基于GPS校准晶振的高精度时钟的设计

基于GPS校准晶振的高精度时钟的设计
摘要：文章结合高精度晶振无随机误差和GPS秒时钟无累计误差的特点，采用GPS测量监控技术，对高精度晶体振荡器的输出频率进行精密测量和调节，使晶振的输出频率同步在GPS系统上，从而提供高精度的时钟信号。

根据此方法研制了具有高性价比的高精度时钟发生装置，并成功的应用
于通信系统中。

0 引言
本文结合GPS的长期稳定性校准晶振频率，采用GPS测量监控技术，对晶体振荡器的输出频率进行精密测量和调节，使晶振的输出频率同步在GPS系统上，提供高精度的时间频率基准信号。

1 高精度GPS校准晶振时钟设计中应注意的问题
GPS秒脉冲的高精度是统计意义下的，对一个具体的秒脉冲，其偏
差可能达到200ns，另外，GPS接收机短期失锁、卫星试验、电磁干扰等因素，都可能造成秒脉冲的失真，如果直接使用GPS的秒脉冲信号来校准时钟，。

三峡大学毕业论文基于GPS的标准时钟设计姓名：郭诗灿专业：光信息科学与技术指导老师：郑胜2010146167摘要近几年来，随着科学技术的进步和时代的发展，人们对时间精度提出了越来越高的要求，特别是在国防、科研及电力、铁道、交通、航海等方面，所以，研制高精度的标准时钟系统已越来越重要。

全球定位系统（GPS）标准时钟的应用也越来越广泛，人们正在探索利用它卓越的时间同步性能开发电力系统监测、保护和控制的各种新方法。

本论文阐释了GPS 全球定位系统及其授时原理，研究了GPS 标准时钟系统的结构，并结合目前的市场需求及实际应用研究并设计一种GPS 标准时钟系统。

本论文所研究的GPS 标准时钟系统主要包括GPS 接收机模块，GPS 天线以及核心控制系统。

其中，GPS 接收机采用了高性能的GPS OEM 板，而核心控制系统是这个系统设计的核心部分，包括硬件系统和软件系统。

它实现了通过串口对GPS 时间信息的提取、在点阵液晶显示屏上显示时间信息及特定参数、通过串口将时间信息转换成约定的格式输出、利用可编程逻辑阵列并结合单片机产生1PPM 和1PPH 信号、测量市交流电的工频频率以及周波时钟等功能。

经过实验证明，本文所设计的GPS 标准时钟系统在秒脉冲、分钟脉冲以及小时脉冲的输出精度，将时间信息进行扩展输出，电磁兼容性，稳定性等方面都达到了设计任务要求的性能指标。

该GPS 标准时间扩展时钟系统广泛应用于电力系统，大、中、小型计算机网络系统，数据采集系统，环境监控系统，铁路系统，交能系统，广播电视系统，以及其他需要精准标准时钟的民用和军用领域。

关键词：GPS，标准时钟，周波时钟AbstractIn recent years, with the scientific and technological progress and the development of the times, people have time to the accuracy of the growing demands, particularly in national defense, scientific research and electricity, railway, transport, navigation and soon, so the development of high-precision Standard clock system has become increasingly important. Global Positioning System (GPS) Application of the standard clock more and more widespread, people are exploring the use of its excellent time synchronization of the development of the power system monitoring, protection and control of the various new methods.This paper explained the GPS global positioning system and its delegate at the principle, the standard clock on the GPS system structure, combined with current market demand and practical application of research and design a GPS clock synchronization system. The research paper by the expansion of GPS synchronized time clock system includes GPS receiver module, GPS antenna and the core control system. Which, GPS receivers used a high-performance GPS OEM board, and the core of this control system is the core of the system design, including hardware and software systems. It achieved a time through the serial port on the GPS information from the dot-matrix LCD display information and time-specific parameters, time information through the serial port will be converted to the format of the output agreement, the use of programmable logic arrays combined with single -Machine-generated 1 PPM and 1 PPH signal, AC measurement of the city and the frequent rate cycle clock, and other functions.After that experiment, the paper designed to expand the GPS time synchronization system clock pulse in the second, minute and hour pulse of the pulse output accuracy and time information to expand output, electromagnetic compatibility, stability and so on up to the design requirements of the mandate Performance indicators. The expansion of GPS standard time clock system widely used in power systems, large, medium and small computer network systems, data acquisition system, environmental control system, the railway system, will pay systems, radio and television broadcasting systems, and other needs of the civilian precision clock synchronization and Military fields.Key words: GPS, synchronous clock, the clock cycle1 绪论1.1 课题背景全球定位系统GPS(Global Position System)是一个基于卫星技术的全天候、被动式无线电导航、定位、授时系统。

