基于FPGA的北斗驯服铷原子频标装置的研制
发布时间：2021-02-20 09:19
为了提高铷原子钟频率的准确度和稳定度,设计了基于FPGA技术的多路输出北斗驯服铷原子频标装置。装置采用粗测和细测的时间间隔测量方法实现铷原子频率的驯服和时间跟踪与同步。采用模块化设计和编程,提高了装置的通用性和可移植性。以铯原子钟时间频率为参照,利用该装置对铷原子钟驯服前后的数据进行多次比对测试,结果表明其频率的相对准确度达到了1. 5×10-13,相对稳定度达到6. 97×10-13。
【文章来源】：计量学报. 2020,41(03)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
铷钟驯服结构框图
目前，实现高精度时间间隔测量的方法有多种，如模拟内插法、时间幅度转换法、游标法、延迟线内插法等[9]。这几种测量方法测时分辨率最高可以达到几个ps量级。对于一个给定的时间间隔，为获得动态范围大、精度高的时间间隔测量，通常方法是用频标信号进行填充，然后用计数器计数，根据测得的标频脉冲个数，计算出时间间隔，其基本原理如图2所示。在计数过程中，由于填充脉冲与时间间隔构成的闸门边沿的相位关系具有随机性，因此会产生±1个计数误差[10]。为了减小测量电路分辨率带入的±1个计数误差，为此，采用了计数法与延迟线内插法相结合的方法。以计数法实现“粗”计数，以延迟线内插法实现“精”时间测量。根据图2得出任意待测时间间隔Tx可以表示成如下形式:
延迟线内插法的突出优点可实现单片集成，可以在FPGA或专门的ASIC上实现[11]。本设计采用Altera公司的CycloneII系列器件EP2C5T144I6N来实现，该器件精度高，可配置的逻辑模块规模大，调试简单，功耗低，支持2个工作线程，多工作模式，工作方式灵活，能实现双通道250 ps分辨率或单通道125 ps分辨率[12]。可精确测量时间、相位、频率等物理量。设计的时间间隔测量框图如图3所示。图3中BD＿PPS2作为粗计数开门信号的同时也是细计数的关门信号。另外，BD＿PPS2信号是BD＿PPS1经10 MHz同步产生的，而本地秒脉冲Local＿PPS的发生也来自10 MHz时基，因此两者相关(上升沿同时与10 MHz上升沿重合)。这样，用10 MHz进行填充时粗计数始终为100 ns的整数倍，不存在任何余量，从而可以避免求取ΔT2的过程，同时也实现了粗细测量的无缝连接。测量时序图如图4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]卫星导航接收机时延测定技术研究[J]. 朱江,李振华. 计量学报. 2019(05)
[2]基于FPGA和TDC芯片的高精度时间间隔计数器研制[J]. 闫菲菲,马红皎,何在民,邢燕. 时间频率学报. 2019(01)
[3]一种原子钟频率稳定度的估计方法[J]. 王玉琢,张爱敏,张越,杨志强. 计量学报. 2018(03)
[4]基于FPGA实现TDC的布局布线优化方法研究[J]. 尹文芹,施韶华,刘音华,李孝辉. 时间频率学报. 2018(01)
[5]时间频率信号精密测量计数器的设计与实现[J]. 李泽宁,温淑敏,何磊磊,隋朋洲. 无线电通信技术. 2017(06)
[6]原子钟频差数据去噪算法的研究[J]. 朱江淼,孙盼盼,高源,秦慧军. 计量学报. 2017(04)
[7]基于FPGA的时间间隔测量设计与实现[J]. 魏煜秦,孔洁,杨海波,赵红赟,千奕,佘乾顺,陈金达,李良辉,苏弘. 原子能科学技术. 2017(10)
[8]多通道时间间隔测量分析系统的设计与实现[J]. 孟令达,施韶华,赵志雄,樊多盛,李孝辉. 时间频率学报. 2017(02)
