為了提高銣原子鐘頻率的準確度和穩(wěn)定度,設計了基于FPGA技術(shù)的多路輸出北斗馴服銣原子頻標裝置。裝置采用粗測和細測的時間間隔測量方法實現(xiàn)銣原子頻率的馴服和時間跟蹤與同步。采用模塊化設計和編程,提高了裝置的通用性和可移植性。以銫原子鐘時間頻率為參照,利用該裝置對銣原子鐘馴服前后的數(shù)據(jù)進行多次比對測試,結(jié)果表明其頻率的相對準確度達到了1. 5×10^-13,相對穩(wěn)定度達到6. 97×10^-13。 

【文章來源】：計量學報. 2020,41(03)北大核心

【文章頁數(shù)】：4 頁

【部分圖文】：

銣鐘馴服結(jié)構(gòu)框圖

目前，實現(xiàn)高精度時間間隔測量的方法有多種，如模擬內(nèi)插法、時間幅度轉(zhuǎn)換法、游標法、延遲線內(nèi)插法等[9]。這幾種測量方法測時分辨率最高可以達到幾個ps量級。對于一個給定的時間間隔，為獲得動態(tài)范圍大、精度高的時間間隔測量，通常方法是用頻標信號進行填充，然后用計數(shù)器計數(shù)，根據(jù)測得的標頻脈沖個數(shù)，計算出時間間隔，其基本原理如圖2所示。在計數(shù)過程中，由于填充脈沖與時間間隔構(gòu)成的閘門邊沿的相位關系具有隨機性，因此會產(chǎn)生±1個計數(shù)誤差[10]。為了減小測量電路分辨率帶入的±1個計數(shù)誤差，為此，采用了計數(shù)法與延遲線內(nèi)插法相結(jié)合的方法。以計數(shù)法實現(xiàn)“粗”計數(shù)，以延遲線內(nèi)插法實現(xiàn)“精”時間測量。根據(jù)圖2得出任意待測時間間隔Tx可以表示成如下形式:

延遲線內(nèi)插法的突出優(yōu)點可實現(xiàn)單片集成，可以在FPGA或?qū)ｉT的ASIC上實現(xiàn)[11]。本設計采用Altera公司的CycloneII系列器件EP2C5T144I6N來實現(xiàn)，該器件精度高，可配置的邏輯模塊規(guī)模大，調(diào)試簡單，功耗低，支持2個工作線程，多工作模式，工作方式靈活，能實現(xiàn)雙通道250 ps分辨率或單通道125 ps分辨率[12]。可精確測量時間、相位、頻率等物理量。設計的時間間隔測量框圖如圖3所示。圖3中BD＿PPS2作為粗計數(shù)開門信號的同時也是細計數(shù)的關門信號。另外，BD＿PPS2信號是BD＿PPS1經(jīng)10 MHz同步產(chǎn)生的，而本地秒脈沖Local＿PPS的發(fā)生也來自10 MHz時基，因此兩者相關(上升沿同時與10 MHz上升沿重合)。這樣，用10 MHz進行填充時粗計數(shù)始終為100 ns的整數(shù)倍，不存在任何余量，從而可以避免求取ΔT2的過程，同時也實現(xiàn)了粗細測量的無縫連接。測量時序圖如圖4所示。

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3042562