CN101021555A - 基于gps频率标准源的频标校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有的标准频率源设备昂贵，投资大的问题，公开了一种基于GPS频率标准源的频标校准系统，其特征是它由GPS频率标准源接收系统(1)、频标比对系统(2)、频标测量系统(3)和计算机系统(4)组成，GPS频率标准源接收系统(1)的输入信号通过GPS天线接收GPS频率，其输出送入频标比对系统(2)，频标比对系统(2)将GPS频率标准源接收系统(1)送来的标准频率与频标测量系统(3)实测的频率进行处理后送入计算机系统(4)进行计算后在显示屏上显示结果和/或通过打印机打印输出。它具有投资少、准确度高、应用范围广的优点。

Description

基于GPS频率标准源的频标校准系统

技术领域

本发明涉及一种时间频率校准系统，尤其是一种利用GPS频率作为标准频率，对系统频率进行误差分析，为误差校对提供准确数据的频标校准系统，具体地说是一种基于GPS频率标准源的频标校准系统。

背景技术

时间频率广泛应用于国民经济各行各业中，大到航天工程，小到人们的日常生活，无时不在。特别是在国防军工产品中，它发挥着更加显著的作用。在军用装备中，大都采用各种频率准确度和稳定度比较高的频率作为参考源。这些参考源的频率准确度一般在1×10^-7～1×10^-8，日稳定度在1×10^-8～1×10^-9。这些参考源大都采用石英晶体振荡器，石英晶体振荡器具有老化和漂移特性，随着时间的推移，其频率准确度会逐渐变差，从而影响到军用设备的可靠工作。所以军用装备的时间频率如何进行量值统一和校准，就成为军方迫切需要解决的问题，也是军工企业产品研制和生产，军用装备维修、维护中需要解决的问题。特别是在野外和基地条件下，不可能把实验室大量设备带到野外，同时野外环境也不适宜实验室标准器工作，这就对军用装备的时间频率量值统一和校准提出了更高的要求。因此，必须应用现代最新科学技术，研制适应野外条件下工作的校准系统。

我国中央电视台原来广播电视时，利用彩色付载频发布标准频率，此项技术在我国得到广泛应用，许多行业和企业都配备了彩色付载波校频设备用于量值传递和其他应用，由于多种原因，目前已停止利用彩色付载频发布频率标准，因而许多单位无法应用，急需用新的设备来替代填补这一市场空白。应用本发明完全可以替代彩色付载波校频设备这一空白，并且比彩色付载波校频设备性能指标还优越，并可全天候使用。

时间频率的准确校准和测量必须具有高精度的频率标准源和精密的比对设备。目前，作为频率标准源的参考设备主要有铯原子频标、氢原子频标、铷原子频标，这些设备价格高昂(几十到上百万)，对工作环境要求高，铯原子频标则是国外禁运产品，使用寿命只有4年，这就迫切需要研制一种能满足需求，价格适中且能快速稳定的频率标准源。

时间频率精密比对测量方法，目前大都采用直接测量法、频率误差倍增法、差频多周期法、时差法、双时差法及比相法。目前市场上只有频率误差倍增法研制的仪器可以买到。时差法和比相法具有比对测量精度高、实现技术比较容易、成本低等特点。

GPS全球导航系统是美国国防部于1973年投资研制开发的。GPS卫星导航定位技术可实时、高精度导航定位，能为地球上一切高速行驶设施和飞行体提供高精度三维导航、三维速度和时间信息。由于GPS系统具有全球覆盖，全天候、连续性、实时性等特点，在军事及民用等方面得到广泛的应用。应用GPS系统研制频率标准源可以达到精度高，成本低的要求。应用GPS研制的频率标准源的频率准确度可达到1×10^-12数量级。

