锁相晶振工作原理及推荐

锁相晶振是为了解决下面两个问题：为了解决晶振随着老化偏移，准确度逐点降低的问题；为了解决卫星失锁后，准确度误差较大，守时功能较差的问题，使用卫星锁相功能的同步时钟完全可以弥补晶振老化和卫星失锁的缺点，达到较高的授时和守时精度。

1、卫星时钟

国产北斗卫星导航系统和美国全球定位系统（GPS）等多种卫星授时系统可提供全天候授时信号，授时精度高，且具有广域时间同步性能好、不受地理和气候等条件限制、应用简单等优点，在电力系统广域测量、故障行波定位等领域得到了越来越多的应用。基于卫星时钟的精确时间同步技术受到广泛关注。

虽然卫星时钟有着较高的授时精度和良好的广域时间同步性能，但在卫星失锁等情况下，秒脉冲误差可达几十微秒甚至上百微秒；同时卫星时钟信号在传播过程中会受到各种电磁干扰，严重时可能导致信号中断；其精度与稳定性难以满足保护监控等领域的时间同步要求。所以在利用卫星时钟作为广域时间同步源时，要考虑卫星时钟信号的可靠性问题，特别是卫星时钟失效后的时间同步精度。

为了保证时间同步系统的精度与稳定性，依据卫星时钟随机误差大、累积误差小与晶振时钟随机误差小、累积误差大的授时误差互补特点，采用GPS信号在线修正晶振秒脉冲的累积误差；提出了北斗卫星与GPS互为备用的授时方案，可提高输出时钟的可靠性；根据卫星时钟与晶振时钟授时误差互补的特点，提出了一种利用高精度晶振监测修正GPS随机误差的方法，可实现GPS工作正常情况下的秒脉冲误差不超过100ns、广域时间同步误差小于10ns，失效1h后的秒脉冲修正误差小于180ns；为进一步提高GPS时钟的精度并保证卫星失效后的时钟稳定性能，提出利用数字锁相环改善晶振时钟跟踪GPS卫星时钟秒脉冲的性能；考虑了晶振频率漂移等因素造成的时间偏差，通过相位补偿算法进一步提高了卫星时钟的授时稳定度和精确度。可见，基于卫星时钟与晶振时钟误差互补的授时方案可有效提高卫星时钟的精度和稳定性，但现有各方案均存在不足，如样本数据量较大、忽略了晶振的频率漂移或补偿方案计算较复杂、实时性不够等。

2、锁相环

近年来，锁相环技术得到了快速发展，通过跟踪输入信号的相位变化，锁相环可实现精确相位控制。与模拟环相比，全数字锁相环具有无直流零点漂移、不受温度变化影响、无饱和、可靠性高、抗干扰能力强等优点，在电力系统领域得到了广泛应用，其中在电网相位频率测量等方面应用成熟。为解决电力系统现有同步时钟存在的稳定性等问题，利用全数字锁相环的相位跟踪优势，改进卫星时钟与晶振时钟互补的授时模型，并提出了卫星时钟失效后的授时方案，该方案能有效提高输出时钟的稳定性。

3、时钟误差分析

假定Cb（t）为理想时钟，Ck（t）为本地晶振时钟，Ci（t）为卫星时钟。3种时钟的授时特点不同，其时频变化特性如图1所示。由图1可知，卫星时钟围绕理想时钟波动，晶振时钟的误差随时间的延长而逐渐增大。由此可知：晶振时钟具有较大的累积误差与较小的随机误差，而卫星时钟的误差特性则正好相反，2种时钟的授时误差特性互补。

通常情况下，卫星时钟的随机误差具有正态分布特性，卫星接收机型号不同，随机误差存在差异，接收机的授时精度为50ns，HMWJ／BD3型北斗接收机的授时精度为100ns。卫星时钟随机误差数值越小，成本越高，可采用适当的算法减小卫星时钟的随机误差，以保证时钟装置的经济性。同时，晶振时钟受环境温度和老化等因素影响，会导致秒脉冲出现累积误差，可采用适当的算法加以消除。

由上分析可知，设计先进算法综合利用卫星时钟和晶振时钟的优点，即可产生一种累积误差和随机误差均较小的同步输出时钟。基于全数字锁相环对输出信号相位较强的自动跟踪能力，利用全数字锁相环来实现这一目标。

