CN106940399A - 基于原子钟的时间频率评估装置 - Google Patents

基于原子钟的时间频率评估装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于原子钟的时间频率评估装置，所述时间频率评估装置包括原子频标、测温模块、温度系数补偿、多路时基检测模块、微处理器；所述原子频标依次与所述温度***补偿，用于所述温度系数补偿接收原子频标输出的频率信号，所述温度***补偿与所述多路时基检测模块，用于将所述温度***补偿接收到的频率信号补偿后输出至所述多路时基检测模块；所述测温模块与所述原子频标连接，用于测量所述原子钟外界工作环境的温度信息；所述测温模块与微处理器连接，用于将所述温度信息发送至所述微处理器；所述微处理器与所述温度系数补偿连接。

Description

基于原子钟的时间频率评估装置
技术领域
本发明涉及电路技术领域，特别涉及一种基于原子钟的时间频率评估装置。
背景技术
原子钟以其超高的稳定度指标，已经应用在诸如卫星导航、时基授时、时间同步、国防军事等许多时频领域。考虑到上述应用领域的具体要求，尤其是野外作业对环境的苛刻要求，原子钟多变的外界环境，尤其是工作温度环境，而原子钟***温度系数的存在一直都是该领域科研工作者研究的课题，外界环境温度的变化将会引起***内部灯温、腔温等核心部件工作温度的变化，进一步造成原子超精细结构0-0跃迁频率的不稳定，最终影响***频率输出的稳定性。
发明内容
本发明提供一种基于原子钟的时间频率评估装置，解决了上述技术问题，达到了能够减小或是抵消原子钟外界工作环境温度的变化引起的整机输出信号频率稳定度的影响的技术效果。
本发明提供一种基于原子钟的时间频率评估装置，所述时间频率评估装置包括原子频标、测温模块、温度系数补偿、多路时基检测模块、微处理器；所述原子频标依次与所述温度***补偿，用于所述温度系数补偿接收原子频标输出的频率信号，所述温度***补偿与所述多路时基检测模块，用于将所述温度***补偿接收到的频率信号补偿后输出至所述多路时基检测模块；所述测温模块与所述原子频标连接，用于测量所述原子钟外界工作环境的温度信息；所述测温模块与微处理器连接，用于将所述温度信息发送至所述微处理器；所述微处理器与所述温度系数补偿连接。
优选的，所述温度系数补偿包括DDS外部参考时钟端，用于为DDS提供时基参考。
优选的，所述温度系数补偿还包括C场电流补偿模块，所述C场电流补偿模块包括VCSS恒流单元、C场漆包线及D/A模块；所述VCSS恒流模块的输出端与所述C场漆包线连接，所述述D/A模块与所述VCSS恒流模块连接；用于根据所述D/A模块转换后的控制电压调节所述C场漆包线通过的电流。
优选的，所述多路时基检测模块由多个单一化电路组成。
优选的，所述单一化电路包括隔离放大器、走时计数、锁存器、微处理器、高精度计数器、DDS模块、滤波整形模块；所述隔离放大器分别与所述走时计数、DDS模块连接，用于接收被测时钟源并经过所述隔离放大器后分两路信号，分别送入所述走时计数、DDS模块；所述走时计数依次与所述锁存器、微处理器、高精度计数器串联连接；所述DDS模块、滤波整形模块及高精度计数器依次串联连接；所述微处理器与DDS模块连接，所述被测时钟源为补偿后输出的频率信号。
优选的，微处理器通过对锁存器的访问得到转化后的被测时钟源的频率值，并通过命令字改写DDS中另一路隔离放大器送入的被测时钟源频率信号的分频值，使DDS输出信号为1Hz，经滤波整形与微处理器控制的一路‘0’或‘1’信号送至，经‘与’运算得到受微处理器‘0’、‘1’控制的检定用1PPS的信号输出。
本申请至少存在如下有益效果
本申请在传统原子钟技术之上，新增了测温模块和温度系数补偿模块。新增模块能够减小或是抵消原子钟外界工作环境温度的变化引起的整机输出信号频率稳定度的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1为本申请较佳实施方式一种时域信号优化仿真***的示意图；
图2为C场电流补偿原理图；
图3为多路时基检测模块的原理图；
图4为频率源信号采样检定原理的电路图；
图5为信号源采样时序图；
图6为程序执行流程图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本申请提供一种基于原子钟的时间频率评估装置，所述时间频率评估装置包括原子频标、测温模块、温度系数补偿、多路时基检测模块、微处理器；
所述原子频标依次与所述温度***补偿，用于所述温度系数补偿接收原子频标输出的频率信号，所述温度***补偿与所述多路时基检测模块，用于将所述温度***补偿接收到的频率信号补偿后输出至所述多路时基检测模块；
