专利名称：铷钟驯服系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及铷钟驯服系统。
背景技术：
铷原子钟是一款高精度、高可靠性同步时钟产品，该时钟将高稳定性铷振荡器与 GPS高精度授时、测频及时间同步技术有机的结合在一起，使铷振荡器输出频率同步于GPS 卫星铯原子钟信号上，提高了频率信号的长期稳定性和准确度，能够提供铯钟量级的高精度时间频率标准，是通信广电等部门替代铯钟的高性价比产品。而铷原子频率标准是应用铷同位素87Rb原子超精细结构能级跃迁微波吸收谱线作频率基准，对晶体振荡器的频率进行自动控制，从而得到高稳定度的标准频率。因此根据铷原子频率标准我们可以制造高精度的铷原子钟。在铷原子钟的应用时，常常需要GPS信号(或北斗)作为母钟进行守时，而在GPS信号(或北斗)产生IOOns的瞬时跳变是非常正常的，所以去抖动是必须的。因此在采用GPS信号(或北斗)进行守时时，我需要对铷钟进行校对，使其铷钟无限接近标准时间，而校准后的精度越高越好。
实用新型内容本实用新型的目的在于解决对铷钟进行驯服处理，使铷钟达到较高的精度，同时无限接近标准时间，而提供一种铷钟驯服系统。本实用新型的目的通过下述技术方案实现铷钟驯服系统，包括依次串联连接的标准信号发生模块、高精度时间间隔测试电路、中央处理器、铷振荡器电路，所述铷振荡器电路包括10MHZ输出口和铷秒脉冲输出口，且所述高精度时间间隔测试电路与铷秒脉冲输出口连接。标准信号发生模块，为本铷钟驯服系统提供标准时间脉冲信号(1PPS)；高精度时间间隔测试电路，为测算标准时间脉冲信号(1PPS)和铷秒脉冲输出口发出的铷秒脉冲信号(铷1PPS)的时间间隔，并计算出二者的时间差值，同时将时间差值信号传输到中央处理器中处理运算；铷振荡器电路，在接收到中央处理器发出的修正控制信号后，根据修正控制信号， 做出修正，从而根据修正控制信号进行修正后发出接近标准时间脉冲信号(1PPS)的铷秒脉冲信号(铷IPPS)；中央处理器，为根据时间差值信号，做出运算后对铷振荡器电路发出修正控制信号。所述中央处理器为单片机。所述标准信号发生模块为标准秒脉冲信号发生器或GPS时间信号发生器或北斗时间信号发生器。铷钟驯服系统还包括分别与10MHZ输出口和铷秒脉冲输出口相连接的10MHZ输出端子和铷秒脉冲输出端子。所述铷振荡器电路还包括恒温晶振，所述恒温晶振与铷秒脉冲输出口连接。所述中央处理器与铷振荡器电路之间还连接有数模转换器。所述数模转换器为22位数模转换器。本实用新型的工作原理高精度时间间隔测试电路接收来自标准秒脉冲信号发生器或GPS时间信号发生器或北斗时间信号发生器发出标准时间脉冲信号(IPPS)和铷秒脉冲输出口发出的铷秒脉冲(铷1PPS)，然后采用频率控制相位的原理，即标准时间脉冲信号 (IPPS)和铷秒脉冲(铷1PPS)的相位相参，通过高精度时差测量，计算出时间差值，并获得铷钟输出频率的准确度值，根据其数值在单片机的控制下设置频率微调量，即修正控制信号，当频率准确度驯服到3E-12范围内后，根据时差测量得相位偏移量，用超精细的频率微调(1E-12单步)控制相位同步精度。其中高精度时间间隔测试电路采用内插脉冲测量技术 (分辨率0. 5ns)，因此可以获得很高的相位测量精度，保证了系统同步精度的需要。GPS信号(或北斗)产生IOOns的瞬时跳变是非常正常的，所以去抖动是必须的，为此本系统使用了标准方差，对多次测试值进行偏差估算，以及卡尔曼滤波器平滑处理标准信号的抖动，实现精确的频率偏差测量，通过偏差对铷原子振荡器电路发出的频率进行修正，其修正方式采用逐步逼近。为了更好地克服GPS的固有抖动，利用铷钟输出频率低漂移特性，逐步延长测量的取样时间，通过这些措施有力保证了频率驯服精度和相位同步精度。 这种方式克服采用的移相模式的时间同步时的输出信号相位抖动的问题。本实用新型的有益效果是可对铷钟进行及时修正，在外标准时间脉冲信号 (IPPS)有效时，驯服内铷原子频率源，以获得很高的频率准确度，在外标准时间脉冲信号 (IPPS)无效(或系统设置)时，提供高精度的频率保持精度，以确保系统维持在高精度的工作状态。最终输出信号的精度可以达到1E-12。
