專(zhuān)利名稱(chēng)：銣鐘馴服系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及銣鐘馴服系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
銣原子鐘是一款高精度、高可靠性同步時(shí)鐘產(chǎn)品，該時(shí)鐘將高穩(wěn)定性銣振蕩器與 GPS高精度授時(shí)、測(cè)頻及時(shí)間同步技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，使銣振蕩器輸出頻率同步于GPS 衛(wèi)星銫原子鐘信號(hào)上，提高了頻率信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，能夠提供銫鐘量級(jí)的高精度時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，是通信廣電等部門(mén)替代銫鐘的高性?xún)r(jià)比產(chǎn)品。而銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)用銣同位素87Rb原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷微波吸收譜線(xiàn)作頻率基準(zhǔn)，對(duì)晶體振蕩器的頻率進(jìn)行自動(dòng)控制，從而得到高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率。因此根據(jù)銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)我們可以制造高精度的銣原子鐘。在銣原子鐘的應(yīng)用時(shí)，常常需要GPS信號(hào)(或北斗)作為母鐘進(jìn)行守時(shí)，而在GPS信號(hào)(或北斗)產(chǎn)生IOOns的瞬時(shí)跳變是非常正常的，所以去抖動(dòng)是必須的。因此在采用GPS信號(hào)(或北斗)進(jìn)行守時(shí)時(shí)，我需要對(duì)銣鐘進(jìn)行校對(duì)，使其銣鐘無(wú)限接近標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，而校準(zhǔn)后的精度越高越好。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于解決對(duì)銣鐘進(jìn)行馴服處理，使銣鐘達(dá)到較高的精度，同時(shí)無(wú)限接近標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，而提供一種銣鐘馴服系統(tǒng)。本實(shí)用新型的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)銣鐘馴服系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)連接的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生模塊、高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路、中央處理器、銣振蕩器電路，所述銣振蕩器電路包括10MHZ輸出口和銣秒脈沖輸出口，且所述高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路與銣秒脈沖輸出口連接。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生模塊，為本銣鐘馴服系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)(1PPS)；高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路，為測(cè)算標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)(1PPS)和銣秒脈沖輸出口發(fā)出的銣秒脈沖信號(hào)(銣1PPS)的時(shí)間間隔，并計(jì)算出二者的時(shí)間差值，同時(shí)將時(shí)間差值信號(hào)傳輸?shù)街醒胩幚砥髦刑幚磉\(yùn)算；銣振蕩器電路，在接收到中央處理器發(fā)出的修正控制信號(hào)后，根據(jù)修正控制信號(hào)， 做出修正，從而根據(jù)修正控制信號(hào)進(jìn)行修正后發(fā)出接近標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)(1PPS)的銣秒脈沖信號(hào)(銣IPPS)；中央處理器，為根據(jù)時(shí)間差值信號(hào)，做出運(yùn)算后對(duì)銣振蕩器電路發(fā)出修正控制信號(hào)。所述中央處理器為單片機(jī)。所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生模塊為標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)發(fā)生器或GPS時(shí)間信號(hào)發(fā)生器或北斗時(shí)間信號(hào)發(fā)生器。銣鐘馴服系統(tǒng)還包括分別與10MHZ輸出口和銣秒脈沖輸出口相連接的10MHZ輸出端子和銣秒脈沖輸出端子。所述銣振蕩器電路還包括恒溫晶振，所述恒溫晶振與銣秒脈沖輸出口連接。所述中央處理器與銣振蕩器電路之間還連接有數(shù)模轉(zhuǎn)換器。所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器為22位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。