專利名稱：基于原子頻標(biāo)和gps的可編程時(shí)間頻率脈沖信號(hào)發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種時(shí)間頻率脈沖發(fā)生器，具體地說，涉及一種基于原子頻標(biāo)和GPS的可編程時(shí)間頻率脈沖信號(hào)發(fā)生器；可廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、航空航天、無(wú)線通信、電力傳輸，科學(xué)計(jì)量和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自17世紀(jì)以來，天文學(xué)家們以地球自轉(zhuǎn)和世界時(shí)作為時(shí)間尺度；但是隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)(特別是航天、空間物理、軍事等)的飛速發(fā)展，使人們對(duì)時(shí)間尺度的精度需求越來越高。
1953年，世界上第一臺(tái)原子鐘在美國(guó)哥倫比亞大學(xué)由三位科學(xué)家研制成功；原子鐘的出現(xiàn)使時(shí)鐘準(zhǔn)確度達(dá)到10-13～10-15量級(jí)。原子頻標(biāo)具有良好的短期穩(wěn)定度，在工程上具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。但是由于受物理機(jī)理的限制，原子頻標(biāo)的長(zhǎng)穩(wěn)指標(biāo)不夠好，限制了它在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。
GPS衛(wèi)星信號(hào)是一種十分重要的全世界可共享的信息源；基于GPS的時(shí)間頻率系統(tǒng)具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可以提供精確的定位、定時(shí)和校頻。GPS時(shí)間同步技術(shù)在國(guó)際時(shí)間頻率的協(xié)調(diào)、新型時(shí)頻計(jì)量傳遞系統(tǒng)建立、數(shù)字通信系統(tǒng)、電力和供電系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)以及許多其他領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。但是由于GPS時(shí)間信息在短穩(wěn)方面的缺陷，限制它的應(yīng)用。
脈沖信號(hào)發(fā)生器作為測(cè)試和電子教學(xué)必備的設(shè)備發(fā)展已比較成熟，可以實(shí)現(xiàn)頻率、脈寬的調(diào)節(jié)。但在一些時(shí)間實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用中，往往需要外部觸發(fā)產(chǎn)生同步脈沖輸出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)和不足，而提供一種基于原子頻標(biāo)和GPS技術(shù)的可編程時(shí)間頻率脈沖信號(hào)發(fā)生器。本發(fā)明克服了原子頻標(biāo)和GPS各自的不足，提高了系統(tǒng)的時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)，滿足了對(duì)頻率標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)、短穩(wěn)兼優(yōu)的要求；同時(shí)，由于加入了外部觸發(fā)輸入，解決了應(yīng)用中系統(tǒng)同步的問題。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的在原子頻標(biāo)中，由量子系統(tǒng)本身提供一個(gè)短期穩(wěn)定的頻率，再通過長(zhǎng)期穩(wěn)定的GPS信號(hào)不斷地修正，得到精確的時(shí)間頻率基準(zhǔn)信號(hào)，甚至在脫離GPS信號(hào)下仍可維持一個(gè)穩(wěn)定的頻率輸出。
一、可編程時(shí)間頻率脈沖信號(hào)發(fā)生器(簡(jiǎn)稱信號(hào)發(fā)生器)由圖1可知，本信號(hào)發(fā)生器由GPS模塊1、中心控制單元(CPU)2、RS232通訊接口3、原子頻標(biāo)4、觸發(fā)源輸入5，頻率、脈沖輸出6，鍵盤7，顯示系統(tǒng)8組成；各部件之間的連接關(guān)系是原子頻標(biāo)4、GPS模塊1分別與CPU2相連，通過GPS模塊1不斷修正原子頻標(biāo)4的時(shí)鐘偏差，得到系統(tǒng)穩(wěn)定的頻率基準(zhǔn)，又通過CPU2的鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生用戶需求的時(shí)鐘頻率和1PPS脈沖；觸發(fā)源輸入5與CPU2相連，觸發(fā)產(chǎn)生頻率信號(hào)輸出；RS232通訊接口3與CPU2相連，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，編程設(shè)定頻率、脈沖輸出6、觸發(fā)源輸入5、查詢系統(tǒng)的參數(shù)；獲取GPS模塊1接收衛(wèi)星的狀態(tài)；顯示系統(tǒng)8、鍵盤7與CPU2相連，配合控制系統(tǒng)，編程設(shè)定頻率、脈沖輸出6、觸發(fā)源輸入5，初始GPS信息；查詢系統(tǒng)的參數(shù)；GPS模塊1接收衛(wèi)星的狀態(tài)。