[9]高精度时间间隔测量在时间比对和频率校准中的应用[J]. 高帅,谷力,刘烈曙. 现代导航. 2016(04)
[10]基于锁相环的解调技术研究[J]. 罗莹,张志伟,杨宁. 计量学报. 2015 (04)
本文编号：3042562
【文章来源】：计量学报. 2020,41(03)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
铷钟驯服结构框图
目前，实现高精度时间间隔测量的方法有多种，如模拟内插法、时间幅度转换法、游标法、延迟线内插法等[9]。这几种测量方法测时分辨率最高可以达到几个ps量级。对于一个给定的时间间隔，为获得动态范围大、精度高的时间间隔测量，通常方法是用频标信号进行填充，然后用计数器计数，根据测得的标频脉冲个数，计算出时间间隔，其基本原理如图2所示。在计数过程中，由于填充脉冲与时间间隔构成的闸门边沿的相位关系具有随机性，因此会产生±1个计数误差[10]。为了减小测量电路分辨率带入的±1个计数误差，为此，采用了计数法与延迟线内插法相结合的方法。以计数法实现“粗”计数，以延迟线内插法实现“精”时间测量。根据图2得出任意待测时间间隔Tx可以表示成如下形式:
延迟线内插法的突出优点可实现单片集成，可以在FPGA或专门的ASIC上实现[11]。本设计采用Altera公司的CycloneII系列器件EP2C5T144I6N来实现，该器件精度高，可配置的逻辑模块规模大，调试简单，功耗低，支持2个工作线程，多工作模式，工作方式灵活，能实现双通道250 ps分辨率或单通道125 ps分辨率[12]。可精确测量时间、相位、频率等物理量。设计的时间间隔测量框图如图3所示。图3中BD＿PPS2作为粗计数开门信号的同时也是细计数的关门信号。另外，BD＿PPS2信号是BD＿PPS1经10 MHz同步产生的，而本地秒脉冲Local＿PPS的发生也来自10 MHz时基，因此两者相关(上升沿同时与10 MHz上升沿重合)。这样，用10 MHz进行填充时粗计数始终为100 ns的整数倍，不存在任何余量，从而可以避免求取ΔT2的过程，同时也实现了粗细测量的无缝连接。测量时序图如图4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]卫星导航接收机时延测定技术研究[J]. 朱江,李振华. 计量学报. 2019(05)
[2]基于FPGA和TDC芯片的高精度时间间隔计数器研制[J]. 闫菲菲,马红皎,何在民,邢燕. 时间频率学报. 2019(01)
[3]一种原子钟频率稳定度的估计方法[J]. 王玉琢,张爱敏,张越,杨志强. 计量学报. 2018(03)
[4]基于FPGA实现TDC的布局布线优化方法研究[J]. 尹文芹,施韶华,刘音华,李孝辉. 时间频率学报. 2018(01)
[5]时间频率信号精密测量计数器的设计与实现[J]. 李泽宁,温淑敏,何磊磊,隋朋洲. 无线电通信技术. 2017(06)
[6]原子钟频差数据去噪算法的研究[J]. 朱江淼,孙盼盼,高源,秦慧军. 计量学报. 2017(04)
[7]基于FPGA的时间间隔测量设计与实现[J]. 魏煜秦,孔洁,杨海波,赵红赟,千奕,佘乾顺,陈金达,李良辉,苏弘. 原子能科学技术. 2017(10)
[8]多通道时间间隔测量分析系统的设计与实现[J]. 孟令达,施韶华,赵志雄,樊多盛,李孝辉. 时间频率学报. 2017(02)
[9]高精度时间间隔测量在时间比对和频率校准中的应用[J]. 高帅,谷力,刘烈曙. 现代导航. 2016(04)
[10]基于锁相环的解调技术研究[J]. 罗莹,张志伟,杨宁. 计量学报. 2015 (04)
本文编号：3042562
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