基于GPS的精确对钟系统的设计及实现[摘要]在很多工业自动化现场以及教学、生产中需要对单个模块或整个系统实现精确对钟至毫秒甚至微妙。

文中提出了一种基于GPS的IRIG-B格式对钟方案，软硬件实现成本低，对钟精度高达1微秒，可靠性高，EMC性能优越，且具有很强的功能扩展能力。

【关键词】GPS；IRIG-B；PPS；单片机；对钟前言在电力系统自动化、工业自动化现场以及教学、生产等很多情况下需要对某个模块甚至整个系统实现精确对钟，时钟精度要求达到至毫秒甚至微妙，特别是系统内的相对时间要求一致。

本文提出了基于ROCKWELL公司JUPITER GPS接收模块（以下简称GPS 模块），单片机解释模块定位信息并把时间数据调整转换成北京时间的IRIG-B格式，与GPS模块的PPS（PULSE PERCENT SECOND，秒脉冲）信号高度同步向系统内模块对钟的方案。

这样可同时输出精确的IRIG-B格式、PPS信号和RS232/485串行通讯对钟信号，实现高精度、高可靠性、多方式的系统对钟；可根据要求灵活设置对准卫星的数量，能够很好的适应各种不同场合的要求。

对系统软件稍加改造，可以增加导航、定位功能。

1、系统硬件实现架构该系统硬件实现主要由U1、U1两大功能单元组成，如图1所示。

其中U1为核心单元，包括GPS模块、89C52单片机、双UART、精确触发电路、RS232/485多协议接口电路等，实现从GPS信号接收到信号解调、信息格式变换、时间信息调整、精确的IRIG-B信号的产生以及PPS信号驱动输出功能，还能够通过RS232/485等各种通信方式对其他模块对钟。

U2是外部扩展单元，主要实现对U1输出的IRIG-B、PPS对钟信号光电隔离、驱动、电平转换。

为方便实际应用，可以设计为插件板，通过自定义标准总线与核心单元连接，能够很方便的扩展输出任意路数有源、无源（空接点）对钟信号。

U1中由GPS模块、GPS有源天线、5V电源以及后备电池等组成信号接收电路，将GPS L波段的数据接收解调后将定位信息数据按JUPITER二进制或NMEA0183格式每秒一次通过主串口发出，并将微秒级精度的PPS信号、10KHz 连续脉冲经光电隔离送给以89C52为主的IRIG-B生成、发送电路。

学士学位毕业设计（论文）基于单片机的GPS高精度授时时钟设计学生姓名：指导教师：所在学院：专业：农业电气化摘要本文设计了一种基于P89LPC952高速单片机的GPS卫星授时时钟。

