GPS与石英晶振的完美组合：驯服晶振（GPSDO）

在石英晶体频率元件中，晶体谐振器（XTAL）、振荡器（XO）应用非常广泛，长期稳定性可与原子钟媲美的驯服晶振（Disciplined Oscillator，DO）并不为大家所熟悉。随著5G及自动驾驶应用的普及，使用GPS作为驯服的驯服晶振（GPSDO）应用将会越来越多。

以下芯齐齐基于对原厂产品数据的统计分析，介绍驯服晶振的技术原理、产品参数和应用等基础知识。

1. 工作原理

GPSDO是目前最值得信赖和精准的时钟源之一，结构一般由一个高稳定度的晶体振荡器和一个GPS接收器组成，因此也称作GPS驯服晶振（GPSDO）。

工作时，GPSDO以GPS/BDS接收机输出的秒脉冲信号为参考信号，通过信号追踪环路校正补偿恒温晶振（OCXO）的频率偏移，在不破坏晶振短期稳定性的前提下，把OCXO晶振的输出信号从10−7量级驯服到GPS设备或GNSS卫星信号的10^−12级别。

图1.驯服晶振的守时精度

GPSDO的工作原理类似锁相环（PLL），有些GPSDO还在采用PLL电路，大多数GPSDO已经通过MCU取代了PLL，来实现对频率、温度和其他环境参数的补偿。GPSDO的魅力在于GPS信号与石英晶振的完美组合。这里，GPS接收器提供出色的长期稳定性，但是其短期稳定性却被很多因素淹没了：如参考计时电路的内部分辨率即每秒单脉冲（1PPS）、信号传播效应（如多径干扰）、大气环境等。这些正好是现有高质量晶振（如OCXO）的主场，众所周知的是，OCXO具有较好的短期稳定度，但是暴露在热、老化和其他长期环境中。这样，将GPS接收器与OCXO集成在一体的GPSDO晶振就是一个具有良好的短期稳定度和长期稳定度的高稳定性晶振器件，其输出信号可精准到纳秒（ns）级别，频率精度和长期稳定度可达到皮秒级（10^-12），这对要求十分精准时间信号的卫星导航应用很有用。

2.性能参数

通过内建GPS接收模块，驯服晶振（GPSDO）可选择以GPS或1pps作为驯服信号，通过驯服锁定达到原子钟级的准确性与稳定度，相位误差控制在ns(RMS)以内。

图2. GPSDO晶振参数

与传统GPS-OCXO参考方案相比，GPSDO具有绝对的价格和性能优势。与原子钟相比，GPSDO具有较高的性价比。这些参数包括：（1）守时精度：一般为纳秒级，（2）驯服相位精度：一般为几十ns RMS。（3）功耗：一般1W左右。（4）驯服输入：内建GPS接收，还可选择外部1pps输入驯服。（5）输出：GPS NMEA，10MHz CMOS，1pps CMOS。（7）外形，小尺寸，应用更有弹性。

图3.采用TCXO的GPSDO驯服晶振及引脚

为了降低成本，一些厂家开始使用高性能温补晶振（TCXO）来取代恒温晶振（OCXO），这样获得了较高的性价比，功耗可低至0.6W以下。3.典型应用随著5G智能终端的大规模普及，GPSDO应用场景越来越多，如雷达、卫星和关键基础设施等多种环境下的定时和定位，以及测试测量设备的参考时钟。

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