一种用于电子式电流互感器的守时钟及其运行方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于电子式电流互感器的守时钟及其运行方法，包括数字鉴相器、数字环路滤波器、数控振荡器；数字鉴相器包括D触发器和锁定电路；D触发器的输入端接收输入时钟信号，另一个输入端与数控振荡器相连；锁定电路与数控振荡器相连；数字环路滤波器包括可逆计数器和比较器，可逆计数器分别与D触发器和数控振荡器连接，可逆计数器与比较器相连；数控振荡器包括相位控制器、分频器和晶振，相位控制器与比较器相连，相位控制器与信号钟相连，相位控制器与分频器相连，分频器与晶振相连。本发明使本地时钟和输入信号同步，采用加/减脉冲式数控振荡器，通过粗调和细调两种方式加减脉冲数，大大提高了守时钟的同步速度。
【专利说明】
一种用于电子式电流互感器的守时钟及其运行方法
技术领域
[0001]本发明属于电子式互感器时钟同步领域，具体涉及一种基于复杂可编程逻辑电路的电子式电流互感器的守时钟及其运行方法。
【背景技术】
[0002]GPS(全球定位系统)是美国在1993年建成的新一代卫星导航、定位和授时系统。它由分布在6条轨道上距地球大约2万公里的2颗卫星组成，能全球覆盖、全天候工作、每天24小时连续实时地向地面用户提供高精度位置、速度和时间信息。GPS传递的时间能在全球范围内与世界协调时(UCT)保持高精度同步，是迄今为止传播范围最广，精度最高的无线电时钟信号源。GPS的设计目的是用于美国的军事领域，具有很高的可靠性；同时在降低精度的条件下兼供全世界民用领域。因此，在一定意义上讲，GPS已成为一项全球共享的技术资源。
[0003](I)两种时间系统
[0004]I)世界协调时(Universal Coordinated Time一UCT)
[0005]UCT是一种以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近世界时的折衷时间系统。它是目前世界各国时号播发的基础。
[0006]2)GPS时
[0007]GPS时是全球卫星定位系统建立的专用时间系统，它由GPS主控站里的一组高精度原子钟所控制GPS时属于原子时系统，其秒长与UCT相同。GPS时是一种连续计时系统，不含闰秒修正，它与UCT的时刻规定于1980年I月6日O时相同。其后，随着时间的积累两者之间的差异表现为秒的整数倍可以说，GPS时和UCT是两种既相关又不同的时间尺度。
[0008](2)GPS的时间传递和同步原理
[0009]GPS的高精度定位、测速和导航之功能是建立在它的精密测时基础之上的。为了测量时间，要用到两个时钟:一是GPS卫星钟，二是用户接收机内部时钟。前者简称星载钟，后者称为用户钟星载钟为原子钟，其与GPS时的偏差包括在发给用户的导航电文中。用户钟是普通晶体钟，其与GPS时的偏差需要计算。
[0010]根据GPS系统的工作原理，用户接收机通过接收4颗卫星的信息可进行三维定位；通过接收3颗卫星的信息可进行二维定位。在接收机位置确定后且不再改变的条件下，接收机只需接收一颗卫星的信息便可进行精确的时间传递和时间同步。
【发明内容】
[0011]针对上述问题，本发明提出一种用于电子式电流互感器的守时钟及其运行方法，能够使本地时钟和输入信号同步。
[0012]实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现:
[0013]—种用于电子式电流互感器的守时钟，包括数字鉴相器、数字环路滤波器、数控振荡器;所述数字鉴相器包括顺次相连的D触发器和锁定电路;D触发器的其中一个输入端接收输入时钟信号，另一个输入端与数控振荡器的输出端相连;锁定电路的输出端与数控振荡器的输入端相连;所述数字环路滤波器包括可逆计数器和比较器，可逆计数器的输入端分别与D触发器的输出端和数控振荡器的输出端连接，可逆计数器的数据传输端与比较器的数据传输端相连;所述数控振荡器包括相位控制器、分频器和晶振，相位控制器的输入端与比较器的输出端相连，相位控制器的时钟引脚锁定电路的输出端相连，相位控制器的输出端与分频器的输入端相连，分频器的输入端还与晶振相连，分频器的输出端作为数控振荡器的输出端。