本實(shí)用新型的工作原理高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路接收來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)發(fā)生器或GPS時(shí)間信號(hào)發(fā)生器或北斗時(shí)間信號(hào)發(fā)生器發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)(IPPS)和銣秒脈沖輸出口發(fā)出的銣秒脈沖(銣1PPS)，然后采用頻率控制相位的原理，即標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào) (IPPS)和銣秒脈沖(銣1PPS)的相位相參，通過(guò)高精度時(shí)差測(cè)量，計(jì)算出時(shí)間差值，并獲得銣鐘輸出頻率的準(zhǔn)確度值，根據(jù)其數(shù)值在單片機(jī)的控制下設(shè)置頻率微調(diào)量，即修正控制信號(hào)，當(dāng)頻率準(zhǔn)確度馴服到3E-12范圍內(nèi)后，根據(jù)時(shí)差測(cè)量得相位偏移量，用超精細(xì)的頻率微調(diào)(1E-12單步)控制相位同步精度。其中高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路采用內(nèi)插脈沖測(cè)量技術(shù) (分辨率0. 5ns)，因此可以獲得很高的相位測(cè)量精度，保證了系統(tǒng)同步精度的需要。GPS信號(hào)(或北斗)產(chǎn)生IOOns的瞬時(shí)跳變是非常正常的，所以去抖動(dòng)是必須的，為此本系統(tǒng)使用了標(biāo)準(zhǔn)方差，對(duì)多次測(cè)試值進(jìn)行偏差估算，以及卡爾曼濾波器平滑處理標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精確的頻率偏差測(cè)量，通過(guò)偏差對(duì)銣原子振蕩器電路發(fā)出的頻率進(jìn)行修正，其修正方式采用逐步逼近。為了更好地克服GPS的固有抖動(dòng)，利用銣鐘輸出頻率低漂移特性，逐步延長(zhǎng)測(cè)量的取樣時(shí)間，通過(guò)這些措施有力保證了頻率馴服精度和相位同步精度。 這種方式克服采用的移相模式的時(shí)間同步時(shí)的輸出信號(hào)相位抖動(dòng)的問(wèn)題。本實(shí)用新型的有益效果是可對(duì)銣鐘進(jìn)行及時(shí)修正，在外標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào) (IPPS)有效時(shí)，馴服內(nèi)銣原子頻率源，以獲得很高的頻率準(zhǔn)確度，在外標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào) (IPPS)無(wú)效(或系統(tǒng)設(shè)置)時(shí)，提供高精度的頻率保持精度，以確保系統(tǒng)維持在高精度的工作狀態(tài)。最終輸出信號(hào)的精度可以達(dá)到1E-12。

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為卡爾曼方程式圖。圖3為卡爾曼數(shù)學(xué)模型圖。[0024]圖4本實(shí)用新型馴服頻率流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不僅限于此。實(shí)施例一如圖1所示銣鐘馴服系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)連接的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生模塊、高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路、中央處理器、銣振蕩器電路，所述銣振蕩器電路包括10MHZ輸出口和銣秒脈沖輸出口，且所述高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路與銣秒脈沖輸出口連接。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生模塊，為本銣鐘馴服系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)(1PPS)；高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路，為測(cè)算標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)(1PPS)和銣秒脈沖輸出口發(fā)出的銣秒脈沖信號(hào)(銣1PPS)的時(shí)間間隔，并計(jì)算出二者的時(shí)間差值，同時(shí)將時(shí)間差值信號(hào)傳輸?shù)街醒胩幚砥髦刑幚磉\(yùn)算；銣振蕩器電路，在接收到中央處理器發(fā)出的修正控制信號(hào)后，根據(jù)修正控制信號(hào)， 做出修正，從而根據(jù)修正控制信號(hào)進(jìn)行修正后發(fā)出接近標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)(1PPS)的銣秒脈沖信號(hào)(銣IPPS)；中央處理器，為根據(jù)時(shí)間差值信號(hào)，做出運(yùn)算后對(duì)銣振蕩器電路發(fā)出修正控制信號(hào)。所述中央處理器為單片機(jī)。所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生模塊為標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)發(fā)生器或GPS時(shí)間信號(hào)發(fā)生器或北斗時(shí)間信號(hào)發(fā)生器。