它由接收机、中央处理单元、LCM显示、键盘、输出接口组成。

利用接收机提供的标准时间信号，通过中央处理单元对数据的处理，从而可同步输出时间数据，保证高精度授时。

这不仅解决了时间获取问题，而且能真正实现全球范围内的时间校准。

更创新性地集成了全世界212个城市的实时时间显示。

与传统方法相比，这种全新的时钟同步方法具有实现手段简单、精度高、范围大、不需通道联系、不受地理和气候条件限制等众多优点，是时钟同步的理想方法。

本文介绍了基于P89LPC952的GPS授时时钟装置的硬件；根据装置要实现的功能，给出了主程序和中断程序的流程图和程序介绍。

关键词：授时时钟P89LPC952 GPS 中央处理单元ABSTRACTA kind of GPS satellite timing clock based on the P89LPC952 High-speed MCU is recommended in the following thesis. It is composed of receptors、central proceeding sections, LCM, keyboard and output connectors. The central proceeding section could deal with the data to make the output time data by use of the standard time signals supplied by receptors, thus, keeping highly precision timing. By this way, not only solve the problem of the time obtained, but also the time in the worldwide is really completely unified. Even more, creatively integrates 212 cities of the world wide’s real-time display. Compared with conventional method, this new synchronous clock plan has many advantages, such as simple, high precision, wide extension, no channels needed, no confine of geography and weather environment and so on. It is the ideal way to synchronize the clock. In the following paper, represent the hardware of the GPS timing clock based on the P89LPC952 High-speed MCU. According to the function of the device, list the flow chart of the main program and the interrupt program and the introduction of those programs.Keywords: Timing clock P89LPC952 GPS Central proceeding section目录摘要................................................................................................................... I I ABSTRACT ....................................................................................................... I II 前言.. (IV)1.绪论 (1)1.1设计提出的意义 (1)1.2课题主要内容 (1)2.系统设计基础 (2)2.1设计思想 (2)2.2方案选择 (2)2.3本章小结 (3)3.系统组成原理及硬件设计 (4)3.1系统的组成和原理 (4)3.2硬件电路的设计 (4)3.3本章小结 (10)4.软件设计 (11)4.1软件系统结构 (11)4.2主要算法设计 (12)4.3本章小结 (15)5.PCB设计、组装及调试 (16)5.1 PCB的设计 (16)5.2 PCB焊接组装 (17)5.3电路的调试 (17)5.4本章小结 (18)结论 (19)参考文献 (20)致谢 (21)附录1 系统原理图 (22)附录2 主要源代码 (23)前言20世纪70年代的计算机革命产生了一群新的时间用户，他们需要精确的计算机时间。

GPS高精度的时钟的设计和实现摘要介绍采用、接收板来实现精密时钟系统的设计思路和方法，给出基本的硬件电路和软件流程。

关键词串口通信1概述全球定位系统是利用美国的24颗地址卫星所发射的信号而建立的导航、定位、授时的系统。

美国政府已承诺，在今后相当长的一段时间内，系统将向全世界免费开放。

目前，系统广泛地应用在导航、大地测量、精确授时、车辆定位及防盗等领域。

因此，开展对系统的研究和应用，将极大地提高生产力，并产生巨大的经济效益。

本文旨在通过利用所提供的精确授时的功能，采用单片机技术，设计适合于需要精确授时的高精度时钟系统。

-16是日本光电公司生产的并行11通道接收板，由于采用了先进半导体设计手段，它具有尺寸小、功耗低、性能稳定、性价比高等优良特性。

利用它，可以方便、快速地开发出各种应用系统。

其主要性能指标如下接收通道——11通道并行接收，可同时跟踪11颗卫星；授时精度——小于400，无累计误差；数据更新时间——1；体积和重量——65×35，约重40含锂电池；数据输出格式——-018320；-10420；环境工作温度——-30～+75℃；正常工作参数——电压51±005；电流100；功耗100。