[00? 4]所述输入时钟信号为GPS秒脉冲信号。
[0015]一种用于电子式电流互感器的守时钟的运行方法，包括以下步骤:
[0016](I)数字鉴相器获取输入时钟信号PPS与数控振荡器输出的环路反馈信号SCLK之间的相差信号SIGN和同步标志信号lock，并分别将相差信号SIGN传给数字环路滤波器、同步标志信号lock传给数控振荡器；
[0017](2)数字环路滤波器对相差信号进行滤波，得到可以操控数控振荡器的信号ahead和 lag;
[0018](3)数控振荡器根据接收到的命令ahead、lag和lock标记，通过粗调或细调方法对晶振的频率进行调控，实现对环路反馈信号SCLK相位的调控，并把环路反馈信号SCLK反馈传送给数字鉴相器和数字环路滤波器充当时钟信号，最后经过不断地调节使得输入时钟信号PPS与环路反馈信号SCLK同步。
[0019]所述步骤(I)中，数字鉴相器获取输入时钟信号PPS与数控振荡器输出的环路反馈信号SCLK之间的相差信号SIGN和同步标志信号lock，具体为:将输入时钟信号PPS作为基准信号，数字鉴相器中的D触发器判别接收到的数控振荡器输出的环路反馈信号SCLK的相位与基准信号之间的超前滞后关系，并输出二者之间的相差信号SIGN，当相差信号SIGN为高电平，则环路反馈信号SCLK超前基准信号；反之，当相差信号SIGN为低电平，则环路反馈信号SCLK滞后基准信号；当相差信号SIGN第一次出现极性反转时，则环路反馈信号SCLK锁定基准信号，同步标志信号lock从初始状态的低电平变成高电平。
[0020]所述步骤(2)中，数字环路滤波器对相差信号SIGN进行滤波，得到可以操控数控振荡器的信号ahead和lag，具体为:当相差信号SIGN处于低电平时，可逆计数器执行减计数；当相差信号SIGN处于高电平时，可逆计数器执行增计数;如果可逆计数器的输出值q等于计数上限2*n或下限O，比较器输出装载赋值信号，将η装载赋值至可逆计数器初始值d;如果可逆计数器的输出值q超出上限值2*n，环路进入失锁状态，环路反馈信号SCLK相位超前输入时钟信号PPS，比较器产生超前信号ahead;反之，如果可逆计数器的输出值q超出下限值0，环路也进入失锁状态，环路反馈信号SCLK的相位滞后输入时钟信号PPS，比较器产生滞后信号lag;其中η为滤波阈值。
[0021 ]所述步骤(3)中，数控振荡器根据接收到的命令ahead、lag和lock标记，通过粗调或细调方法对晶振的频率进行调控，实现对环路反馈信号SCLK相位的调控，并把环路反馈信SCLK反馈传送给数字鉴相器和数字环路滤波器充当时钟信号，最后经过不断地调节使得输入时钟信号PPS与环路反馈信号SCLK同步，具体为:相位控制器通过设定分频器在计数到阀值时的初始值，采用增减计数脉冲的方式，实现通过加/减秒冲来调整环路反馈信号SCLK的相位；当信号ahead和lag处于低电平时进行M分频；当信号ahead处于高电平时，相位控制器减去△ η个脉冲，使得环路反馈信号SCLK推迟了 △ η/Μ个周期，达到其相位接近输入时钟信号PPS的目的；当lag处于高电平时，相位控制器增加△ η个脉冲，使得输入时钟信号PPS前移了 △ η/Μ个周期，达到其相位接近输入时钟信号PPS目的；其中，△ η为脉冲调节值;所述粗调方法为:减去或增加多个脉冲信号完成对相位的调整，A η> I;所述细调方法为:当数控振荡器接收到lock信号后，减掉或增加单个脉冲信号完成对相位的调整，Δ η = I。
[0022]本发明的有益效果:
[0023]本发明的用于电子式互感器的守时钟及其运行方法，使本地时钟和输入信号同步，采用加/减脉冲式数控振荡器，通过粗调和细调两种方式加减脉冲数，大大提高了守时钟的同步速度。在未同步时，先粗调快速进行同步，这时的同步精度不高，等同步之后再经过细调得到高精度，从而保证守时钟有较高的同步精度。