图1为本实用新型结构示意图。图2为卡尔曼方程式图。图3为卡尔曼数学模型图。[0024]图4本实用新型驯服频率流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不仅限于此。实施例一如图1所示铷钟驯服系统，包括依次串联连接的标准信号发生模块、高精度时间间隔测试电路、中央处理器、铷振荡器电路，所述铷振荡器电路包括10MHZ输出口和铷秒脉冲输出口，且所述高精度时间间隔测试电路与铷秒脉冲输出口连接。标准信号发生模块，为本铷钟驯服系统提供标准时间脉冲信号(1PPS)；高精度时间间隔测试电路，为测算标准时间脉冲信号(1PPS)和铷秒脉冲输出口发出的铷秒脉冲信号(铷1PPS)的时间间隔，并计算出二者的时间差值，同时将时间差值信号传输到中央处理器中处理运算；铷振荡器电路，在接收到中央处理器发出的修正控制信号后，根据修正控制信号， 做出修正，从而根据修正控制信号进行修正后发出接近标准时间脉冲信号(1PPS)的铷秒脉冲信号(铷IPPS)；中央处理器，为根据时间差值信号，做出运算后对铷振荡器电路发出修正控制信号。所述中央处理器为单片机。所述标准信号发生模块为标准秒脉冲信号发生器或GPS时间信号发生器或北斗时间信号发生器。铷钟驯服系统还包括分别与10MHZ输出口和铷秒脉冲输出口相连接的10MHZ输出端子和铷秒脉冲输出端子。所述铷振荡器电路还包括恒温晶振，所述恒温晶振与铷秒脉冲输出口连接。所述中央处理器与铷振荡器电路之间还连接有数模转换器。所述数模转换器为22位数模转换器。数模转换器将单片机中的数字信号转为模拟信号，以此控制铷振荡器电路。铷振荡器电路是以超精细|2. 0>—一 I 1.0 I跃迁频率(6834. 68750MHz)作为标准频率，控制恒温晶体振荡器的振荡频率，从而使晶振输出准确、稳定的频率给用户。 IOMHz晶体振荡器的输出信号分为两路。一路被伺服电路输出的127Hz正弦波调相后，再经六次倍频到60MHz，另一路经频率综合器得到频5.3125MHz的输出信号，两路信号在倍频综合上相加，然后再送到谐振腔内的阶跃恢复二极管上，对60MHz信号进行114次倍频得6840MHz的信号，该信号与5. 317460MHz的信号相减后，得到6834. 6875MHz的信号，进入谐振腔派励铷原子基态0-0能级上的原子跃迁。当微波激励信号的频率与87Rb原子
2. 0> 一一 11. 0 I跃迁频率不相符时，则谐振器有一误差信号输出，误差信号经伺服电路进行放大、滤波、解调得到一个直流的控制电压，并反馈到晶体振荡器进行频率自动微调， 使晶振输出的频率同铷原子基态0 - 0能级上的原子跃迁频率一样准确、稳定。晶振的输出信号送到放大器区分为IOMHz正弦信号供给用户。IOMHz正弦信号通过10MHZ输出口输出ο铷振荡器电路产生的铷秒脉冲(铷1PPS)—部分输出给用户，一部分传输到高精度时间间隔测试电路，经过高精度时间间隔测试电路将铷秒脉冲(铷1PPS)和标准时间脉冲信号(IPPS)做比较和计算后，输出时间差值信号传输到单片机运算，单片机输出修正控制信号，以此控制铷振荡器电路修正其输出的铷秒脉冲(铷1PPS)，最终达到铷秒脉冲(铷1PPS) 接近标准时间脉冲信号(1PPS)。其中，在高精度时间间隔测试电路中对测量误差分析采用如下原理ΔΤ δ = Gδ+Se其中GS- GPS秒信号抖动随机误差，Gs的不确定度是士80ns ;SE— Rb秒信号漂移系统误差；时差测量真值的可信度ΔΤ/Τ = ( ΔΤ2-ΔΤ1) /t = (G5+Se2-Sei) /t根据上式可知，系统测量精度与Gs和取样时间间隔有关；[0046]假定GS的不确定度是士80ns ；那么，得到1E-12的测量精度，其时间间隔:t= 80*1E-12=80000秒 1天；如图2所示为了提高测量精度，只有改善Gs的性能，最好的方法卡尔曼算法。卡尔曼算法模型方程
Xt =Xt^ VW1 IijIiwv 为系统噪声H + rt 为观测噪声⑴计算滤波初始值X0 = YiXl Im ,即为前m个值求平均值
u
(‘ΛPa = X(X1 X0KXt X0) Im 初始协方差
