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

【文章來源】：計(jì)量學(xué)報(bào). 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(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間間隔測量的方法有多種，如模擬內(nèi)插法、時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換法、游標(biāo)法、延遲線內(nèi)插法等[9]。這幾種測量方法測時(shí)分辨率最高可以達(dá)到幾個(gè)ps量級(jí)。對(duì)于一個(gè)給定的時(shí)間間隔，為獲得動(dòng)態(tài)范圍大、精度高的時(shí)間間隔測量，通常方法是用頻標(biāo)信號(hào)進(jìn)行填充，然后用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，根據(jù)測得的標(biāo)頻脈沖個(gè)數(shù)，計(jì)算出時(shí)間間隔，其基本原理如圖2所示。在計(jì)數(shù)過程中，由于填充脈沖與時(shí)間間隔構(gòu)成的閘門邊沿的相位關(guān)系具有隨機(jī)性，因此會(huì)產(chǎn)生±1個(gè)計(jì)數(shù)誤差[10]。為了減小測量電路分辨率帶入的±1個(gè)計(jì)數(shù)誤差，為此，采用了計(jì)數(shù)法與延遲線內(nèi)插法相結(jié)合的方法。以計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)“粗”計(jì)數(shù)，以延遲線內(nèi)插法實(shí)現(xiàn)“精”時(shí)間測量。根據(jù)圖2得出任意待測時(shí)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(diǎn)可實(shí)現(xiàn)單片集成，可以在FPGA或?qū)ｉT的ASIC上實(shí)現(xiàn)[11]。本設(shè)計(jì)采用Altera公司的CycloneII系列器件EP2C5T144I6N來實(shí)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(gè)工作線程，多工作模式，工作方式靈活，能實(shí)現(xiàn)雙通道250 ps分辨率或單通道125 ps分辨率[12]�？删_測量時(shí)間、相位、頻率等物理量。設(shè)計(jì)的時(shí)間間隔測量框圖如圖3所示。圖3中BD＿PPS2作為粗計(jì)數(shù)開門信號(hào)的同時(shí)也是細(xì)計(jì)數(shù)的關(guān)門信號(hào)。另外，BD＿PPS2信號(hào)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(shí)基，因此兩者相關(guān)(上升沿同時(shí)與10 MHz上升沿重合)。這樣，用10 MHz進(jìn)行填充時(shí)粗計(jì)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(shí)也實(shí)現(xiàn)了粗細(xì)測量的無縫連接。測量時(shí)序圖如圖4所示。

【參考文獻(xiàn)】：
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