发明内容

本发明的目的是针对现有的标准频率源设备昂贵，投资大的问题，发明一种基于GPS频率标准源的频标校准系统。

本发明的技术方案是：

一种基于GPS频率标准源的频标校准系统，其特征是它由GPS频率标准源接收系统1、频标比对系统2、频标测量系统3和计算机系统4组成，GPS频率标准源接收系统1的输入信号通过GPS天线接收GPS频率，其输出送入频标比对系统2，频标比对系统2将GPS频率标准源接收系统1送来的标准频率与频标测量系统3实测的频率进行处理后送入计算机系统4进行计算后在显示屏上显示结果和/或通过打印机打印输出。

所述的GPS频率标准源接收系统1由GPS接收天线101、脉冲变换电路102、鉴相器103、环路滤波器104、A/D转换器105、单片机系统106、LCD显示器107、分频器108、VCXO晶振109、D/A转换器110、数字滤波电路111、频率输出单元112组成，GPS接收天线101的输出接脉冲变换电路102的输入端，脉冲变换电路102的输出接鉴相器103的一个输入端，鉴相器103的输出接环路滤波器104的输入，环路滤波器104的输出接A/D转换器105，A/D转换器105的输出接单片机系统106，单片机系统106的输出分别接LCD显示器107以及数字滤波电路111的输入，数字滤波电路111的输出接D/A转换器110，D/A转换器110的输出接VCXO晶振109的输入，VCXO晶振109的输出一路接分频器108，另一路接频率输出单元112，输出10MHz、5MHz、1MHz、1PPS标准频率，分频器108的输出接鉴相器103的另一路输入。

GPS接收机将接收到的GPS信息经频率变换后，输出10kHz信号与VCXO晶振经分频产生的10kHz信号经数字鉴相器鉴相后进行环路滤波，再经A/D变换成数字信息，送单片机处理，按一定的数学模型处理，把有害噪声滤除以改善频率准确度和稳定度，再经D/A变换成模拟信号控制VCXO晶振，使VCXO晶振的输出频率锁定在GPS信号频率上，从而使VCXO晶振的输出频率准确度达到GPS频率标准度。GPS接收机为外购OEM板，它可同时接收12颗GPS卫星上的信息。

所述的频标比对系统2为比相法频率比对系统，它主要由放大、脉冲形成电路201、数字鉴相电路202、积分滤波电路203、数字采集电路204组成，其中由GPS频率标准源接收系统1送来的标准频率信号和频标测量系统3实测的频率信号输入各自对应的放大、脉冲形成电路201处理后送入对应的数字鉴相电路202中处理后再送入对应的积分滤波电路203中，经积分滤波电路203处理后送入数字采集电路204采集处理后输入计算机系统4中进行处理。

其工作原理是：两路频率相同的信号输入到放大脉冲整形后形成前沿很陡的脉冲信号；送数字鉴相器鉴相，得到脉冲宽度随两路信号相位差变化而变化的脉冲输出信号，经积分滤波后，得到两路信号相位差的信息；送数据采集卡电路采集这些信息，再送计算机系统测量数据，处理结果得到被测频标的稳定度、频率开机特性、日频率波动、频率老化率(日老化、月老化)、频率准确度等指标，最终在LCD显示屏上显示出比相曲线。系统可以自检，以检查系统测量的误差。系统采用比相法测量时，测量不确定度可达≤1ns、日，即≤1×10^-13/日。比相法可同时校准4台被测频率标准仪器。

所述的频标比对系统2为时差校频系统，它主要由可变分频器205、高分辨率等精度时间间隔计数器206组成，其中由GPS频率标准源接收系统1送来的标准频率信号和频标测量系统3实测的频率信号输入各自对应的可变分频器205中，处理后同时送入高分辨率等精度时间间隔计数器206，高分辨率等精度时间间隔计数器206处理将结果送入计算机系统4中处理。

GPS频标源输出的信号和被测频标输出的信号分别经可变分频器，产生1PPS的秒脉冲信号，将两路秒信号输入到时间间隔计数器，一路作为开门信号，一路作为关门信号，由时间间隔计数器测出两路信号的时差，通过相关数学模型的处理，得到被测频率的频率准确度、频率开机特性、日频率波动、频率老化率(日老率、月老化率)、频率稳定度等指标。并可进行自检，以检查系统自身的测量误差。时差法测量不确定度可达≤1ns/日，即≤1×10^-13/日。