[0024]在发明中，采用的是高精度的晶振，能够实现在GPS秒脉冲失去后，输出信号能持续一定偏差限度内的同步的目的。
【附图说明】
[0025]图1为本发明一种实施例的用于电子式互感器的守时钟结构框图。
[0026]图2为本发明一种实施例的数字鉴相器结构设计框图。
[0027]图3为本发明一种实施例的数字环路滤波器结构设计框图
[0028]图4为本发明一种实施例的数控振荡器结构设计框图。
[0029]图5为本发明一种实施例的电子式互感器工作模式原理图。
【具体实施方式】
[0030]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
[0032]如图1-4所示，一种用于电子式电流互感器的守时钟，包括数字鉴相器、数字环路滤波器、数控振荡器;所述数字鉴相器包括顺次相连的D触发器和锁定电路;D触发器的其中一个输入端接收输入时钟信号，另一个输入端与数控振荡器的输出端相连;锁定电路的输出端与数控振荡器的输入端相连;所述数字环路滤波器包括可逆计数器和比较器，可逆计数器的输入端分别与D触发器的输出端和数控振荡器的输出端连接，可逆计数器的数据传输端与比较器的数据传输端相连;所述数控振荡器包括相位控制器、分频器和晶振，相位控制器的输入端与比较器的输出端相连，相位控制器的时钟引脚锁定电路的输出端相连，相位控制器的输出端与分频器的输入端相连，分频器的输入端还与晶振相连，分频器的输出端作为数控振荡器的输出端。本发明中的数字鉴相器是超前滞后型的数字鉴相器，晶振为高精度晶振;所述输入时钟信号为GPS秒脉冲信号。
[0033]一种用于电子式电流互感器守时钟的运行方法，包括以下步骤:
[0034](I)数字鉴相器获取输入时钟信号PPS与数控振荡器输出的环路反馈信号SCLK之间的相差信号SIGN和同步标志信号lock，并将相差信号SIGN传给数字环路滤波器、同步标志信号lock传给数控振荡器；
[0035](2)数字环路滤波器对相差信号SIGN进行平滑滤波，得到可以操控数控振荡器的信号ahead和lag;
[0036](3)数控振荡器根据接收到的命令ahead、lag和lock标记，通过粗调或细调方法对晶振的频率进行调控，实现对环路反馈信号SCLK相位的调控，并把环路反馈信号SCLK反馈传送给数字鉴相器和数字环路滤波器充当时钟信号，最后经过不断地调节使得输入时钟信号PPS与环路反馈信号SCLK同步。
[0037]所述步骤(I)中，数字鉴相器获取输入时钟信号PPS与数控振荡器输出的环路反馈信号SCLK之间的相差信号SIGN和同步标志信号lock，具体为:将输入时钟信号PPS作为基准信号，数字鉴相器的D触发器判别接收到的数控振荡器输出的环路反馈信号的相位与基准信号之间的超前滞后关系，并输出二者之间的相差信号SIGN，当相差信号SIGN为高电平，说明环路反馈信号超前基准信号;反之，当相差信号SIGN为低电平，则环路反馈信号滞后基准信号；当相差信号SIGN第一次出现极性反转时，说明环路反馈信号锁定基准信号，信号钟的同步标志信号lock从初始状态的低电平变成高电平。
[0038]所述步骤(2)中，数字环路滤波器对相差信号进行滤波，得到可以操控数控振荡器的信号ahead和lag，当相差信号SIGN处于低电平时，可逆计数器执行减计数；当相差信号SIGN处于高电平时，可逆计数器执行增计数；如果可逆计数器的输出值q等于计数上限2*n或下限0，比较器输出装载赋值信号，将η装载赋值至可逆计数器初始值d;如果可逆计数器的输出值q超出上限值2*n，环路进入失锁状态，环路反馈信号SCLK相位超前输入时钟信号PPS，比较器产生超前信号ahead;反之，如果可逆计数器的输出值q超出下限值0，环路也进入失锁状态，环路反馈信号SCLK的相位滞后输入时钟信号PPS，比较器产生滞后信号lag;其中η为滤波阈值。本发明中的滤波系数η的选择要慎重，η太小，对噪声的抑制能力就弱;η太大，降低了环路的同步速度。