銣鐘馴服系統(tǒng)還包括分別與10MHZ輸出口和銣秒脈沖輸出口相連接的10MHZ輸出端子和銣秒脈沖輸出端子。所述銣振蕩器電路還包括恒溫晶振，所述恒溫晶振與銣秒脈沖輸出口連接。所述中央處理器與銣振蕩器電路之間還連接有數(shù)模轉(zhuǎn)換器。所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器為22位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。數(shù)模轉(zhuǎn)換器將單片機(jī)中的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)，以此控制銣振蕩器電路。銣振蕩器電路是以超精細(xì)|2. 0>—一 I 1.0 I躍遷頻率(6834. 68750MHz)作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，控制恒溫晶體振蕩器的振蕩頻率，從而使晶振輸出準(zhǔn)確、穩(wěn)定的頻率給用戶(hù)。 IOMHz晶體振蕩器的輸出信號(hào)分為兩路。一路被伺服電路輸出的127Hz正弦波調(diào)相后，再經(jīng)六次倍頻到60MHz，另一路經(jīng)頻率綜合器得到頻5.3125MHz的輸出信號(hào)，兩路信號(hào)在倍頻綜合上相加，然后再送到諧振腔內(nèi)的階躍恢復(fù)二極管上，對(duì)60MHz信號(hào)進(jìn)行114次倍頻得6840MHz的信號(hào)，該信號(hào)與5. 317460MHz的信號(hào)相減后，得到6834. 6875MHz的信號(hào)，進(jìn)入諧振腔派勵(lì)銣原子基態(tài)0-0能級(jí)上的原子躍遷。當(dāng)微波激勵(lì)信號(hào)的頻率與87Rb原子
2. 0> 一一 11. 0 I躍遷頻率不相符時(shí)，則諧振器有一誤差信號(hào)輸出，誤差信號(hào)經(jīng)伺服電路進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)得到一個(gè)直流的控制電壓，并反饋到晶體振蕩器進(jìn)行頻率自動(dòng)微調(diào)， 使晶振輸出的頻率同銣原子基態(tài)0 - 0能級(jí)上的原子躍遷頻率一樣準(zhǔn)確、穩(wěn)定。晶振的輸出信號(hào)送到放大器區(qū)分為IOMHz正弦信號(hào)供給用戶(hù)。IOMHz正弦信號(hào)通過(guò)10MHZ輸出口輸出ο銣振蕩器電路產(chǎn)生的銣秒脈沖(銣1PPS)—部分輸出給用戶(hù)，一部分傳輸?shù)礁呔葧r(shí)間間隔測(cè)試電路，經(jīng)過(guò)高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路將銣秒脈沖(銣1PPS)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)(IPPS)做比較和計(jì)算后，輸出時(shí)間差值信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)運(yùn)算，單片機(jī)輸出修正控制信號(hào)，以此控制銣振蕩器電路修正其輸出的銣秒脈沖(銣1PPS)，最終達(dá)到銣秒脈沖(銣1PPS) 接近標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)(1PPS)。其中，在高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路中對(duì)測(cè)量誤差分析采用如下原理ΔΤ δ = Gδ+Se其中GS- GPS秒信號(hào)抖動(dòng)隨機(jī)誤差，Gs的不確定度是士80ns ;SE— Rb秒信號(hào)漂移系統(tǒng)誤差；時(shí)差測(cè)量真值的可信度ΔΤ/Τ = ( ΔΤ2-ΔΤ1) /t = (G5+Se2-Sei) /t根據(jù)上式可知，系統(tǒng)測(cè)量精度與Gs和取樣時(shí)間間隔有關(guān)；[0046]假定GS的不確定度是士80ns ；那么，得到1E-12的測(cè)量精度，其時(shí)間間隔:t= 80*1E-12=80000秒 1天；如圖2所示為了提高測(cè)量精度，只有改善Gs的性能，最好的方法卡爾曼算法。卡爾曼算法模型方程
Xt =Xt^ VW1 IijIiwv 為系統(tǒng)噪聲H + rt 為觀測(cè)噪聲⑴計(jì)算濾波初始值X0 = YiXl Im ,即為前m個(gè)值求平均值
u
(‘ΛPa = X(X1 X0KXt X0) Im 初始協(xié)方差
J其中，濾波計(jì)算如圖3卡爾曼數(shù)學(xué)模型所示其中為初始的觀測(cè)噪聲，以后隨著濾波的進(jìn)行，觀測(cè)噪聲為自適應(yīng)值。見(jiàn)圖二的濾波計(jì)算流程。&=50._0。Q為系統(tǒng)噪聲，此值可以根據(jù)反復(fù)試驗(yàn)，確定此值，此值基本上是常數(shù)，這里取0 = 0..05,, 0<b<l為遺忘因子，一般取0.95— 0.99，這里取b=0.95.上面圖中的4為觀測(cè)序列值，在這里就為秒差值。通過(guò)卡爾曼的數(shù)字濾波處理，將使Gs有很好的改善，得到我們滿(mǎn)意的士25ns。由上式可知1E-12的頻率測(cè)量精度所需的時(shí)間25000秒。本實(shí)用新型中的頻率馴服流程根據(jù)卡爾曼濾波的置信區(qū)、測(cè)量精度，設(shè)置了 3個(gè)頻率馴服過(guò)程①時(shí)差測(cè)量1 秒產(chǎn)生在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)(IPPS)有效并執(zhí)行可同步命令，系統(tǒng)將產(chǎn)生滯后標(biāo)準(zhǔn)秒約 2000uS測(cè)試秒，其目的是保證脈沖展寬的準(zhǔn)確性和克服非線(xiàn)性誤差。