在石英晶體頻率元件中，晶體諧振器（XTAL）、振蕩器（XO）應(yīng)用非常廣泛，長(zhǎng)期穩(wěn)定性可與原子鐘媲美的馴服晶振（Disciplined Oscillator，DO）并不為大家所熟悉。隨著5G及自動(dòng)駕駛應(yīng)用的普及，使用GPS作為馴服的馴服晶振（GPSDO）應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多。

以下芯齊齊基于對(duì)原廠產(chǎn)品數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，介紹馴服晶振的技術(shù)原理、產(chǎn)品參數(shù)和應(yīng)用等基礎(chǔ)知識(shí)。

1. 工作原理

GPSDO是目前最值得信賴和精準(zhǔn)的時(shí)鐘源之一，結(jié)構(gòu)一般由一個(gè)高穩(wěn)定度的晶體振蕩器和一個(gè)GPS接收器組成，因此也稱作GPS馴服晶振（GPSDO）。

工作時(shí)，GPSDO以GPS/BDS接收機(jī)輸出的秒脈沖信號(hào)為參考信號(hào)，通過(guò)信號(hào)追蹤環(huán)路校正補(bǔ)償恒溫晶振（OCXO）的頻率偏移，在不破壞晶振短期穩(wěn)定性的前提下，把OCXO晶振的輸出信號(hào)從10?7量級(jí)馴服到GPS設(shè)備或GNSS衛(wèi)星信號(hào)的10^?12級(jí)別。

圖1.馴服晶振的守時(shí)精度

GPSDO的工作原理類似鎖相環(huán)（PLL），有些GPSDO還在采用PLL電路，大多數(shù)GPSDO已經(jīng)通過(guò)MCU取代了PLL，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率、溫度和其他環(huán)境參數(shù)的補(bǔ)償。GPSDO的魅力在于GPS信號(hào)與石英晶振的完美組合。這里，GPS接收器提供出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，但是其短期穩(wěn)定性卻被很多因素淹沒了：如參考計(jì)時(shí)電路的內(nèi)部分辨率即每秒單脈沖（1PPS）、信號(hào)傳播效應(yīng)（如多徑干擾）、大氣環(huán)境等。這些正好是現(xiàn)有高質(zhì)量晶振（如OCXO）的主場(chǎng)，眾所周知的是，OCXO具有較好的短期穩(wěn)定度，但是暴露在熱、老化和其他長(zhǎng)期環(huán)境中。這樣，將GPS接收器與OCXO集成在一體的GPSDO晶振就是一個(gè)具有良好的短期穩(wěn)定度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度的高穩(wěn)定性晶振器件，其輸出信號(hào)可精準(zhǔn)到納秒（ns）級(jí)別，頻率精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度可達(dá)到皮秒級(jí)（10^-12），這對(duì)要求十分精準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用很有用。

2.性能參數(shù)

通過(guò)內(nèi)建GPS接收模塊，馴服晶振（GPSDO）可選擇以GPS或1pps作為馴服信號(hào)，通過(guò)馴服鎖定達(dá)到原子鐘級(jí)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定度，相位誤差控制在ns(RMS)以內(nèi)。

圖2. GPSDO晶振參數(shù)

與傳統(tǒng)GPS-OCXO參考方案相比，GPSDO具有絕對(duì)的價(jià)格和性能優(yōu)勢(shì)。與原子鐘相比，GPSDO具有較高的性價(jià)比。這些參數(shù)包括：（1）守時(shí)精度：一般為納秒級(jí)，（2）馴服相位精度：一般為幾十ns RMS。（3）功耗：一般1W左右。（4）馴服輸入：內(nèi)建GPS接收，還可選擇外部1pps輸入馴服。（5）輸出：GPS NMEA，10MHz CMOS，1pps CMOS。（7）外形，小尺寸，應(yīng)用更有彈性。

圖3.采用TCXO的GPSDO馴服晶振及引腳

為了降低成本，一些廠家開始使用高性能溫補(bǔ)晶振（TCXO）來(lái)取代恒溫晶振（OCXO），這樣獲得了較高的性價(jià)比，功耗可低至0.6W以下。3.典型應(yīng)用隨著5G智能終端的大規(guī)模普及，GPSDO應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多，如雷達(dá)、衛(wèi)星和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施等多種環(huán)境下的定時(shí)和定位，以及測(cè)試測(cè)量設(shè)備的參考時(shí)鐘。

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