按式(3) 所示的一元二次回归分析模型估计出回归系数a, b, c, 则晶振输出的第x 个秒时钟与UCT 之间的误差估计值μ(x ) 为:

μ (x ) = a+ bx + cx²                                             (4)

根据误差估计值μ(x ) 对晶振的频率进行补偿, 得到高精度的晶振频率以及产生高精度时钟。

本发明的记时方法还包括OCXO失锁后的精度以及守时保持步骤： 

众所周知，晶振的频率除了会随温度的变化而变化之外，还会随着时间的老化而变化。本方法是因为OCXO的频率是锁定到GPS的秒信号上的，以GPS的1PPS作为时钟参考源，通过PWM方式调整频率的变化，可以说不存在老化的问题，但是当GPS数据丢失后，1PPS时钟参考源也将丢失，驯服将失去意义，那么OCXO将随老化率自由振荡，为了保证GPS时钟信号继续提供高精度的频率信号，在GPS提供正常的频率信号的时候每隔2小时记住每次调整的2个值PWM1,PWM2;当GPS数据丢失后, 计算公式如下：

  T=2*60/( PWM2 – PWM1);

可以得出多少分钟后PWM的变化，通过PWM的调整来控制OCXO的老化率变化，使其高精度输出，直到GPS重新被MCU单片机检测到，又交回GPS驯服时钟控制。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时方法，包括步骤

一、***通电，完成初始化设置，MCU单片机连接GPS接收机获取GPS的信息，当发现GPS接收机收到卫星达到至少4颗时就可以确定所述GPS接收机输出的1PPS信号有效；

二、通过复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器接收GPS接收机的1PPS信号，并以此为标准信号，对恒温晶体振荡器的频率进行统计，当统计到规定阀值时将统计结果发送到MCU单片机；

三、MCU单片机根据所述统计结果进行一元非线性回归方程式计算，计算出需要调整的数据，通过MCU单片机输出控制电压给恒温晶体振荡器的频率调整电压脚，使恒温晶体振荡器的精度锁定在GPS的原子钟上，实现高精度记时。

2.根据权利要求1所述记时方法，其特征在于，所述步骤三还包括

通过MCU单片机输出控制信号与GPS接收机通信，确保GPS接收机输出的1PPS信号是锁定到GPS的原子钟上，精度为                                                

，通过MCU单片机与复杂可编程逻辑器件的运算，得出高精度的1PPS输出。

3.根据权利要求1所述记时方法，其特征在于，还包括如下步骤：

在GPS接收机提供正常的频率信号的时候，每隔2小时记住每次调整的2个值PWM1,PWM2;当GPS数据丢失后, 计算公式如下：

    T=2*60/( PWM2 – PWM1)

可以得出多少分钟后PWM的变化情况，通过PWM的调整来控制恒温晶体振荡器的老化率变化，使其高精度输出，直到GPS数据重新被MCU单片机检测到，又交回GPS驯服时钟控制。

4.根据权利要求1所述记时方法，其特征在于，所述步骤二中的规定阀值为1000次或2000次。

5.一种利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时***，其特征在于，包括GPS接收机、MCU单片机、复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、恒温晶体振荡器；所述MCU单片机分别连接GPS接收机、复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、恒温晶体振荡器，所述GPS接收机依次连接复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、恒温晶体振荡器；

所述MCU单片机连接GPS接收机获取GPS的信息，当发现GPS接收机收到卫星达到至少4颗时就可以确定所述GPS接收机输出的1PPS信号有效；

所述复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器接收GPS接收机的1PPS信号，并以此为标准信号，对恒温晶体振荡器的频率进行统计，当统计到规定阀值时将统计结果发送到MCU单片机；

所述MCU单片机根据所述统计结果进行一元非线性回归方程式计算，计算出需要调整的数据，通过MCU单片机输出控制电压给恒温晶体振荡器的频率调整电压脚，使恒温晶体振荡器的精度锁定在GPS的原子钟上，实现高精度记时。

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