②初始化頻率馴服，如圖4所示當(dāng)時(shí)間間隔是200秒，算法如下AF/F = (T2-T1) /200 (單位 e_9)如果Δ F/F彡5Ε-10進(jìn)行頻率修正，設(shè)置SF=_250，返回時(shí)差測(cè)量Rb秒產(chǎn)生；Δ F/F彡5Ε-10,就順序測(cè)量AF/F = (Τ3-Τ1) /400 (單位 e_9)如果AF/F彡3E-10進(jìn)行頻率修正，設(shè)置SF=_150，返回時(shí)差測(cè)量Rb秒產(chǎn)生； AF/F彡3E-10，就順序測(cè)量AF/F = (T4-T1) /600 (單位 e_9)如果AF/F彡2E-10進(jìn)行頻率修正，設(shè)置SF=_100，返回時(shí)差測(cè)量Rb秒產(chǎn)生； AF/F彡2E-10，就順序測(cè)量AF/F = (T4-T1) /800 (單位 e_9)如果Δ F/F彡1Ε-10進(jìn)行頻率修正，設(shè)置SF=_50，返回時(shí)差測(cè)量Rb秒產(chǎn)生；Δ F/F^ 1E-10，就順序測(cè)量AF/F = (T5-T1) /1000 (單位 e_9)如果Δ F/F彡1Ε-10進(jìn)行頻率修正，設(shè)置SF=_50，返回時(shí)差測(cè)量Rb秒產(chǎn)生；Δ F/ 1Ε-10，就順序測(cè)量(進(jìn)入中精度測(cè)量)③信號(hào)同步信號(hào)同步，系統(tǒng)采用移相式相位同步技術(shù)，將測(cè)量時(shí)差所需要的銣秒脈沖信號(hào)(銣 1PPS)與輸出銣秒脈沖信號(hào)(銣1PPS)好分開(kāi)，這樣可以直接移相式相位同步而不影響系統(tǒng)的測(cè)量機(jī)制。采取上述方式，就能較好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。
權(quán)利要求1.銣鐘馴服系統(tǒng)，其特征在于包括依次串聯(lián)連接的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生模塊、高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路、中央處理器、銣振蕩器電路，所述銣振蕩器電路包括10MHZ輸出口和銣秒脈沖輸出口，且所述高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路與銣秒脈沖輸出口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銣鐘馴服系統(tǒng)，其特征在于所述中央處理器為單片機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銣鐘馴服系統(tǒng)，其特征在于所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生模塊為標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)發(fā)生器或GPS時(shí)間信號(hào)發(fā)生器或北斗時(shí)間信號(hào)發(fā)生器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銣鐘馴服系統(tǒng)，其特征在于還包括分別與10MHZ輸出口和銣秒脈沖輸出口相連接的10MHZ輸出端子和銣秒脈沖輸出端子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銣鐘馴服系統(tǒng)，其特征在于所述銣振蕩器電路還包括恒溫晶振，所述恒溫晶振與銣秒脈沖輸出口連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的銣鐘馴服系統(tǒng)，其特征在于所述中央處理器與銣振蕩器電路之間還連接有數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的銣鐘馴服系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器為22位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了銣鐘馴服系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)連接的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生模塊、高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路、中央處理器、銣振蕩器電路，所述銣振蕩器電路包括10MHZ輸出口和銣秒脈沖輸出口，且所述高精度時(shí)間間隔測(cè)試電路與銣秒脈沖輸出口連接?？蓪?duì)銣鐘進(jìn)行及時(shí)修正，在外標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)(1PPS)有效時(shí)，馴服內(nèi)銣原子頻率源，以獲得很高的頻率準(zhǔn)確度，在外標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)(1PPS)無(wú)效(或系統(tǒng)設(shè)置)時(shí)，提供高精度的頻率保持精度，以確保系統(tǒng)維持在高精度的工作狀態(tài)。最終輸出信號(hào)的精度可以達(dá)到1E-12。
文檔編號(hào)G04G7/02GK202102264SQ20112021722
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者楊正, 王澤寬, 黃希睿 申請(qǐng)人:成都可為科技發(fā)展有限公司