J其中，滤波计算如图3卡尔曼数学模型所示其中为初始的观测噪声，以后随着滤波的进行，观测噪声为自适应值。见图二的滤波计算流程。&=50._0。Q为系统噪声，此值可以根据反复试验，确定此值，此值基本上是常数，这里取0 = 0..05,, 0<b<l为遗忘因子，一般取0.95— 0.99，这里取b=0.95.上面图中的4为观测序列值，在这里就为秒差值。通过卡尔曼的数字滤波处理，将使Gs有很好的改善，得到我们满意的士25ns。由上式可知1E-12的频率测量精度所需的时间25000秒。本实用新型中的频率驯服流程根据卡尔曼滤波的置信区、测量精度，设置了 3个频率驯服过程①时差测量1 秒产生在标准时间脉冲信号(IPPS)有效并执行可同步命令，系统将产生滞后标准秒约 2000uS测试秒，其目的是保证脉冲展宽的准确性和克服非线性误差。②初始化频率驯服，如图4所示当时间间隔是200秒，算法如下AF/F = (T2-T1) /200 (单位 e_9)如果Δ F/F彡5Ε-10进行频率修正，设置SF=_250，返回时差测量Rb秒产生；Δ F/F彡5Ε-10,就顺序测量AF/F = (Τ3-Τ1) /400 (单位 e_9)如果AF/F彡3E-10进行频率修正，设置SF=_150，返回时差测量Rb秒产生； AF/F彡3E-10，就顺序测量AF/F = (T4-T1) /600 (单位 e_9)如果AF/F彡2E-10进行频率修正，设置SF=_100，返回时差测量Rb秒产生； AF/F彡2E-10，就顺序测量AF/F = (T4-T1) /800 (单位 e_9)如果Δ F/F彡1Ε-10进行频率修正，设置SF=_50，返回时差测量Rb秒产生；Δ F/F^ 1E-10，就顺序测量AF/F = (T5-T1) /1000 (单位 e_9)如果Δ F/F彡1Ε-10进行频率修正，设置SF=_50，返回时差测量Rb秒产生；Δ F/ 1Ε-10，就顺序测量(进入中精度测量)③信号同步信号同步，系统采用移相式相位同步技术，将测量时差所需要的铷秒脉冲信号(铷 1PPS)与输出铷秒脉冲信号(铷1PPS)好分开，这样可以直接移相式相位同步而不影响系统的测量机制。采取上述方式，就能较好地实现本实用新型。
权利要求1.铷钟驯服系统，其特征在于包括依次串联连接的标准信号发生模块、高精度时间间隔测试电路、中央处理器、铷振荡器电路，所述铷振荡器电路包括10MHZ输出口和铷秒脉冲输出口，且所述高精度时间间隔测试电路与铷秒脉冲输出口连接。
2.根据权利要求1所述的铷钟驯服系统，其特征在于所述中央处理器为单片机。
3.根据权利要求1所述的铷钟驯服系统，其特征在于所述标准信号发生模块为标准秒脉冲信号发生器或GPS时间信号发生器或北斗时间信号发生器。
4.根据权利要求1所述的铷钟驯服系统，其特征在于还包括分别与10MHZ输出口和铷秒脉冲输出口相连接的10MHZ输出端子和铷秒脉冲输出端子。
5.根据权利要求1所述的铷钟驯服系统，其特征在于所述铷振荡器电路还包括恒温晶振，所述恒温晶振与铷秒脉冲输出口连接。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的铷钟驯服系统，其特征在于所述中央处理器与铷振荡器电路之间还连接有数模转换器。
7.根据权利要求5所述的铷钟驯服系统，其特征在于所述数模转换器为22位数模转换器。
专利摘要本实用新型公开了铷钟驯服系统，包括依次串联连接的标准信号发生模块、高精度时间间隔测试电路、中央处理器、铷振荡器电路，所述铷振荡器电路包括10MHZ输出口和铷秒脉冲输出口，且所述高精度时间间隔测试电路与铷秒脉冲输出口连接。可对铷钟进行及时修正，在外标准时间脉冲信号(1PPS)有效时，驯服内铷原子频率源，以获得很高的频率准确度，在外标准时间脉冲信号(1PPS)无效(或系统设置)时，提供高精度的频率保持精度，以确保系统维持在高精度的工作状态。最终输出信号的精度可以达到1E-12。
文档编号G04G7/02GK202102264SQ20112021722
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者杨正, 王泽宽, 黄希睿 申请人:成都可为科技发展有限公司