[0039]所述步骤(3)中，数控振荡器根据接收到的命令ahead、lag和lock标记，通过粗调或细调方法对晶振的频率进行调控，实现对环路反馈信号SCLK相位的调控，并把环路反馈信号SCLK反馈传送给数字鉴相器和数字环路滤波器充当时钟信号，最后经过不断地调节使得输入时钟信号PPS与环路反馈信号SCLK同步，具体为:相位控制器通过设定分频器在计数到阀值时的初始值，采用增减计数脉冲的方式，实现通过加/减秒冲来调整环路反馈信号SCLK的相位；当信号ahead和lag处于低电平时进行M分频；当信号ahead处于高电平时，相位控制器减去Δη个脉冲，使得环路反馈信号SCLK推迟了 Δη/Μ个周期，达到其相位接近输入时钟信号PPS的目的；当lag处于高电平时，相位控制器增加△ η个脉冲，使得输入时钟信号PPS前移了 A η/Μ个周期，达到其相位接近输入时钟信号PPS目的；其中，Δη为脉冲调节值；所述粗调方法为:减去或增加多个脉冲信号完成对相位的调整，A η>1;所述细调方法为:当数控振荡器接收到lock信号后，减掉或增加单个脉冲信号完成对相位的调整，△ η = I。所以一般先用较大的A η值进行粗调，然后再令△ η = I进行细调，满足同步后的精度要求。
[0040]如图5所示，本发明中的用于电子式电流互感器的守时钟具有两种工作模式，分别为:跟踪模式与替代模式。其具体的工作原理为:在GPS时钟正常工作的前提下，当守时钟在跟踪模式下运行，此时的模式切换信号输出的是低电平，GPS的秒脉冲同步产生PMU采样序列。然而守时钟要求获取毫秒(ms)与微秒(us)级信息，可世界标准时间UTC仅拥有秒级(s)时间，故而必须要通过定时器建立内部的软时钟，并且它的长期精度要在每次接收到秒脉冲时对毫秒及微秒级数据进行清零。例如定时器每毫秒增加I，定时器在秒脉冲来时清零。假若软时钟经过1500ms这样长的时间没有对大于100ms的毫秒数据进行清零，那么意味着GPS时钟没有正常工作。此时模式切换信号输出的是高电平，守时钟更换到替代模式下运行并更新软时钟，也就是说GPS秒脉冲发生故障，本地守时钟取代输出秒脉冲信号，IPPS还原检测通道。IPPS还原检测通道的作用是检测IPPS脉冲，这仅仅存在替代模式运行情况下，为了防止GPS稳定运行时占用系统资源。当GPS时钟重新工作时，IPPS恢复检测通道能够重新接收GPS秒脉冲开始对IPPS进行技术，如果持续不断地接收到IPPS信号长达N次那么表示时钟已回归正常，模式切换信号再次输出低电平，并清零定时器，同时守时钟回到跟踪模式。这样一来守时钟和GPS时钟就能互备使用。图中虚线部分的逻辑电路可以用CPLD来实现。
[0041]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1.一种用于电子式电流互感器的守时钟，其特征在于:包括数字鉴相器、数字环路滤波器、数控振荡器;所述数字鉴相器包括顺次相连的D触发器和锁定电路;D触发器的其中一个输入端接收输入时钟信号，另一个输入端与数控振荡器的输出端相连;锁定电路的输出端与数控振荡器的输入端相连;所述数字环路滤波器包括可逆计数器和比较器，可逆计数器的输入端分别与D触发器的输出端和数控振荡器的输出端连接，可逆计数器的数据传输端与比较器的数据传输端相连;所述数控振荡器包括相位控制器、分频器和晶振，相位控制器的输入端与比较器的输出端相连，相位控制器的时钟引脚锁定电路的输出端相连，相位控制器的输出端与分频器的输入端相连，分频器的输入端还与晶振相连，分频器的输出端作为数控振荡器的输出端。2.根据权利要求1所述的用于电子式电流互感器的守时钟，其特征在于:所述输入时钟信号为GPS秒脉冲信号。3.