高分辨率等精度时间间隔计数器，采用了模拟内插技术，克服了通用计数器±1个字误差的缺陷，同时时间间隔计数器由自身内部计算技术的处理，使测量误差缩小1000倍，因而测量不确定度达到了≤1ns。

本发明具有以下优点：

本发明应用GPS系统研制的频标校准系统既可以提供高准确度的频率标准源，频率准确度为1×10^-12/日平均，频率稳定度为5×10^-12/s。同时提供了精确的测试校准系统，它可校准频率标准的频率开机特性、频率稳定度、频率日波动、频率老化率和频率准确度，校准不确定度为1×10^-13/日。

本项发明可广泛应用于计量、通信、电力、广播电视及军工等行业，既可作为这些行业中的标准器使用，也可为这些行业中某系统项目所采用。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明的GPS频率标准源接收系统的结构框图。

图3是本发明的频标比对系统结构示意图之一。

图4是本发明的频标比对系统结构示意图之二。

图5是本发明的控制程序结构框图。

图6是本发明的功能流程图。

具体实施方式

下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-6所示。

一种基于GPS频率标准源的频标校准系统，它由GPS频率标准源接收系统1、频标比对系统2、频标测量系统3和计算机系统4组成，如图1所示，GPS频率标准源接收系统1的输入信号通过GPS天线接收GPS频率，其输出送入频标比对系统2，频标比对系统2将GPS频率标准源接收系统1送来的标准频率与频标测量系统3实测的频率进行处理后送入计算机系统4进行计算后在显示屏上显示结果和/或通过打印机打印输出。

GPS频标源部分是由GPS接收机接收到的GPS信息，经GPS频标源产生高稳定的10MHz、5MHz、1MHz、1PPS各两路提供给频标比对部分作为参考源。也可单独输出。

频标比对部分由频标比相单元和频标时差比对单元组成。这两个单元把频标比对的数据通过RS232接口和PCI数据接口送入计算机系统，并由软件按相关数学模型处理后显示数据及处理结果也可打印相关结果。

计算机系统为控制系统，对整个系统进行控制及采集数据和处理数据，并把处理结果送显示、打印。

LCD显示器和打印机用于显示和打印测量数据、处理结果和图形数据。

其中：

GPS频率标准源接收系统1由GPS接收天线101、脉冲变换电路102、鉴相器103、环路滤波器104、A/D转换器105、单片机系统106、LCD显示器107、分频器108、VCXO晶振109、D/A转换器110、数字滤波电路111、频率输出单元112组成，如图2所示，GPS接收天线101的输出接脉冲变换电路102的输入端，脉冲变换电路102的输出接鉴相器103的一个输入端，鉴相器103的输出接环路滤波器104的输入，环路滤波器104的输出接A/D转换器105，A/D转换器105的输出接单片机系统106，单片机系统106的输出分别接LCD显示器107以及数字滤波电路111的输入，数字滤波电路111的输出接D/A转换器110，D/A转换器110的输出接VCXO晶振109的输入，VCXO晶振109的输出一路接分频器108，另一路接频率输出单元112，输出10MHz、5MHz、1MHz、1PPS标准频率，分频器108的输出接鉴相器103的另一路输入。

GPS接收机将接收到的GPS信息经频率变换后，输出10kHz信号与VCXO晶振经分频产生的10kHz信号经数字鉴相器鉴相后进行环路滤波，再经A/D变换成数字信息，送单片机处理，按一定的数学模型处理，把有害噪声滤除以改善频率准确度和稳定度，再经D/A变换成模拟信号控制VCXO晶振，使VCXO晶振的输出频率锁定在GPS信号频率上，从而使VCXO晶振的输出频率准确度达到GPS频率标准度。GPS接收机为外购OEM板，它可同时接收12颗GPS卫星上的信息。

