在石英晶體頻率元件中，晶體諧振器（XTAL）、振蕩器（XO）應用非常廣泛，長期穩(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及自動駕駛應用的普及，使用GPS作為馴服的馴服晶振（GPSDO）應用將會越來越多。

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

1. 工作原理

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

工作時，GPSDO以GPS/BDS接收機輸出的秒脈沖信號為參考信號，通過信號追蹤環(huán)路校正補償恒溫晶振（OCXO）的頻率偏移，在不破壞晶振短期穩(wěn)定性的前提下，把OCXO晶振的輸出信號從10?7量級馴服到GPS設(shè)備或GNSS衛(wèi)星信號的10^?12級別。

圖1.馴服晶振的守時精度

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MCU取代了PLL，來實現(xiàn)對頻率、溫度和其他環(huán)境參數(shù)的補償。GPSDO的魅力在于GPS信號與石英晶振的完美組合。這里，GPS接收器提供出色的長期穩(wěn)定性，但是其短期穩(wěn)定性卻被很多因素淹沒了：如參考計時電路的內(nèi)部分辨率即每秒單脈沖（1PPS）、信號傳播效應（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，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晶振就是一個具有良好的短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度的高穩(wěn)定性晶振器件，其輸出信號可精準到納秒（ns）級別，頻率精度和長期穩(wěn)定度可達到皮秒級（10^-12），這對要求十分精準時間信號的衛(wèi)星導航應用很有用。

2.性能參數(shù)

通過內(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，通過馴服鎖定達到原子鐘級的準確性與穩(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具有絕對的價格和性能優(yōu)勢。與原子鐘相比，GPSDO具有較高的性價比。這些參數(shù)包括：（1）守時精度：一般為納秒級，（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晶振（TCXO）來取代恒溫晶振（OCXO），這樣獲得了較高的性價比，功耗可低至0.6W以下。3.典型應用隨著5G智能終端的大規(guī)模普及，GPSDO應用場景越來越多，如雷達、衛(wèi)星和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施等多種環(huán)境下的定時和定位，以及測試測量設(shè)備的參考時鐘。

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