根据权利要求1所述的一种用于电子式电流互感器的守时钟的运行方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)数字鉴相器获取输入时钟信号PPS与数控振荡器输出的环路反馈信号SCLK之间的相差信号SIGN和同步标志信号lock，并分别将相差信号SIGN传给数字环路滤波器、同步标志信号lock传给数控振荡器； (2)数字环路滤波器对相差信号进行滤波，得到可以操控数控振荡器的信号ahead和lag； (3)数控振荡器根据接收到的命令ahead、lag和lock标记，通过粗调或细调方法对晶振的频率进行调控，实现对环路反馈信号SCLK相位的调控，并把环路反馈信号SCLK反馈传送给数字鉴相器和数字环路滤波器充当时钟信号，最后经过不断地调节使得输入时钟信号PPS与环路反馈信号SCLK同步。4.根据权利要求3所述的一种用于电子式电流互感器的守时钟的运行方法，其特征在于:所述步骤(I)中，数字鉴相器获取输入时钟信号PPS与数控振荡器输出的环路反馈信号SCLK之间的相差信号SIGN和同步标志信号lock，具体为:将输入时钟信号PPS作为基准信号，数字鉴相器中的D触发器判别接收到的数控振荡器输出的环路反馈信号SCLK的相位与基准信号之间的超前滞后关系，并输出二者之间的相差信号SIGN，当相差信号SIGN为高电平，则环路反馈信号SCLK超前基准信号；反之，当相差信号SIGN为低电平，则环路反馈信号SCLK滞后基准信号；当相差信号SIGN第一次出现极性反转时，则环路反馈信号SCLK锁定基准信号，同步标志信号lock从初始状态的低电平变成高电平。5.根据权利要求3所述的一种用于电子式电流互感器的守时钟的运行方法，其特征在于:所述步骤(2)中，数字环路滤波器对相差信号SIGN进行滤波，得到可以操控数控振荡器的信号ahead和lag，具体为:当相差信号SIGN处于低电平时，可逆计数器执行减计数；当相差信号SIGN处于高电平时，可逆计数器执行增计数;如果可逆计数器的输出值q等于计数上限2*n或下限O，比较器输出装载赋值信号，将η装载赋值至可逆计数器初始值d;如果可逆计数器的输出值q超出上限值2*n，环路进入失锁状态，环路反馈信号SCLK相位超前输入时钟信号PPS，比较器产生超前信号ahead;反之，如果可逆计数器的输出值q超出下限值0，环路也进入失锁状态，环路反馈信号SCLK的相位滞后输入时钟信号PPS，比较器产生滞后信号lag;其中η为滤波阈值。6.根据权利要求3所述的一种用于电子式电流互感器的守时钟的运行方法，其特征在于:所述步骤(3)中，数控振荡器根据接收到的命令ahead、lag和lock标记，通过粗调或细调方法对晶振的频率进行调控，实现对环路反馈信号SCLK相位的调控，并把环路反馈信SCLK反馈传送给数字鉴相器和数字环路滤波器充当时钟信号，最后经过不断地调节使得输入时钟信号PPS与环路反馈信号SCLK同步，具体为:相位控制器通过设定分频器在计数到阀值时的初始值，采用增减计数脉冲的方式，实现通过加/减秒冲来调整环路反馈信号SCLK的相位；当信号ahead和lag处于低电平时进行M分频；当信号ahead处于高电平时，相位控制器减去An个脉冲，使得环路反馈信号SCLK推迟了 Δη/Μ个周期，达到其相位接近输入时钟信号PPS的目的；ilag处于高电平时，相位控制器增加△ η个脉冲，使得输入时钟信号PPS前移了Δ η/Μ个周期，达到其相位接近输入时钟信号PPS目的;其中，△ η为脉冲调节值;所述粗调方法为:减去或增加多个脉冲信号完成对相位的调整，Δ η>1;所述细调方法为:当数控振荡器接收到lock信号后，减掉或增加单个脉冲信号完成对相位的调整，An = I。
【文档编号】G04R20/02GK105911859SQ201610454336
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】徐敏锐, 杨世海, 黄奇峰, 卢树峰, 王忠东, 赵双双, 李志新, 陈钢, 陆子刚, 吴桥, 陈铭明, 张清松, 周亦洲, 臧海祥
【申请人】国网江苏省电力公司电力科学研究院, 国家电网公司, 河海大学