鎖相晶振工作原理及推薦

鎖相晶振是為了解決下面兩個問題：為了解決晶振隨著老化偏移，準確度逐點降低的問題；為了解決衛星失鎖后，準確度誤差較大，守時功能較差的問題，使用衛星鎖相功能的同步時鐘完全可以彌補晶振老化和衛星失鎖的缺點，達到較高的授時和守時精度。

1、衛星時鐘

國產北斗衛星導航系統和美國全球定位系統（GPS）等多種衛星授時系統可提供全天候授時信號，授時精度高，且具有廣域時間同步性能好、不受地理和氣候等條件限制、應用簡單等優點，在電力系統廣域測量、故障行波定位等領域得到了越來越多的應用?；谛l星時鐘的精確時間同步技術受到廣泛關注。

雖然衛星時鐘有著較高的授時精度和良好的廣域時間同步性能，但在衛星失鎖等情況下，秒脈沖誤差可達幾十微秒甚至上百微秒；同時衛星時鐘信號在傳播過程中會受到各種電磁干擾，嚴重時可能導致信號中斷；其精度與穩定性難以滿足保護監控等領域的時間同步要求。所以在利用衛星時鐘作為廣域時間同步源時，要考慮衛星時鐘信號的可靠性問題，特別是衛星時鐘失效后的時間同步精度。

為了保證時間同步系統的精度與穩定性，依據衛星時鐘隨機誤差大、累積誤差小與晶振時鐘隨機誤差小、累積誤差大的授時誤差互補特點，采用GPS信號在線修正晶振秒脈沖的累積誤差；提出了北斗衛星與GPS互為備用的授時方案，可提高輸出時鐘的可靠性；根據衛星時鐘與晶振時鐘授時誤差互補的特點，提出了一種利用高精度晶振監測修正GPS隨機誤差的方法，可實現GPS工作正常情況下的秒脈沖誤差不超過100ns、廣域時間同步誤差小于10ns，失效1h后的秒脈沖修正誤差小于180ns；為進一步提高GPS時鐘的精度并保證衛星失效后的時鐘穩定性能，提出利用數字鎖相環改善晶振時鐘跟蹤GPS衛星時鐘秒脈沖的性能；考慮了晶振頻率漂移等因素造成的時間偏差，通過相位補償算法進一步提高了衛星時鐘的授時穩定度和精確度?？梢?，基于衛星時鐘與晶振時鐘誤差互補的授時方案可有效提高衛星時鐘的精度和穩定性，但現有各方案均存在不足，如樣本數據量較大、忽略了晶振的頻率漂移或補償方案計算較復雜、實時性不夠等。

2、鎖相環

近年來，鎖相環技術得到了快速發展，通過跟蹤輸入信號的相位變化，鎖相環可實現精確相位控制。與模擬環相比，全數字鎖相環具有無直流零點漂移、不受溫度變化影響、無飽和、可靠性高、抗干擾能力強等優點，在電力系統領域得到了廣泛應用，其中在電網相位頻率測量等方面應用成熟。為解決電力系統現有同步時鐘存在的穩定性等問題，利用全數字鎖相環的相位跟蹤優勢，改進衛星時鐘與晶振時鐘互補的授時模型，并提出了衛星時鐘失效后的授時方案，該方案能有效提高輸出時鐘的穩定性。

3、時鐘誤差分析

假定Cb（t）為理想時鐘，Ck（t）為本地晶振時鐘，Ci（t）為衛星時鐘。3種時鐘的授時特點不同，其時頻變化特性如圖1所示。由圖1可知，衛星時鐘圍繞理想時鐘波動，晶振時鐘的誤差隨時間的延長而逐漸增大。由此可知：晶振時鐘具有較大的累積誤差與較小的隨機誤差，而衛星時鐘的誤差特性則正好相反，2種時鐘的授時誤差特性互補。

通常情況下，衛星時鐘的隨機誤差具有正態分布特性，衛星接收機型號不同，隨機誤差存在差異，接收機的授時精度為50ns，HMWJ／BD3型北斗接收機的授時精度為100ns。衛星時鐘隨機誤差數值越小，成本越高，可采用適當的算法減小衛星時鐘的隨機誤差，以保證時鐘裝置的經濟性。同時，晶振時鐘受環境溫度和老化等因素影響，會導致秒脈沖出現累積誤差，可采用適當的算法加以消除。

由上分析可知，設計先進算法綜合利用衛星時鐘和晶振時鐘的優點，即可產生一種累積誤差和隨機誤差均較小的同步輸出時鐘?；谌珨底宙i相環對輸出信號相位較強的自動跟蹤能力，利用全數字鎖相環來實現這一目標。

