基于晶振频率补偿的高精度数字时钟设计

姜峰

摘要：为解决晶体振荡器频率隐患问题，如长期频漂过大问题，研究人员提出了一种使用GPS秒脉冲信号对晶振频率进行自动校准的解决方案。通过对晶振频率偏移进行补偿，提高时钟设计精度。本文根据上述方案对基于晶振频率补偿的高精度数字时钟设计方案及其实现方法进行了分析探讨，望能够给相关人员提供一定的参考价值。

关键词：GPS；晶振频率；高精度；数字时钟

随着电子技术的不断发展，在时频器件方面，近年来国内外研究人员将研究重点转移到了高精度时钟的研究与设计方面，并在研究中广泛应用微处理器、GPS定时校频等技术，以期可以达到更高的设计精度。从某种程度上来说，一个时钟的准确度主要取决于频率源产生的秒脉冲情况，即其精确度是否达标。普通晶振频率准确度在累积误差方面具备较好的一致性，通过结合GPS接收机以及长短波接收机，可以进一步加强自身的比对校准程度，时钟的准确度会得到大幅度提高。而通过以GPS秒脉冲为标准的频率源，可以对晶振产生的秒脉冲起到自动修正作用，具有較大的应用意义。

1 数字时钟的组成结构与运行方式

基于频率补偿的高精度数字时钟主要是由GPS定时接收机、普通晶振、时钟产生及校准电路、单片机数据算法处理模块等基本组成结构为主。一般来说，GPS定时接收机在正式工作过程中，输出1路TTL电平的标准秒脉冲信号，秒脉冲时间信息数据将会通过RS 232串口完成输出动作，并由单片机完成读取动作。其中，晶振属于本地秒脉冲与相差测量之间产生的频率源，待时钟进行校准的过程中，本地原始秒脉冲及修正后会产生系列秒脉冲动作。在此过程中，相差测量电路会采用脉冲填充计数法，确定GPS秒脉冲与本地秒脉冲之间存在的差值大小，测量结果主要由单片机进行获取[1]。

需要注意的是，单片机在处理过程中，主要利用最小二乘法对本地秒脉冲与GPS精确度进行合理修整，以满足时钟精确需求。除此之外，时钟产生电路动作主要是由晶振分频获得。究其原因，主要是因为普通晶振标称频率与实际输出频率之间存在明显误差问题，并随着时间进行累积。结合实践经验来看，普通晶振标称频率累积越多，稳定性效果并不会增加，反而会降低。为规避这一问题的影响，研究人员提出基于晶振频率补偿的高精度数字时钟设计方案，目的在于解决普通晶振稳定性效果不佳的问题，以期进一步完善时钟精确。

2 硬件电路设计方案

硬件电路模块设计主要是以可编程逻辑器件为主要器件类型。其中，电路设计主要以本地时钟产生与校准模块、鉴相与相差技术模块为主，在实际设计过程中，相关人员需要针对上述两个模块进行重点设计，具体如下：

2.1 时钟产生与校准模块

时钟产生校准电路组成主要是由24位计数器、预置值寄存器以及比较器电路等基本模块构成。待系统通电之后，复位信号会对24位计数器以及预置值寄存器实现清零动作，为下一步运行工作奠定基础。实现清零动作之后，GPS秒脉冲会出现上升情况，在此过程中，我们可以将其上升值视为第一次同步信号，并进行计数、实行本地晶振计数[2]。

需要注意的是，如果24位计数器计数值与预置初始频率值进行比较的过程中，出现明显的不相等情况。此时，我们需要继续实行计数操作，待数值稳定之后，即可获得本地秒脉冲信号。但是需要注意的是，介于晶振自身存在明显的漂移问题，本地产生的秒脉冲难以回避与GPS秒脉冲存在的隐患问题，如相位差问题。为解决这一问题，建议相关人员可以利用单片机最小二乘法方式，确保补偿后的频率值科学、合理。

2.2 鉴相与相差技术电路

鉴相电路在实质层面上，主要是通过GPS秒脉冲和晶振秒脉冲之间存在的相位差信号完成提取动作，一般多作为相差计数电路的主要信号方式。在实现鉴相与相差计数线路设计方案的过程中，我们可以利用3D鉴相器实现设计方案。所谓的3D鉴相器主要是由触发器、选择器为基本组成结构，并以GPS信号为主要信号形式。

在实际应用过程中，3D鉴相器多会以选择器作为输出端，根据晶振秒脉冲相位变化情况，确定相差信号计数情况。随之，晶振秒脉冲会处罚中断信号，待单片机响应之后，内部存在的相差数据会录入到内存单元当中。此时，系统会向计数器发出指令，即清零信号。周而复始，等待下一个清零指令。

3 算法设计内容与应用

软件设计所应用的器件，主要为单片机。本文所研究的单片机主要以P89C51单片机器件为主。结合上述内容可知，单片机在实际应用过程中，涉及到的主要算法为最小二乘算法。算法设计内容与应用具体如下：

单片机接收相差数据的过程中，往往会以预先设定的数值为标准。在此过程中，所获得的数据需要结合一次线性数理统计方式完成计算分析过程中，得到的数值可以视为补偿所需数值。待通过数据总线作用，我们可以将修正后的数值放入到储存器当中，实现晶振秒脉冲信号的顺利输出。

在进行单片机算法流程的过程中，我们可以利用一次线性数理统计方式，实行“开始”操作，并将单片机数据进行初始化处理，设取数据数为n，并设取初始变量i=1。并在此基础上，利用算法流程方式，确定实际送补偿值。待确定好实际送补偿值之后，我们可以进行相差数据算法处理工作，并总结与归纳具体修正结果。

4 相差数据算法处理与修正情况分析

表1是根据上述设计方案，利用单片机采集到的相差数据，仅供参考。

根据表格相差值内容，我们可以利用最小二乘算法进行计算处理。一般来说，利用一元回归方程的最小二乘算法基本上可以确定实际估算值，并且我们可以实际估算值，明确本地晶振产生的秒脉冲对于GPS秒脉冲的误差影响、以及对GPS秒脉冲产生的频偏问题等。在此基础上，我们可以根据本地晶振补偿前的标准频率数值，明确与补偿后之间的差距问题，目的在于进一步确保补偿后的准确度。需要注意的是，晶振频偏与标准频率之间存在明显的线性关联性。

5结论

总而言之，通过利用GPS自动定时校频，基本上实现了数字式频率的高精度晶振时标要求。并在此基础上，通过利用晶振频率补偿方法，能够进一步提高普通晶振的准确度，并取得较好的补偿效果。需要注意的是，守时性能情况主要取决于晶振稳定性能。针对于此，若想提高时钟守时性能，设计人员必须采用更高稳定度的频率标准，确保时钟守时性能科学、合理。

参考文献：

[1]张斌，张东来.基于 GPS的高精度时钟在线校频与授时研究[J].中国电机工程学报，2012，32（10）：160-167.

[2]蓝波，胡修林.一种高精度系统时间同步方法[J].信息与控制，2011，40（3）：61？65.

（作者单位：中国电子科技集团公司第五十四研究所）