图3是本发明的频标比对系统2的组成示意图，它为比相法频率比对系统，主要由放大、脉冲形成电路201、数字鉴相电路202、积分滤波电路203、数字采集电路204组成，其中由GPS频率标准源接收系统1送来的标准频率信号和频标测量系统3实测的频率信号输入各自对应的放大、脉冲形成电路201处理后送入对应的数字鉴相电路202中处理后再送入对应的积分滤波电路203中，经积分滤波电路203处理后送入数字采集电路204采集处理后输入计算机系统4中进行处理。

其工作原理是：两路频率相同的信号输入到放大脉冲整形后形成前沿很陡的脉冲信号；送数字鉴相器鉴相，得到脉冲宽度随两路信号相位差变化而变化的脉冲输出信号，经积分滤波后，得到两路信号相位差的信息；送数据采集卡电路采集这些信息，再送计算机系统测量数据，处理结果得到被测频标的稳定度、频率开机特性、日频率波动、频率老化率(日老化、月老化)、频率准确度等指标，最终在LCD显示屏上显示出比相曲线。系统可以自检，以检查系统测量的误差。系统采用比相法测量时，测量不确定度可达≤1ns、日，即≤1×10^-13/日。比相法可同时校准4台被测频率标准仪器。

图4是本发明的另一个频标比对系统2，它为时差校频系统，主要由可变分频器205、高分辨率等精度时间间隔计数器206组成，其中由GPS频率标准源接收系统1送来的标准频率信号和频标测量系统3实测的频率信号输入各自对应的可变分频器205中，处理后同时送入高分辨率等精度时间间隔计数器206，高分辨率等精度时间间隔计数器206处理将结果送入计算机系统4中处理。

GPS频标源输出的信号和被测频标输出的信号分别经可变分频器，产生1PPS的秒脉冲信号，将两路秒信号输入到时间间隔计数器，一路作为开门信号，一路作为关门信号，由时间间隔计数器测出两路信号的时差，通过相关数学模型的处理，得到被测频率的频率准确度、频率开机特性、日频率波动、频率老化率(日老率、月老化率)、频率稳定度等指标。并可进行自检，以检查系统自身的测量误差。时差法测量不确定度可达≤1ns/日，即≤1×10^-13/日。

高分辨率等精度时间间隔计数器，采用了模拟内插技术，克服了通用计数器±1个字误差的缺陷，同时时间间隔计数器由自身内部计算技术的处理，使测量误差缩小1000倍，因而测量不确定度达到了≤1ns。

具体实施时，一个系统中既可安装上述的两种频率比对系统中的任一种频率比对系统，也可安装上述的两种频率比对系统。

GPS接收模块可选用带有10kHz和1PPS输出信号的OEM板，1PPS输出UTC时间误差0.1us。本发明采用的是Jupiter公司的产品。用其中10kHz频率作为鉴相频率。

VCO压控振荡器选用10MHz的SC切型晶体。本发明采用进口10MHz SC切型晶体设计成单层恒温，压控电压范围0～10V，锁定中心电压约在5V，频率调节范围±1×10^-7，短期频率稳定度≤5×10^-12/s，频率老化率≤1×10^-9/日。

模数A/D和数模D/A转换采用串行12位芯片。

鉴相器选用无死角的鉴相器，可以选用MAX9328鉴相器或AD9901鉴相器。本发明采用AD9901鉴相器。

供电电源采用开关电源18V，再经线性稳压到12V，这可以减小12V直流稳压电源的纹波，从而提高频标源的频率稳定度。

为了改善电磁干扰，把GPS接收OEM板、鉴相器、AD/DA电路及单片机置于一屏蔽盒内。把频率输出部分即两路10MHz、5MHz、1MHz、1PPS等电路置于一屏蔽盒内，由高频电缆经BNC插座输出。

频标校准比对部分是由计算机在自主研制的软件控制下，控制数据采集卡，时间间隔计数器等硬件采集数据、处理数据、显示数据、打印数据、存储数据。其中数据采集卡、计算机为外购。

数据采集卡选用ADlink公司的PCI-9111-HR DAQ数据采集卡，16通道，16位A/D，采样速率100k bit/s，PCI接口。DAQ采集卡采集的数据通过PCI接口与计算机通讯，采集的数据送计算机处理。本发明选用了其中4个通道。用于同时测试4台频率标准。

