专利名称：基于原子频标和gps的可编程时间频率脉冲信号发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种时间频率脉冲发生器，具体地说，涉及一种基于原子频标和GPS的可编程时间频率脉冲信号发生器；可广泛应用于导航定位、航空航天、无线通信、电力传输，科学计量和教学实验等领域。
背景技术：
自17世纪以来，天文学家们以地球自转和世界时作为时间尺度；但是随着社会的进步和科学技术(特别是航天、空间物理、军事等)的飞速发展，使人们对时间尺度的精度需求越来越高。
1953年，世界上第一台原子钟在美国哥伦比亚大学由三位科学家研制成功；原子钟的出现使时钟准确度达到10-13～10-15量级。原子频标具有良好的短期稳定度，在工程上具有十分重要的应用价值。但是由于受物理机理的限制，原子频标的长稳指标不够好，限制了它在诸多领域的应用。
GPS卫星信号是一种十分重要的全世界可共享的信息源；基于GPS的时间频率系统具有良好的长期稳定性，可以提供精确的定位、定时和校频。GPS时间同步技术在国际时间频率的协调、新型时频计量传递系统建立、数字通信系统、电力和供电系统、运输系统以及许多其他领域都有广阔的应用前景。但是由于GPS时间信息在短稳方面的缺陷，限制它的应用。
脉冲信号发生器作为测试和电子教学必备的设备发展已比较成熟，可以实现频率、脉宽的调节。但在一些时间实验系统的应用中，往往需要外部触发产生同步脉冲输出。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，而提供一种基于原子频标和GPS技术的可编程时间频率脉冲信号发生器。本发明克服了原子频标和GPS各自的不足，提高了系统的时间稳定性的指标，满足了对频率标准长、短稳兼优的要求；同时，由于加入了外部触发输入，解决了应用中系统同步的问题。
本发明的目的是这样实现的在原子频标中，由量子系统本身提供一个短期稳定的频率，再通过长期稳定的GPS信号不断地修正，得到精确的时间频率基准信号，甚至在脱离GPS信号下仍可维持一个稳定的频率输出。
一、可编程时间频率脉冲信号发生器(简称信号发生器)由图1可知，本信号发生器由GPS模块1、中心控制单元(CPU)2、RS232通讯接口3、原子频标4、触发源输入5，频率、脉冲输出6，键盘7，显示系统8组成；各部件之间的连接关系是原子频标4、GPS模块1分别与CPU2相连，通过GPS模块1不断修正原子频标4的时钟偏差，得到系统稳定的频率基准，又通过CPU2的锁相环(PLL)产生用户需求的时钟频率和1PPS脉冲；触发源输入5与CPU2相连，触发产生频率信号输出；RS232通讯接口3与CPU2相连，远程控制系统，编程设定频率、脉冲输出6、触发源输入5、查询系统的参数；获取GPS模块1接收卫星的状态；显示系统8、键盘7与CPU2相连，配合控制系统，编程设定频率、脉冲输出6、触发源输入5，初始GPS信息；查询系统的参数；GPS模块1接收卫星的状态。
二、原子频标4的GPS修正方法原子频标4的GPS修正原理如图2所示，有下列步骤①GPS天线9、GPS模块1、CPU2依次连接，提供系统需要的时间信息和1PPS同步信号；②原子频标4为压控晶体振荡器(OCXO)13，CPU2、数模转换器(DAC)12、压控晶体振荡器(OCXO)13依次连接；由于原子频标4谐振腔内的磁场线圈是用来调整原子超精细跃迁的频率的，所以CPU2通过12位DAC(12)来控制磁场，实时修正原子频标4；
③根据用最小均方根的方法得到的Rb钟频率准确度，确定是否需要进行频率调整；④在调整过程中使用较小的移相步进量，进行逐步调整，否则容易引起频率振荡，影响短期稳定度。
系统主要功能如下1、GPS模块1具备并行12通道，提高了系统时间频率修正和定位精度。
2、提供4路独立时钟频率输出6，频率1MHz～100MHz可编程调节，稳定性2×10-12。
3、提供3路独立脉冲输出6，多种编程方式，编程脉冲宽度5ns～100ms，分辨率1ns。
4、1PPS脉冲输出14，时间精度25ns，脉冲宽度可编程。
5、提供2路独立脉冲触发源输入5，触发脉冲输出6信号。脉冲输出可选连续触发和外部触发两种模式。
6、显示系统8采用VFD显示模块，自动发光，高清晰度和高亮度使其具有更佳显示效果，宽视角反应速度快，提供英文、中文、图形显示。
7、显示系统8、键盘7配合可查询，修改系统状态，编程设定系统参数。
8、RS232通讯接口3通用DB9接口可查询，修改系统状态，编程设定系统参数。
9、前面板提供3盏高亮LED，显示电源，GPS卫星状态，1PPS显示。
