基于晶振频率补偿的高精度数字时钟设计-论文.pdf

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1、2014年10月1日现代电子技术Oct.2014第37卷第19期ModernElectronicsTechniqueVol.37No.19102基于晶振频率补偿的高精度数字时钟设计李二鹏，文开章，王煜（西北核技术研究所，陕西西安710024）摘要：为解决普通晶振频率长期漂移量较大的问题，提出了一种用GPS秒脉冲对晶振脉冲在线自动测量及修正，从而产生本地高精度时钟的方法，据此设计了一种基于单片机和CPLD的智能自校准数字时钟系统。介绍了时钟产生及校准模块、鉴相及相差测量模块等硬件电路组成和数据采集、晶振误差补偿算法实现等软件设计。该系统在

2、需要较高精度时间显示的场所具有实际应用价值。关键词：GPS；晶振时钟；回归分析；CPLD中图分类号：TN78⁃34；TP202文献标识码：A文章编号：1004⁃373X（2014）19⁃0102⁃03DesignofhighprecisiondigitalclockbasedoncrystaloscillatorcompensationLIEr⁃peng，WENKai⁃zhang，WANGYu（NorthwestInstituteofNuclearTechnology，Xi’an710024，China）Abstract：Toresol

3、vethelongtermexistingproblemoflongdriftdistanceofcrystaloscillatorfrequency，amethodofpro⁃ducinglocalhigh⁃accuracyclockbyautomaticallydetectingandcorrectingthecrystaloscillatorpulsebymeansofGPSsecondpulseonlineisputforward.Accordingtothismeans，aCPLDandMCUbaseddigitalclock

4、systemwithintelligentauto⁃calibra⁃tionwasdesigned.Thecompositionofthehardwarecircuitsofclockproductionandemendationmodule，andphasediscrimina⁃tionandphasedifferencemeasurementmodule，aswellasdesignrealizationofthesoftwarefordataacquisitionandthecrystaloscillatorerrorcompen

5、sationareintroduced.Thesystemhastheactualapplicationvalueinthesiteofneedinghigh⁃accuracytimedisplay.Keywords：GPS；crystaloscillatorclock；regressionanalysis；CPLD0引言1数字时钟组成原理随着电子技术的飞速发展，国内外已大量地把FPGA/基于频率补偿的高精度数字时钟由GPS定时接收CPLD器件、微处理器、GPS定时校频等技术应用于高精机、普通晶振、鉴相及相差测量电路、时钟产生及校准电[

6、1⁃2]路、单片机数据算法处理模块等组成。系统组成如图1度时钟的研究与设计。一个时钟的准确与否主要取决产生秒脉冲的频率源准确度。高稳晶振和铷原子频所示。标等设备产生的秒脉冲具有很高的频率准确度，但其造-5价昂贵；普通晶振的准确度虽然只有10左右，但因其[3]累积误差具有良好的一致性，通过定时校频设备（长、短波接收机和GPS接收机）对其进行比对校准后，准确[4⁃5]度会得到显著提高。GPS高精度授时技术因其技术指标较高和造价较低被广泛应用。本文以GPS秒脉冲作为标准频率源，对晶振产生的秒脉冲进行比对测量，采用回图1频率补偿高精度数字时钟组

7、成原理[6]归分析法对晶振累积误差数据进行数理统计，并对其GPS定时接收机每秒输出1路TTL电平的标准秒脉秒脉冲在线自动修正，设计了一种易于实现、成本低廉冲（1PPS），秒脉冲的时间信息数据通过RS232串口输且具有自校准功能的数字时钟系统。出（TTL电平），由单片机读取。晶振是本地秒脉冲产生和相差测量的频率源，时钟产生及校准电路产生本地原收稿日期：2014⁃04⁃06始秒脉冲及修正后秒脉冲。鉴相电路产生本地晶振和第19期李二鹏，等：基于晶振频率补偿的高精度数字时钟设计103GPS秒脉冲相位差，相差测量电路采用脉冲填充计数法示波器观测到

8、的波形。Ch1通道为GPS接收机输入的[7]测量GPS秒脉冲与本地秒脉冲相位的差值，测量结果秒脉冲，Ch2通道为晶振产生的秒脉冲波形，Ch3通道为由单片机读取。单片机采用最小二乘法计算出相差修数据传输中断请