计算机选用PC型计算机，CPU为INTL P4，显示器采用LCD 10”TFT型彩色液晶显示器。机箱采用2U型标准机箱。

时间间隔计数器是用于时差频标校准比对采集数据，通过RS232接口把采集的数据送计算机处理。时间间隔计数器为高分辨率计数器，采用了模拟内插技术提高分辨率和减小测量误差，13位BCD位。标准1PPS信号为开门信号，被测1PPS信号为关门信号，测量两个脉冲信号间的时间间隔，按有关数学模型计算出频标的各项指标。显示分辨率5ps，测量不确定度为1ns，数据输出接口为RS232接口。

比相法频标校准包含信号放大、鉴相、积分滤波等电路，标准和被测频标1MHz～10MHz经放大和脉冲形成，变成脉冲信号送鉴相器鉴相，再经积分滤波，得到一个标准和被测两路信号相位差，这个相位差表现为缓慢变化的直流电压，送DAQ采集卡采集数据，经相关数学模型处理得到被测频标的各项指标值。鉴相器有4个鉴相器，鉴相器采用脉冲鉴相，并且无死角，可以4台被测频标同时鉴相，鉴相结果送DAQ采集卡的4个输入通道同时采样鉴相电压。鉴相输出电源约为0～5V

图5、6是实现本发明的软件框图。

A、程序结构

系统软件采用了VB6.0软件作为研制开发平台，并结合了ADLink公司的PCI9111 PCIS-OCX进行研发，此部分的程序结构如图5所示。

图5中用户通过用户界面将请求发送给程序，程序将请求转换成一系列命令发送给应用逻辑层，由应用逻辑层进行处理，并生成访问具体操作对象的操作(如数据库访问操作等)。

B、程序功能流程

频标的校准程序设计采用了模块化的设计，主要有数据采集、数据处理、数据显示、数据存储、数据打印等，其功能流程图如图6所示。

频标校准的流程主要为：数据采集→数据处理→数据显示。

C、数据采集

数据采集部分以GPS频率标准源为频率标准，可采用时差法、比相法进行测试。时差法利用串口读取时间间隔计数器的数据；比相法利用数据采集卡读取比相单元输出的相位差信号，可四个通道同时测试。数据可以共享，节省了校准时间。

D、数据处理

时差法将采集的一系列连续的字符串转换为可识别的时间量；比相法采用采集到的电压量转换为时间量。考虑到测量不确定度的影响，每个数据都取5次的平均值作为测量值。

本频标校准系统主要的校准对象为高温晶振、原子频标等。这些频率标准的部分指标测试需要很长的时间(如频率月老率需耗时8个月)，为防止因掉电等原因引起的测试中断，采用数据库进行实时数据的存储。

本软件采用ADO作为数据访问接口，访问Access2000数据库。ActiveX数据对象(ActiveX Data Object简称ADO)是由微软公司推出的以ActiveX技术为基础的一组基于OLBDB数据的高级自动化应用层接口，是一种新型的数据访问方法。它具有速度快、使用方便、内存占用少等特点，目前在小型数据库访问技术中得到广泛应用。

程序中采用ADO的三大对象(即Connection对象，Command对象，RecordSet对象)以及SQL结构查询语言实现数据库的添加、删除、检索等。

E、测量技术指标的计算

频率标准的主要指标为时域频率稳定度、频率开机特性、频率日波动、频率老化率和频率准确度。这些指标的计算方法完全依据国家和国防科工委颁布的相应检定规程，在程序中建立了类函数来实现。

F、数据显示

在测试过程中，可实时显示测试图形和测试数据，图形采用PictureBox控件进行设计，X轴和Y轴都是动态调整，并可以拉伸和压缩图形；数据采用ADOData控件使用ADO数据对象来建立数据绑定的控件和数据提供者之间的连接。