二、原子頻標(biāo)4的GPS修正方法原子頻標(biāo)4的GPS修正原理如圖2所示，有下列步驟①GPS天線9、GPS模塊1、CPU2依次連接，提供系統(tǒng)需要的時(shí)間信息和1PPS同步信號(hào)；②原子頻標(biāo)4為壓控晶體振蕩器(OCXO)13，CPU2、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)12、壓控晶體振蕩器(OCXO)13依次連接；由于原子頻標(biāo)4諧振腔內(nèi)的磁場(chǎng)線圈是用來調(diào)整原子超精細(xì)躍遷的頻率的，所以CPU2通過12位DAC(12)來控制磁場(chǎng)，實(shí)時(shí)修正原子頻標(biāo)4；
③根據(jù)用最小均方根的方法得到的Rb鐘頻率準(zhǔn)確度，確定是否需要進(jìn)行頻率調(diào)整；④在調(diào)整過程中使用較小的移相步進(jìn)量，進(jìn)行逐步調(diào)整，否則容易引起頻率振蕩，影響短期穩(wěn)定度。
系統(tǒng)主要功能如下1、GPS模塊1具備并行12通道，提高了系統(tǒng)時(shí)間頻率修正和定位精度。
2、提供4路獨(dú)立時(shí)鐘頻率輸出6，頻率1MHz～100MHz可編程調(diào)節(jié)，穩(wěn)定性2×10-12。
3、提供3路獨(dú)立脈沖輸出6，多種編程方式，編程脈沖寬度5ns～100ms，分辨率1ns。
4、1PPS脈沖輸出14，時(shí)間精度25ns，脈沖寬度可編程。
5、提供2路獨(dú)立脈沖觸發(fā)源輸入5，觸發(fā)脈沖輸出6信號(hào)。脈沖輸出可選連續(xù)觸發(fā)和外部觸發(fā)兩種模式。
6、顯示系統(tǒng)8采用VFD顯示模塊，自動(dòng)發(fā)光，高清晰度和高亮度使其具有更佳顯示效果，寬視角反應(yīng)速度快，提供英文、中文、圖形顯示。
7、顯示系統(tǒng)8、鍵盤7配合可查詢，修改系統(tǒng)狀態(tài)，編程設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)。
8、RS232通訊接口3通用DB9接口可查詢，修改系統(tǒng)狀態(tài)，編程設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)。
9、前面板提供3盞高亮LED，顯示電源，GPS衛(wèi)星狀態(tài)，1PPS顯示。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、在原子頻率標(biāo)準(zhǔn)中，通過GPS模塊的修正，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)長(zhǎng)、短穩(wěn)兼優(yōu)的目的。
2、具有重量輕和體積、功耗小的優(yōu)點(diǎn)。
3、獨(dú)有的伺服控制系統(tǒng)，縮短系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間。
4、具有多路可編程脈沖輸出，并提供獨(dú)立的外部觸發(fā)輸入。
5、多用戶接口，RS232通訊接口3、鍵盤7設(shè)定編程，并提供高亮度寬視角顯示器。
6、可廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、航空航天、無(wú)線通信、電力傳輸，科學(xué)計(jì)量和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明組成框圖；圖2為時(shí)間頻率伺服系統(tǒng)框圖；圖3為壓控晶體振蕩器(OCXO)原理圖。
其中1-GPS模塊；2-中心控制單元(CPU)；3-RS232通訊接口； 4-原子頻標(biāo)；5-觸發(fā)輸入端口； 6-頻率、脈沖輸出；7-鍵盤； 8-顯示系統(tǒng)；9-GPS天線；10-相位比較單元；11-相位調(diào)節(jié)單元； 12-數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)；13-壓控晶體振蕩器(OCXO)； 14-1PPS脈沖輸出。
具體實(shí)施例方式
1、關(guān)于信號(hào)發(fā)生器*壓控晶體振蕩器(OCXO)單元13選用SRS公司的PRS10M。
*GPS模塊1選用Motorola公司的M12+。
*中心控制單元(CPU)2選用FPGA的嵌入式Nios處理器。
2、關(guān)于原子頻標(biāo)4的GPS修正方法*相位調(diào)節(jié)單元11利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列器件(FPGA)內(nèi)部鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)。
*高速數(shù)字邏輯電路中心控制單元在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。