所述测温模块与所述原子频标连接，用于测量所述原子钟外界工作环境的温度信息；所述测温模块与微处理器连接，用于将所述温度信息发送至所述微处理器；所述微处理器与所述温度系数补偿连接。
所述温度系数补偿包括DDS外部参考时钟端，用于为DDS提供时基参考。所述温度系数补偿还包括C场电流补偿模块，所述C场电流补偿模块包括VCSS恒流单元、C场漆包线及D/A模块；所述VCSS恒流模块的输出端与所述C场漆包线连接，所述述D/A模块与所述VCSS恒流模块连接；用于根据所述D/A模块转换后的控制电压调节所述C场漆包线通过的电流。
a)外部DDS频率控制
来自于原子频标的频率输出信号fo送至温度补偿模块中的DDS外部参考时钟端，用于为DDS提供时基参考；
来自于测温模块的外界环境温度信息T送至微处理器，用于微处理器对环境温度T变化进行判断，一旦T发生变化，微处理器将对DDS进行频率修正，其具体修正的方法如下：假如原子频标***的温度系数为+1E-12，即外界环境温度T每升高10C将引起原子频标***输出信号fo频率稳定度发生+1E-12量级的变化。以fo＝10MHz为例，T变化10C，则f/fo＝+1E-12，即f＝(+1E-5)Hz＝10Hz，微处理器需要对DDS进行负反馈(-1E-5)Hz＝-10Hz的修正。
在实施例中采用的DDS芯片为AD9854，以10MHz参考时基为例，当不用内部PLL锁相环时，它的最小频率分辨率为10MHz/248(4E-8)Hz。微处理器根据DDS的控制时序，输出相应的电平信号作用于DDS使其输出频率发生改变，同时将测温模块测量得到温度T参数值转化为相应频率修正值，给DDS内部的48位频率寄存器进行‘0’、‘1’填充，比如某一时刻原子频标输出的频率值为10MHz，该***的温度系数为+1E-12，温度检测模块发送至微处理器的环境温度信息为升高10℃，那么此时微处理器需要对DDS进行负反馈处理，即对DDS进行10MHz-10Hz频率控制输出，具体工作原理为：原子频标输出的f0＝10MHz输送至DDS的时基参考端，DDS内部对其进行2倍频处理，即DDS实际工作的频率为20MHz，在上述提及的48位频率寄存器中，假如微处理器对其48位全部置‘1’，则DDS微处理器的时序控制信号下，将输出20MHz的频率，同样的道理，假如微处理器对其48位全部置‘0’，则DDS微处理器的时序控制信号下，将输出0MHz的频率。此时欲要输出10MHz-10Hz频率信号，则相应的48位频率寄存器的值应为：
(10MHz-10Hz)*248/20MHz＝140737488355187(d)＝7FFFFFFFFF73(h)＝11111111111111111111111111111111111111101110011(b)，微处理器在DDS时序控制信号下，将48位频率控制字写入DDS中，DDS则相应输出修正后的频率信号，即补偿输出f1至用户端。
b)内部C场电流补偿
请参阅图2，原子钟输出频率f0与磁场(C场)存在着如下关系：
Δf/f＝1.68×10-7HΔH (1)
式中，f为原子基态超精细结构0-0跃迁频率，在实际的原子钟***中，上述原子钟输出信号频率f0间接反应了f的值；Δf为实际频率变化的大小值；H为***内部C场大小值，在实际的原子钟***中由于采用了螺旋管C场漆包线绕制方式，故上图中的电流I值反应了H的值；ΔH为实际C场变化的大小值。
由此原子钟输出信号频率计数值与C场电流I的转换关系，其大小值以具体的一台原子钟腔泡***以及C场漆包线绕制层数等有较大关系。而我们关心的是C场电流I的变化能够引起原子钟输出信号频率变化的量级，这是本专利的核心所在，这个量级随不同的原子钟而有所差异，大致范围为10-12—10-11。这样当用户预置原子钟整机输出信号频率复现值为f0＝10,000,000.000,00(Hz)时，处理器将f0作为复现基准频率值，一旦在采样时间t(例如10S)内发生变化，即f0＝10,000,000.000,0×(Hz)在‘×’位以及之前位发生变化时，处理器会根据实际的原子钟C场电流I与输出频率f0间转换关系，改变D/A输出，D/A经电压控制电流源VCCS模块后，使绕制在原子钟共振腔体壁上的C场线圈中的电流I发生变化，从而使C场大小值H发生变化，进一步修正原子钟的输出信号频率f0。
关于多路时基检测模块
请参阅图3和图4，所述多路时基检测模块由多个单一化电路组成。所述单一化电路包括隔离放大器、走时计数、锁存器、微处理器、高精度计数器、DDS模块、滤波整形模块；所述隔离放大器分别与所述走时计数、DDS模块连接，用于接收被测时钟源并经过所述隔离放大器后分两路信号，分别送入所述走时计数、DDS模块；所述走时计数依次与所述锁存器、微处理器、高精度计数器串联连接；所述DDS模块、滤波整形模块及高精度计数器依次串联连接；所述微处理器与DDS模块连接，所述被测时钟源为补偿后输出的频率信号。