4、锁相晶振组成

根据晶振时钟和卫星时钟授时误差互补的特点，以卫星时钟秒脉冲的跳变沿（一般选择下降沿）为基准，实时校正晶振秒脉冲的相位，有效消除晶振时钟的累积误差，同时控制随机误差在较小范围内。基于全数字锁相环的电力系统高精度同步时钟主要由数字鉴相器（DPD）、数字滤波器、卫星状态监测器、脉冲增减控制器、自校正控制器和分频器（DCO）组成。系统构成如图2所示。数字鉴相器比较PPS与1PPS的相位，产生能够表征两者相位超前与滞后关系的输出信号，其输出一般为二值高低脉冲。数字滤波器滤除输入脉冲的噪声等高频干扰，并产生能表征PPS与1PPS之间相位差的脉冲信号。卫星状态监测器在线监测卫星时钟的工作状态，在卫星时钟接收正常时，选择正常工作模式，在卫星时钟接收不正常时，选择失步工作模式。脉冲增减控制器对数字滤波器输出的相位差大小进行判别，产生分频器的分频控制参数N。自校正控制器在卫星时钟接收失效后，根据历史数据和晶振时钟的工作特性产生分频器的控制参数N，该模块主要利用自校正算法保证卫星时钟失效后的时钟精度。分频器按照分频控制参数N对高频晶振脉冲进行分频，产生输出时钟，输出时钟的精度和稳定度由分频控制参数决定。

5、锁相晶振工作原理

数字鉴相器比较1PPS与PPS的相位关系，当1PPS超前PPS时，输出高电平有效脉冲；当1PPS滞后PPS时，输出低电平有效脉冲，有效脉冲的宽度就是1PPS与PPS的相位差。数字滤波器对输入的相位差脉冲进行滤噪处理，并产生超前相位差信号up或滞后相位差信号down，相位差信号为低电平有效。卫星状态监测器对输入的相位差有效电平进行数字量化，根据量化的相位差大小判别卫星时钟的工作状态：当连续3次相位差大于Nb（根据卫星误差方差值σ设定）时，可以认定卫星时钟工作失效，否则认定卫星时钟工作正常。脉冲增减控制器和自校正控制器主要产生分频器的分频控制参数N。

脉冲增减控制器根据相位差信号产生分频控制参数N。其基本原理是对数字滤波器输出的相位差大小进行判别，根据判别结果产生增减脉冲，进而产生分频器的分频控制参数N。数字滤波器输出的相位差信号up的低电平有效信号被工作时钟fclk调制成一个减脉冲；相位差信号down的低电平有效信号被工作时钟fclk调制成一个增脉冲。

根据增减脉冲可以进行增减判别：当卫星时钟秒脉冲的相位滞后于晶振时钟秒脉冲的相位时，产生增脉冲；当卫星时钟秒脉冲的相位超前于晶振时钟秒脉冲的相位时，产生减脉冲。考虑到晶振时钟随机误差小，卫星时钟随机误差较大，要利用数字锁相环原理来消除晶振时钟的累积误差，不需要严格锁定卫星时钟。为避免增大晶振时钟利用卫星时钟与晶振时钟授时误差互补的特性，结合全数字锁相环的相位跟踪原理，提出了一种基于全数字锁相环原理的电力系统高精度同步时钟实现新方法。该方法在卫星时钟工作正常时，利用全数字锁相环使晶振时钟秒脉冲跟踪卫星时钟秒脉冲波动，实时消除晶振时钟的累积误差；在卫星时钟失效后，利用失效前的分频数据辨识优化分频控制参数，预测消除晶振时钟的温漂等累积误差。该方法产生的同步时钟具有精度高和稳定性好等优点，有望广泛应用于故障行波定位等对时钟同步性能要求高的电力系统保护控制领域。

6、卫星锁相晶振的意义

利用卫星时钟与晶振时钟授时误差互补的特性，结合全数字锁相环的相位跟踪原理，提出了一种基于全数字锁相环原理的电力系统高精度同步时钟实现新方法。该方法在卫星时钟工作正常时，利用全数字锁相环使晶振时钟秒脉冲跟踪卫星时钟秒脉冲波动，实时消除晶振时钟的累积误差；在卫星时钟失效后，利用失效前的分频数据辨识优化分频控制参数，预测消除晶振时钟的温漂等累积误差。该方法产生的同步时钟具有精度高和稳定性好等优点，有望广泛应用于故障行波定位等对时钟同步性能要求高的电力系统保护控制领域。

7、锁相晶振推荐

SYN32.768MHzGPS北斗锁相驯服模块接收GPS北斗双模卫星信号，使恒温晶体振荡器输出频率同步于GPS北斗卫星铯原子钟信号上，输出32.768mhz信号和1pps信号，提供铯钟量级的高精度时间频率标准，该锁相晶振特别适合与系统集成。

SYN100MHzGPS锁相板是接收GPS信号，输出高稳定的100mhz频率信号，1pps信号。

SYN4102型GPS同步时钟采用GPS锁相晶振原理，使恒温晶振输出频率同步于GPS卫星铯原子钟信号上，提供高精度10mhz，1pps信号，路数可以根据需要定制。