G、数据库设计

数据库分为“自检”数据库(临时数据库)和“测试模板”。表1.为“自检”数据库的表设计。

表1

表名	功能
		自检数据	保存自检时的实时数据
自检结果	最大时差、最小时差、最大变化时差、阿伦方差、标准方差

自检是对系统是否处于正常工作状态的判断，自检的数据结果只做参考，不需要保存。因此，只保留最后一次自检时的数据和结果。

表2为“测试模板”数据库的表设计。

表2

表名	功能
		测试选项	记录仪器的基本信息，系统取样时间与各指标的取样间隔和取样数
系统采集数据(5次)	以系统取样间隔采集的实时数据(5次平均)
		系统采集数据(单次)	以系统取样间隔采集的实时数据
频率稳定度	以该指标取样间隔和取样数在系统采集数据中检索的数据
		开机特性	以该指标取样间隔和取样数在系统采集数据(5

	次)中检索的数据
		老化率	以该指标取样间隔和取样数在系统采集数据(5次)中检索的数据
日波动	以该指标取样间隔和取样数在系统采集数据(5次)中检索的数据
		频率准确度	以该指标取样间隔和取样数在系统采集数据(5次)中检索的数据
测试结果	各指标的测试结果

Claims (4)

1、一种基于GPS频率标准源的频标校准系统，其特征是它由GPS频率标准源接收系统(1)、频标比对系统(2)、频标测量系统(3)和计算机系统(4)组成，GPS频率标准源接收系统(1)的输入信号通过GPS天线接收GPS频率，其输出送入频标比对系统(2)，频标比对系统(2)将GPS频率标准源接收系统(1)送来的标准频率与频标测量系统(3)实测的频率进行处理后送入计算机系统(4)进行计算后在显示屏上显示结果和/或通过打印机打印输出。

2、根据权利要求1所述的基于GPS频率标准源的频标校准系统，其特征是所述的GPS频率标准源接收系统(1)由GPS接收天线(101)、脉冲变换电路(102)、鉴相器(103)、环路滤波器(104)、A/D转换器(105)、单片机系统(106)、LCD显示器(107)、分频器(108)、VCXO晶振(109)、D/A转换器(110)、数字滤波电路(111)、频率输出单元(112)组成，GPS接收天线(101)的输出接脉冲变换电路(102)的输入端，脉冲变换电路(102)的输出接鉴相(103)的一个输入端，鉴相器(103)的输出接环路滤波器(104)的输入，环路滤波器(104)的输出接A/D转换器(105)，A/D转换器(105)的输出接单片机系统(106)，单片机系统(106)的输出分别接LCD显示器(107)以及数字滤波电路(111)的输入，数字滤波电路(111)的输出接D/A转换器(110)，D/A转换器(110)的输出接VCXO晶振(109)的输入，VCXO晶振(109)的输出一路接分频(108)，另一路接频率输出单元(112)，输出10MHz、5MHz、1MHz、1PPS标准频率，分频器(108)的输出接鉴相器(103)的另一路输入。

3、根据权利要求1所述的基于GPS频率标准源的频标校准系统，其特征是所述的频标比对系统(2)为比相法频率比对系统，它主要由放大、脉冲形成电路(201)、数字鉴相电路(202)、积分滤波电路(203)、数字采集电路(204)组成，其中由GPS频率标准源接收系统(1)送来的标准频率信号和频标测量系统(3)实测的频率信号输入各自对应的放大、脉冲形成电路(201)处理后送入对应的数字鉴相电路(202)中处理后再送入对应的积分滤波电路(203)中，经积分滤波电路(203)处理后送入数字采集电路(204)采集处理后输入计算机系统(4)中进行处理。

4、根据权利要求1所述的基于GPS频率标准源的频标校准系统，其特征是所述的频标比对系统(2)为时差校频系统，它主要由可变分频器(205)、高分辨率等精度时间间隔计数器(206)组成，其中由GPS频率标准源接收系统(1)送来的标准频率信号和频标测量系统(3)实测的频率信号输入各自对应的可变分频器(205)中，处理后同时送入高分辨率等精度时间间隔计数器(206)，高分辨率等精度时间间隔计数器(206)处理将结果送入计算机系统(4)中处理。

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