专利名称：一种通过gps时间信号实现数字锁相环系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种通过GPS时间信号实现数字锁相环系统，属于GPS 锁定时钟领域。
背景技术：
在授时领域，传统方法一般采用原子时钟源进行授时。原子时钟源是利用 围绕原子运行的电子轨道跃迁所经历时间恒定的原理实现。原子时钟源具有准 确度高，长期稳定性好的优点。但原子时钟有功耗高、受外界环境影响大、短 期稳定性差、老化后准确度下降的缺点。且原子时钟源价格昂贵，限制了其在 某些领域的应用。常用的原子时钟源包括铷钟、铯钟和氢钟。
数字锁相环即所谓的DDS技术，是指一种利用数字晶振压控技术实现传 统的模拟锁相环晶振压控技术，具有精度高、稳定度高的优点。数字锁相环技 术在授时领域已渐渐取代传统的模拟锁相环技术。现有的GPS锁定晶振技术 中，通过读取GPS星历数据来判断GPS授时秒脉冲信号的有效性。若GPS失锁， 此种方法不能及时判断GPS授时秒脉冲信号有效性，具有一定延时(几秒到几 十秒)，会引起数字锁相环抖动甚至失锁。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服了现有的原子钟授时源的上述缺陷，提供了一 种通过GPS时间信号实现数字锁相环系统，相对于传统的模拟锁相环，具有精 度高、稳定度高的优点。
为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。其包括GPS模块、 相位比较模块、同步计数模块、数字压控模块和数据处理模块。其中GPS模 块与相位比较模块相连，GPS模块将授时秒脉冲信号发送给相位比较模块。相 位比较模块分别与同步计数模块相连和数字压控模块相连，相位比较模块对从 GPS模块接收到的授时秒脉冲信号进行整形处理后，与标准时钟的分频信号进
3行比较，将比较后获得的相位时延差信号发送给同步计数模块。同步计数模块、 数据处理模块和数字压控模块依次相连，同步计数模块将相位时延差信号作为 计数基准实现对标准时钟信号的计数功能。同步计数模块将计数结果发送给数 据处理模块。数据处理模块对计数结果进行统计分析，求出计数均值和方差后 按高斯噪声模型建立压控晶振模型，并将控制信号发送给数字压控模块。数字 压控模块将从数据处理模块接收到的控制信号转换为压控信号实现对压控晶
振的频率控制，实现数字锁相环DDS技术。
本实用新型相位比较模块采用14分频技术可在不监控GPS串口输出星历 数据的情况下实现对授时秒脉冲信号1PPS的有效性作出判断。原因在于当 GPS开机未捕获两颗以上有效卫星导致时钟失锁的情况下，授时秒脉冲信号 1PPS的抖动误差在100us的量级；当GPS捕捉到足够的卫星后，GPS时钟锁定， 授时秒脉冲信号1PPS的抖动误差在30ns的量级。通过观测计数器输出结果的 数据抖动位数，可实现对GPS时钟锁定情况的判断，简化电路设计和信号处理 模块算法工作量。且此判断标准为硬件判断标准，相对于GPS自身的软件判别 简单可靠、无时间上的滞后性，减小了数字锁相环的抖动、提高了数字锁相环 的锁相精度。
通过GPS时间信号实现数字锁相环获得精确授时时间源，可用于时频标 准、通信基站、电网、时频计量的精确授时。相对于传统原子钟的授时方法， 此方法具有绝对时间无漂移，不存在由于原子时钟老化造成的频率漂移、绝对 频率精度下降的缺点。此外，此方法中GPS时间源提供的1PPS授时秒脉冲可 由北斗卫星定位导航系统替代，具有重要军用价值。
图1一种通过GPS时间信号实现数字锁相环系统框图
图2 GPS模块的电路原理图
图3 相位比较模块的电路原理图
图4 同步计数模块的电路原理图图5 数字压控模块的电路原理图 图6 数据处理模块的电路原理图具体实施方式
以下结合附图和具体的实施方式对本实用新型作进一步详述。
如图l所示，本实用新型包括相位比较模块、同步计数模块、数字压控模
块、数据处理模块和GPS模块。GPS模块将授时秒脉冲信号发送给相位比较模 ±央。相位比较模块对从GPS模块接收到的授时秒脉冲信号进行整形处理后，与 标准时钟的分频信号进行比较，将比较后获得的相位时延差信号发送给同步计 数模块。同步计数模块将相位时延差信号作为计数基准实现对标准时钟信号的 计数功能。同步计数模块将计数结果发送给数据处理模块。数据处理模块对计 数结果进行高斯统计分析后建立晶振压控模型，并将控制信号发送给数字压控 模块。数字压控模块将从数据处理模块接收到的控制信号转换为压控信号实现 对压控晶振的频率控制，实现数字锁相环DDS技术。
如图2所示，GPS模块采用M0T0R0LA公司的授时型GPS模块M12T作为授时时 间源。M12T与外部采用RS232串口进行通信。RS232串口电压转换芯片采用MAXIM 公司的串口电压转换芯片MAX3232实现。M12T将授时秒脉冲信号1PPS发送给相 位比较模块和数据处理模块，提供时间基准。