以被测时钟源1单一化电路为例：被测时钟源1加载到上图中的频率源信号端，经过隔离放大器后，一路信号进入走时计数中，走时计数对被测时钟源1进行处理，得到相应的频率值并送至锁存器1。微处理器通过对锁存器1的访问得到转化后的被测时钟源1的频率值，并通过命令字改写DDS中另一路自隔离放大器送入的被测时钟源1频率信号的分频值，使DDS输出信号为1Hz，经滤波整形与微处理器控制的一路‘0’或‘1’信号送至，经‘与’运算得到受微处理器‘0’、‘1’控制的检定用1PPS的信号输出。
图4中高精度计数器工作时的开门信号、关门信号请参阅图5，假定A为参考时钟源即补偿后原子钟输出信号，B为被测时钟源N，而同时被检定的时钟源N＝10台，采样的时间T为“天”，则有下列一种方案：对N＝1的被测时钟源1，在某一早上6：01，微处理器根据图3中参考时钟源信号的上升沿信号记为图4中A信号的上升沿，此时处理器给图3中的‘与’门一个‘1信号，由于此时‘与’门的另一路来源于被测时钟源信号1为‘0’，所以整个‘与’门输出为‘0’。我们记为此时刻为使能高精度计数器“开始计数”操作；当图4中被测时钟源N信号经过隔离放大器、DDS、滤波整形处理后的上升沿到来时，图4中与门运算得到‘1’，此时关闭高精度时间间隔计数器计数操作，如图6中所示，即“结束计数”。从而得到一个被测时钟源1与参考时钟源时差数据t1(图中为x(t))。次日早上6：01，重复上面过程，从而得到一个被测时钟源1与参考时钟源时差数据t2(图中为x(t+Δt))，我们有，Δt1＝t2-t1，再重复上面Δt1的过程，有公式：
Δti＝ti+1-ti (2)
其它的N＝2、3、…10对应的被测时钟源2、被测时钟源3、…被测时钟源10的测量方法和被测时钟源1一样，只是测量时间选择在早上6：02、早上6：03、…早上6：10即可。这种方法还有一个好处：在短时间内完成多台N＝10台时钟源的检定。
采样的时间T为“天”，计算被测时钟源稳定度，根据式(2)有：
(Δf/f)i＝(Δti+1-Δti)/(t) (3)
在式(3)中，因为采样的时间T为“天”(即86400秒)，故t＝86400。将式(3)得到的(Δf/f)i数据代入阿仑方差计算式(4)中得出最后的被测时钟源稳定度指标。
本申请至少存在如下有益效果：
本申请在传统原子钟技术之上，新增了测温模块和温度系数补偿模块。新增模块能够减小或是抵消原子钟外界工作环境温度的变化引起的整机输出信号频率稳定度的影响。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于原子钟的时间频率评估装置，其特征在于，所述时间频率评估装置包括原子频标、测温模块、温度系数补偿、多路时基检测模块、微处理器；
所述原子频标依次与所述温度***补偿，用于所述温度系数补偿接收原子频标输出的频率信号，所述温度***补偿与所述多路时基检测模块，用于将所述温度***补偿接收到的频率信号补偿后输出至所述多路时基检测模块；
所述测温模块与所述原子频标连接，用于测量所述原子钟外界工作环境的温度信息；所述测温模块与微处理器连接，用于将所述温度信息发送至所述微处理器；所述微处理器与所述温度系数补偿连接。
2.如权利要求1所述的时间频率评估装置，其特征在于，所述温度系数补偿包括DDS外部参考时钟端，用于为DDS提供时基参考。
3.如权利要求2所述的时间频率评估装置，其特征在于，所述温度系数补偿还包括C场电流补偿模块，所述C场电流补偿模块包括VCSS恒流单元、C场漆包线及D/A模块；所述VCSS恒流模块的输出端与所述C场漆包线连接，所述述D/A模块与所述VCSS恒流模块连接；用于根据所述D/A模块转换后的控制电压调节所述C场漆包线通过的电流。
4.如权利要求1所述的时间频率评估装置，其特征在于，所述多路时基检测模块由多个单一化电路组成。
5.如权利要求4所述的时间频率评估装置，其特征在于，所述单一化电路包括隔离放大器、走时计数、锁存器、微处理器、高精度计数器、DDS模块、滤波整形模块；所述隔离放大器分别与所述走时计数、DDS模块连接，用于接收被测时钟源并经过所述隔离放大器后分两路信号，分别送入所述走时计数、DDS模块；所述走时计数依次与所述锁存器、微处理器、高精度计数器串联连接；所述DDS模块、滤波整形模块及高精度计数器依次串联连接；所述微处理器与DDS模块连接，所述被测时钟源为补偿后输出的频率信号。
6.如权利要求5所述的时间频率评估装置，其特征在于，微处理器通过对锁存器的访问得到转化后的被测时钟源的频率值，并通过命令字改写DDS中另一路隔离放大器送入的被测时钟源频率信号的分频值，使DDS输出信号为1Hz，经滤波整形与微处理器控制的一路‘0’或‘1’信号送至，经‘与’运算得到受微处理器‘0’、‘1’控制的检定用1PPS的信号输出。
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