*計(jì)數(shù)單元在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。
*FPGA選用Altera公司的Cyclone EP1C12Q240C8。
*脈沖輸出采用連續(xù)觸發(fā)和外部多路獨(dú)立觸發(fā)模式。
*具有多路可編程的頻率信號(hào)輸出，這些信號(hào)由原子頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)鎖相導(dǎo)出。
權(quán)利要求
1.一種基于原子頻標(biāo)和GPS的可編程時(shí)間頻率脈沖信號(hào)發(fā)生器，其特征在于由中心控制單元CPU(2)和分別與CPU(2)連接的GPS模塊(1)、RS232通訊接口(3)、原子頻標(biāo)(4)、觸發(fā)源輸入(5)、頻率、脈沖輸出(6)、鍵盤(7)、顯示系統(tǒng)(8)組成；通過GPS模塊(1)不斷修正原子頻標(biāo)(4)的時(shí)鐘偏差，得到系統(tǒng)穩(wěn)定的頻率基準(zhǔn)，又通過CPU(2)的鎖相環(huán)PLL產(chǎn)生用戶需求的時(shí)鐘頻率和1PPS脈沖。
2.按權(quán)利要求1所述的可編程時(shí)間頻率脈沖信號(hào)發(fā)生器，其特征在于原子頻標(biāo)(4)為壓控晶體振蕩器OCXO(13)，選用SRS公司的PRS10M。
3.按權(quán)利要求1所述的可編程時(shí)間頻率脈沖信號(hào)發(fā)生器，其特征在于GPS模塊(1)選用Motorola公司的M12+。
4.按權(quán)利要求1所述的可編程時(shí)間頻率脈沖信號(hào)發(fā)生器，其特征在于CPU(2)選用FPGA的嵌入式Nios處理器。
5.一種原子頻標(biāo)(4)的GPS修正方法，其特征在于①GPS天線(9)、GPS模塊(1)、CPU(2)依次連接，提供系統(tǒng)需要的時(shí)間信息和1PPS同步信號(hào)；②原子頻標(biāo)(4)為壓控晶體振蕩器OCXO(13)，CPU(2)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC(12)、OCXO(13)依次連接；CPU(2)通過12位DAC(12)來控制磁場(chǎng)，實(shí)時(shí)修正原子頻標(biāo)(4)；③根據(jù)用最小均方根的方法得到的Rb鐘頻率準(zhǔn)確度，確定是否需要進(jìn)行頻率調(diào)整；④在調(diào)整過程中使用較小的移相步進(jìn)量，進(jìn)行逐步調(diào)整。
6.按權(quán)利要求5所述的一種原子頻標(biāo)(4)的GPS修正方法，其特征在于相位調(diào)節(jié)單元(11)利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列器件FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)。
7.按權(quán)利要求5所述的一種原子頻標(biāo)(4)的GPS修正方法，其特征在于高速數(shù)字邏輯電路中心控制單元在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。
8.按權(quán)利要求5所述的一種原子頻標(biāo)(4)的GPS修正方法，其特征在于計(jì)數(shù)單元在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。
9.按權(quán)利要求5所述的一種原子頻標(biāo)(4)的GPS修正方法，其特征在于FPGA選用Altera公司的Cyclone EP1C12Q240C8。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于原子頻標(biāo)和GPS的可編程時(shí)間頻率脈沖信號(hào)發(fā)生器，涉及一種時(shí)間頻率脈沖發(fā)生器。本發(fā)明由中心控制單元CPU2和分別與中心控制單元CPU2連接的GPS模塊1、RS232通訊接口3、原子頻標(biāo)4、觸發(fā)源輸入5、頻率、脈沖輸出6、鍵盤7、顯示系統(tǒng)8組成；通過GPS模塊1不斷修正原子頻標(biāo)4的時(shí)鐘偏差，得到系統(tǒng)穩(wěn)定的頻率基準(zhǔn)，又通過CPU2的鎖相環(huán)PLL產(chǎn)生用戶需求的時(shí)鐘頻率和1PPS脈沖。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)長(zhǎng)、短穩(wěn)兼優(yōu)的目的，可廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、航空航天、無(wú)線通信、電力傳輸，科學(xué)計(jì)量和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H03L7/26GK1845462SQ20061001862
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月24日
發(fā)明者郭唐永, 王培源, 李欣, 杜瑞林, 譚業(yè)春 申請(qǐng)人:中國(guó)地震局地震研究所