本发明与现有技术相比具有以下优点1、在原子频率标准中，通过GPS模块的修正，实现了系统长、短稳兼优的目的。
2、具有重量轻和体积、功耗小的优点。
3、独有的伺服控制系统，缩短系统稳定时间。
4、具有多路可编程脉冲输出，并提供独立的外部触发输入。
5、多用户接口，RS232通讯接口3、键盘7设定编程，并提供高亮度宽视角显示器。
6、可广泛应用于导航定位、航空航天、无线通信、电力传输，科学计量和教学实验等领域。
图1为本发明组成框图；图2为时间频率伺服系统框图；图3为压控晶体振荡器(OCXO)原理图。
其中1-GPS模块；2-中心控制单元(CPU)；3-RS232通讯接口； 4-原子频标；5-触发输入端口； 6-频率、脉冲输出；7-键盘； 8-显示系统；9-GPS天线；10-相位比较单元；11-相位调节单元； 12-数模转换器(DAC)；13-压控晶体振荡器(OCXO)； 14-1PPS脉冲输出。
具体实施例方式
1、关于信号发生器*压控晶体振荡器(OCXO)单元13选用SRS公司的PRS10M。
*GPS模块1选用Motorola公司的M12+。
*中心控制单元(CPU)2选用FPGA的嵌入式Nios处理器。
2、关于原子频标4的GPS修正方法*相位调节单元11利用现场可编程门阵列器件(FPGA)内部锁相环实现。
*高速数字逻辑电路中心控制单元在FPGA内部实现。
*计数单元在FPGA内部实现。
*FPGA选用Altera公司的Cyclone EP1C12Q240C8。
*脉冲输出采用连续触发和外部多路独立触发模式。
*具有多路可编程的频率信号输出，这些信号由原子频率标准信号锁相导出。
权利要求
1.一种基于原子频标和GPS的可编程时间频率脉冲信号发生器，其特征在于由中心控制单元CPU(2)和分别与CPU(2)连接的GPS模块(1)、RS232通讯接口(3)、原子频标(4)、触发源输入(5)、频率、脉冲输出(6)、键盘(7)、显示系统(8)组成；通过GPS模块(1)不断修正原子频标(4)的时钟偏差，得到系统稳定的频率基准，又通过CPU(2)的锁相环PLL产生用户需求的时钟频率和1PPS脉冲。
2.按权利要求1所述的可编程时间频率脉冲信号发生器，其特征在于原子频标(4)为压控晶体振荡器OCXO(13)，选用SRS公司的PRS10M。
3.按权利要求1所述的可编程时间频率脉冲信号发生器，其特征在于GPS模块(1)选用Motorola公司的M12+。
4.按权利要求1所述的可编程时间频率脉冲信号发生器，其特征在于CPU(2)选用FPGA的嵌入式Nios处理器。
5.一种原子频标(4)的GPS修正方法，其特征在于①GPS天线(9)、GPS模块(1)、CPU(2)依次连接，提供系统需要的时间信息和1PPS同步信号；②原子频标(4)为压控晶体振荡器OCXO(13)，CPU(2)、数模转换器DAC(12)、OCXO(13)依次连接；CPU(2)通过12位DAC(12)来控制磁场，实时修正原子频标(4)；③根据用最小均方根的方法得到的Rb钟频率准确度，确定是否需要进行频率调整；④在调整过程中使用较小的移相步进量，进行逐步调整。
6.按权利要求5所述的一种原子频标(4)的GPS修正方法，其特征在于相位调节单元(11)利用现场可编程门阵列器件FPGA内部锁相环实现。
7.按权利要求5所述的一种原子频标(4)的GPS修正方法，其特征在于高速数字逻辑电路中心控制单元在FPGA内部实现。
8.按权利要求5所述的一种原子频标(4)的GPS修正方法，其特征在于计数单元在FPGA内部实现。
9.按权利要求5所述的一种原子频标(4)的GPS修正方法，其特征在于FPGA选用Altera公司的Cyclone EP1C12Q240C8。
全文摘要
本发明公开了一种基于原子频标和GPS的可编程时间频率脉冲信号发生器，涉及一种时间频率脉冲发生器。本发明由中心控制单元CPU2和分别与中心控制单元CPU2连接的GPS模块1、RS232通讯接口3、原子频标4、触发源输入5、频率、脉冲输出6、键盘7、显示系统8组成；通过GPS模块1不断修正原子频标4的时钟偏差，得到系统稳定的频率基准，又通过CPU2的锁相环PLL产生用户需求的时钟频率和1PPS脉冲。本发明实现了系统长、短稳兼优的目的，可广泛应用于导航定位、航空航天、无线通信、电力传输，科学计量和教学实验等领域。
文档编号H03L7/26GK1845462SQ20061001862
公开日2006年10月11日 申请日期2006年3月24日 优先权日2006年3月24日
发明者郭唐永, 王培源, 李欣, 杜瑞林, 谭业春 申请人:中国地震局地震研究所