4、鎖相晶振組成

根據晶振時鐘和衛星時鐘授時誤差互補的特點，以衛星時鐘秒脈沖的跳變沿（一般選擇下降沿）為基準，實時校正晶振秒脈沖的相位，有效消除晶振時鐘的累積誤差，同時控制隨機誤差在較小范圍內?；谌珨底宙i相環的電力系統高精度同步時鐘主要由數字鑒相器（DPD）、數字濾波器、衛星狀態監測器、脈沖增減控制器、自校正控制器和分頻器（DCO）組成。系統構成如圖2所示。數字鑒相器比較PPS與1PPS的相位，產生能夠表征兩者相位超前與滯后關系的輸出信號，其輸出一般為二值高低脈沖。數字濾波器濾除輸入脈沖的噪聲等高頻干擾，并產生能表征PPS與1PPS之間相位差的脈沖信號。衛星狀態監測器在線監測衛星時鐘的工作狀態，在衛星時鐘接收正常時，選擇正常工作模式，在衛星時鐘接收不正常時，選擇失步工作模式。脈沖增減控制器對數字濾波器輸出的相位差大小進行判別，產生分頻器的分頻控制參數N。自校正控制器在衛星時鐘接收失效后，根據歷史數據和晶振時鐘的工作特性產生分頻器的控制參數N，該模塊主要利用自校正算法保證衛星時鐘失效后的時鐘精度。分頻器按照分頻控制參數N對高頻晶振脈沖進行分頻，產生輸出時鐘，輸出時鐘的精度和穩定度由分頻控制參數決定。

5、鎖相晶振工作原理

數字鑒相器比較1PPS與PPS的相位關系，當1PPS超前PPS時，輸出高電平有效脈沖；當1PPS滯后PPS時，輸出低電平有效脈沖，有效脈沖的寬度就是1PPS與PPS的相位差。數字濾波器對輸入的相位差脈沖進行濾噪處理，并產生超前相位差信號up或滯后相位差信號down，相位差信號為低電平有效。衛星狀態監測器對輸入的相位差有效電平進行數字量化，根據量化的相位差大小判別衛星時鐘的工作狀態：當連續3次相位差大于Nb（根據衛星誤差方差值σ設定）時，可以認定衛星時鐘工作失效，否則認定衛星時鐘工作正常。脈沖增減控制器和自校正控制器主要產生分頻器的分頻控制參數N。

脈沖增減控制器根據相位差信號產生分頻控制參數N。其基本原理是對數字濾波器輸出的相位差大小進行判別，根據判別結果產生增減脈沖，進而產生分頻器的分頻控制參數N。數字濾波器輸出的相位差信號up的低電平有效信號被工作時鐘fclk調制成一個減脈沖；相位差信號down的低電平有效信號被工作時鐘fclk調制成一個增脈沖。

根據增減脈沖可以進行增減判別：當衛星時鐘秒脈沖的相位滯后于晶振時鐘秒脈沖的相位時，產生增脈沖；當衛星時鐘秒脈沖的相位超前于晶振時鐘秒脈沖的相位時，產生減脈沖?？紤]到晶振時鐘隨機誤差小，衛星時鐘隨機誤差較大，要利用數字鎖相環原理來消除晶振時鐘的累積誤差，不需要嚴格鎖定衛星時鐘。為避免增大晶振時鐘利用衛星時鐘與晶振時鐘授時誤差互補的特性，結合全數字鎖相環的相位跟蹤原理，提出了一種基于全數字鎖相環原理的電力系統高精度同步時鐘實現新方法。該方法在衛星時鐘工作正常時，利用全數字鎖相環使晶振時鐘秒脈沖跟蹤衛星時鐘秒脈沖波動，實時消除晶振時鐘的累積誤差；在衛星時鐘失效后，利用失效前的分頻數據辨識優化分頻控制參數，預測消除晶振時鐘的溫漂等累積誤差。該方法產生的同步時鐘具有精度高和穩定性好等優點，有望廣泛應用于故障行波定位等對時鐘同步性能要求高的電力系統保護控制領域。

6、衛星鎖相晶振的意義

利用衛星時鐘與晶振時鐘授時誤差互補的特性，結合全數字鎖相環的相位跟蹤原理，提出了一種基于全數字鎖相環原理的電力系統高精度同步時鐘實現新方法。該方法在衛星時鐘工作正常時，利用全數字鎖相環使晶振時鐘秒脈沖跟蹤衛星時鐘秒脈沖波動，實時消除晶振時鐘的累積誤差；在衛星時鐘失效后，利用失效前的分頻數據辨識優化分頻控制參數，預測消除晶振時鐘的溫漂等累積誤差。該方法產生的同步時鐘具有精度高和穩定性好等優點，有望廣泛應用于故障行波定位等對時鐘同步性能要求高的電力系統保護控制領域。

7、鎖相晶振推薦

SYN32.768MHzGPS北斗鎖相馴服模塊接收GPS北斗雙模衛星信號，使恒溫晶體振蕩器輸出頻率同步于GPS北斗衛星銫原子鐘信號上，輸出32.768mhz信號和1pps信號，提供銫鐘量級的高精度時間頻率標準，該鎖相晶振特別適合與系統集成。

SYN100MHzGPS鎖相板是接收GPS信號，輸出高穩定的100mhz頻率信號，1pps信號。

SYN4102型GPS同步時鐘采用GPS鎖相晶振原理，使恒溫晶振輸出頻率同步于GPS衛星銫原子鐘信號上，提供高精度10mhz，1pps信號，路數可以根據需要定制。