如图3所示，相位比较模块将数字压控模块提供的10MHz时钟信号经过整 形电路整形，将10MHz正弦波信号转变为10腿z占空比为50%的方波信号。整 形电路采用74HC4046和外部阻容实现。经过整形的10腿z占空比为50%的方 波信号通过四级计数器74HC4520实现14分频，分频后的信号C0MPIN频率为 6KHz。分频后的6KHz信号和授时秒脉冲信号1PPS通过相位比较器74HC4046 进行相位比较。相位比较结果以方波信号PC30UT形式输出。方波信号PC30UT 作为计数器74HC4520的计数控制信号，计数器计数采用10MHz正弦波信号。 同时方波信号PC30UT发送给数据处理模块的BF531芯片的一路外部中断。计 数器器技术结果QO、 Ql、 Q2、 Q3发送给同步计数模块用于同步计数。计数器计数清零信号MR由数据处理模块BF531的一路外部10控制信号控制。相位比 较模块采用14分频技术可在不监控GPS串口输出星历数据的情况下实现对授 时秒脉冲信号1PPS的有效性作出判断。原因在于，当GPS开机未捕获两颗以 上有效卫星导致时钟失锁的情况下，授时秒脉冲信号1PPS的抖动误差在100us 的量级；当GPS捕捉到足够的卫星后，GPS时钟锁定，授时秒脉冲信号1PPS 的抖动误差在30ns的量级。通过观测计数器输出结果的数据抖动位数，可实 现对GPS时钟锁定情况的判断，简化电路设计和信号处理模块算法工作量。且 此判断标准为硬件判断标准，相对于GPS自身的软件判别简单可靠、无时间上 的滞后性，减小了数字锁相环的抖动、提高了数字锁相环的锁相精度。
如图4所示，同步计数模块接收相位比较模块输出的计数信号Q3，将Q3信 号通过分频器74HC4040实现12分频。分频器74HC4040的分频清零信号MR由数据 处理模块BF531的一路外部I0控制信号控制。分频后的十二路并行计数信号和 由相位比较模块获得的四路计数信号Q1、 Q2、 Q3、 Q4发送给两片数据锁存器 74HC573实现技术数据锁存。锁存捕捉控制信号LE由数据处理模块BF531的一路 外部IO控制信号控制。两片数据锁存器74HC573的16路输出并行计数数据DO到 D15发送给BF531外部存储器总线实现计数数据传送。
如图5所示，数字压控模块采用16位DA芯片LTC1655实现电压控制输出，电 压控制的有效位数为14位。16位DA芯片LTC1655的参考电压输入采用精确参考 电压芯片MAX6173实现。16位DA芯片LTC1655的输出的电压控制信号由0PA227 稳压后，通过偏置调整发送给压控晶振VC040X40，实现对压控晶振的锁相控制。 16位DA芯片通过通用SPI接口与数据处理模块通信，SPI接口包括时钟信号SCK、 MOSI信号、MISO信号和片选信号AD—CS。
如图6所示，数据处理模块采用ADI公司的BF531作为核心处理器。BF531 与数字压控模块通过通用SPI接口与数字压控模块通信，SPI接口包括时钟信号 SCK、 MOSI信号、MISO信号和片选信号ADj:S。 BF531与相位比较模块通过通用 外部IO端口通信，通信信号包括MR信号和PC30UT信号。MR信号控制计数器计数清零。PC30UT信号作为外部中断信号接收计数器计数时间结束标志信号。BF531 与同步计数模块通过通用外部IO端口通信，通信信号包括服信号和LE信号。MR 信号控制计数器计数清零。LE信号控制锁存器锁存。BF531的外部程序存储器 采用AT45DB321芯片。BF531与外部程序存储器通信采用通用SPI接口通信，SPI 接口包括时钟信号SCK、 MOSI信号、MIS0信号和片选信号PF2。数据处理模块对 同步计数模块计数结果进行统计分析，求出计数均值和方差后按高斯噪声模型 建立压控晶振模型，并将控制信号发送给数字压控模块。数字压控模块将从数 据处理模块接收到的控制信号转换为压控信号实现对压控晶振的频率控制，实 现数字锁相环DDS技术。
权利要求1、一种通过GPS时间信号实现数字锁相环系统，其特征在于包括有GPS模块、相位比较模块、同步计数模块、数据处理模块和数字压控模块；其中GPS模块与相位比较模块相连，GPS模块将授时秒脉冲信号发送给相位比较模块；相位比较模块分别与同步计数模块相连和数字压控模块相连，相位比较模块对从GPS模块接收到的授时秒脉冲信号进行整形处理后，与来自数字压控模块的标准时钟的分频信号进行比较，将比较后获得的相位时延差信号发送给同步计数模块；同步计数模块、数据处理模块和数字压控模块依次相连，同步计数模块将相位时延差信号作为计数基准实现对标准时钟信号的计数，同步计数模块将计数结果发送给数据处理模块，数据处理模块对计数结果进行统计分析建立压控晶振模型，并将其转变为控制信号发送给数字压控模块。
专利摘要本实用新型涉及一种通过GPS时间信号实现数字锁相环系统，属于GPS锁定时钟领域。本系统包括有GPS模块、相位比较模块、同步计数模块、数字压控模块和数据处理模块。GPS模块将授时秒脉冲信号发送给相位比较模块，相位比较模块对接收到的授时秒脉冲信号进行整形处理后，与标准时钟的分频信号进行比较，将比较后获得的相位时延差信号发送给同步计数模块。同步计数模块将相位时延差信号作为计数基准实现对标准时钟信号的计数功能。同步计数模块将计数结果发送给数据处理模块。数据处理模块对计数结果进行高斯统计分析后建立晶振压控模型，并将控制信号发送给数字压控模块。相对于传统的模拟锁相环，具有精度高、稳定度高的优点。
文档编号H03L7/06GK201252534SQ20082013652
公开日2009年6月3日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年5月23日
发明者代啸宁, 孙岩松, 王铁流 申请人:北京工业大学