基于晶振频率补偿的高精度数字时钟设计-论文

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

（西北核技术研究所，陕西西安

摘

煜

710024）

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 03

Designofhighprecisiondigitalclockbasedoncrystaloscillatorcompensation

（NorthwestInstituteofNuclearTechnology，Xi’an710024，China）

LIEr peng，WENKai zhang，WANGYu

Abstract：Toresolvethelongtermexistingproblemoflongdriftdistanceofcrystaloscillatorfrequency，amethodofpro ducinglocalhigh accuracyclockbyautomaticallydetectingandcorrectingthecrystaloscillatorpulsebymeansofGPSsecondpulseonlineisputforward.Accordingtothismeans，aCPLDandMCUbaseddigitalclocksystemwithintelligentauto calibra tionandphasedifferencemeasurementmodule，aswellasdesignrealizationofthesoftwarefordataacquisitionandthecrystaloscillatorerrorcompensationareintroduced.Thesystemhastheactualapplicationvalueinthesiteofneedinghigh accuracytimedisplay.

Keywords：GPS；crystaloscillatorclock；regressionanalysis；CPLD

tionwasdesigned.Thecompositionofthehardwarecircuitsofclockproductionandemendationmodule，andphasediscrimina

0引言1数字时钟组成原理

基于频率补偿的高精度数字时钟由GPS定时接收

随着电子技术的飞速发展，国内外已大量地把FPGA/CPLD器件、微处理器、GPS定时校频等技术应用于高精度时钟的研究与设计[1 2]。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标等设备产生的秒脉冲具有很高的频率准确度，但其造价昂贵；普通晶振的准确度虽然只有10-5左右，但因其累积误差具有良好的一致性[3]，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，准确度会得到显著提高[4 5]。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，采用回归分析法对晶振累积误差数据进行数理统计[6]，并对其秒脉冲在线自动修正，设计了一种易于实现、成本低廉且具有自校准功能的数字时钟系统。

收稿日期：2014 04 06

机、普通晶振、鉴相及相差测量电路、时钟产生及校准电路、单片机数据算法处理模块等组成。系统组成如图1

所示。

图1频率补偿高精度数字时钟组成原理

冲（1PPS），秒脉冲的时间信息数据通过RS232串口输

GPS定时接收机每秒输出1路TTL电平的标准秒脉

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始秒脉冲及修正后秒脉冲。鉴相电路产生本地晶振和

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