范文先生网收集整理2-16的硬件接口和软件接口1硬件接口-16同时提供12脚接口3和5脚接口4。

本设计中采用5链接口4，各引脚的功能如表1所列。

表1接口编号信号名称功能1电源地2备份电源输入，3时消耗2μ31串行输出41串行输入5+5主供电电源输入-16的1脚为232的通信接口，其逻辑电平为电平。

这样能够很方便地与各种单片机连接连接，无须电平转换。

同时，12脚接口还提供了高精度的秒脉冲输出，可用于需要更高精度定时服务的测量系统。

在此，我们仅使用其时钟信息，故只需在其输出的数据中直接提取即可。

GPS高精度的时钟的设计和实现GPS（全球定位系统）是一种基于卫星的导航系统，可以提供非常精确的时间信息。

GPS时钟是通过接收卫星信号并精确计算其到达时刻来获得高精度的时间。

以下是GPS高精度时钟的设计和实施的详细说明。

设计：1.GPS接收器选择：选择高灵敏度和高性能的GPS接收器。

这将确保接收器可以在较差的信号情况下也能正常工作，并提供高精度的时间信息。

2.天线设计：选择一种高质量的GPS天线，以确保接收器能够有效地接收卫星信号。

通过使用高增益的方向性天线，可以提高信号接收的灵敏度。

3.时钟电路设计：设计一个高精度的时钟电路，以确保时间计算的准确性。

该电路可以采用晶体振荡器作为基准时钟源，并使用锁相环（PLL）控制电路来调整和稳定时钟频率。

4.数据处理和计算：GPS接收器会接收到卫星发送的精确时间和位置信息。

使用计算机或微控制器来接收和处理这些数据，并使用GPS接口协议来解码和计算时间。

确保使用高速和高效的计算方法来确保高精度的时间计算。

实施：1.安装天线和接收器：将GPS天线安装在一个高处，远离任何可能导致信号干扰的物体，例如建筑物或大型金属结构。

将接收器连接到天线，并确保信号连接良好。

2.启动接收器和计算设备：启动GPS接收器，并将其连接到计算设备（计算机或微控制器）。

确保设备之间正确配置和通信，以便正确接收和处理GPS数据。

3.数据接收和处理：接收器将开始接收卫星信号，并获取精确的时间和位置信息。

计算设备将接收并处理这些数据，并根据计算算法计算出高精度的时间。

确保实现高速和高效的数据处理和计算方法。

4.时间校准和稳定：根据计算的高精度时间信息，调整时钟电路的频率，并保持其稳定。

使用锁相环控制电路可以自动调整频率。

定期校准电路，以确保准确性和稳定性。

5.系统测试和验证：对GPS高精度时钟进行系统测试和验证，以确保其在不同环境条件下的准确性和稳定性。

使用其他时间参考源（如国家精确时间源）进行对比测试，并进行校准和调整。

• 82•基于GPS驯服晶振的高精度频差测量西南民族大学电气信息工程学院 甘 桂 彭良福 吴万强在5G移动通信系统中，为了实现高精度和高稳定度的时钟源，在时钟驯服方案中通过FPGA实现低频粗计数与高频细计数来测量本地晶振与GPS信号的频差，为后续送入PID控制模块提供了良好的输入。

仿真结果表明，用50MHz晶振倍频到的100MHz测量细计数，可以达到10ns 的精度。

在实际应用中，可以倍频到更高频率进行误差项的细测量。

引言：在移动通信发展的5G 时代，通信网络对时钟频率的稳定性和精确度要求越来越高，与参考时间源的误差需要控制在±1.5µs 之内。

GPS 是当今授时精度最高、应用最为广泛的全球定位系统。

基于GPS 接收机的各种同步授时装置已广泛应用于通信、电力、金融和航天等领域。

时钟驯服指的是利用卫星授时标准信号校准锁定高稳定的本地晶振。

晶振驯服可选用不同的方法，以GPS 卫星授时时间驯服晶振优势明显，这种方法结合了卫星授时的长期稳定性和晶振的短期稳定性，具有很好的应用前景。

1.驯服原理GPS 信号有非常好的长期稳定性，但它的短期稳定性比较差。

用高精度的GPS 信号和本地高稳定的时钟结合在一起，使用GPS 驯服本地晶振，可以明显改善本地时钟输出的稳定性。

时钟驯服的基本原理是通过GPS 授时接收机接收到1pps 频率的信号和本地振荡器的信号进行频率测量、对比算出频差。

把得到的频差送到滤波器滤除噪声，然后进入PID 控制模块通过分频电路或电压控制调节其频率，最后使本地晶振的频率与接收到GPS 信号的频率一致，达到驯服本地晶振的目的。

对GPS 接收机接收的数据进行处理，测出频差的过程在这个系统中占着十分重要的地位，其测量精度直接决定了时钟驯服的精度上限。

2.测频系统实现在测量一个信号频率的时候，在时间已知的情况下，测量脉冲的个数，就可以计算出这个信号的频率。

图1 直接计数法2.1 直接计数法原理测量一段时间间隔内时钟脉冲的个数最常用的方法是直接计数法。

一种适用于GPS信号异常情况的高精度主时钟设计方法文超;钟俊
【期刊名称】《电力系统保护与控制》
【年(卷),期】2016(044)003
【摘要】合并单元采样同步是智能变电站正常工作的前提.GPS信号正常时利用最小二乘法建立晶振的误差估计模型,GPS信号异常时利用晶振产生秒脉冲,并用已建立的晶振误差估计模型对这些秒脉冲进行误差补偿后用以作为各合并单元的同步时钟,提出了一种利用GPS信号接收机和晶振共同组成主时钟的设计方法.该方法综合考虑了晶振已有的频率偏差和在GPS信号异常期间由于晶振老化所带来的误差,估计并补偿了GPS信号异常时晶振秒脉冲的误差.仿真结果表明该方法能有效消除晶振累积误差,所产生秒脉冲的误差在前10 min内不超过50 ns,满足系统对时钟的精度要求.
【总页数】6页(P103-108)
【作者】文超;钟俊
【作者单位】四川大学电气信息学院,四川成都610065;四川大学电气信息学院,四川成都610065
【正文语种】中文
【相关文献】
1.一种适用于大电流DC-DC高精度电流采样电路 [J], 杨子航;徐卫林;韦雪明
2.一种适用于同步相量测量装置校准器的高精度相量测量方法 [J], 许苏迪; 刘灏; 毕天姝; 钱程; 张锋
3.一种适用于甚低频发射机的高精度采样测量系统 [J], 尹富强;贾琦
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5.一种适用于高动态的高精度频率估计方法 [J], 马立波;陈敬乔
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