CN106933090B - 基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置 - Google Patents
基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种高精度、高稳定度、体积较小，重量轻和成本低的基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置，属于时钟领域。包括分频器、标准尺、鉴相器和压控振荡器；压控振荡器输出的脉冲信号输入至分频器，分频器输出二分频的时钟信号和四分频的方波信号，所述方波信号分成两路，一路为直接信号，另一路经标准尺输出延时信号，所述直接信号和延时信号存在稳定的时间差；直接信号和延时信号分别到达鉴相器进行周期及相位检测，鉴相器输出的检测偏差信号输入至压控振荡器，调控压控振荡器输出的脉冲信号的周期和相位，实现负反馈控制；标准尺为标准长度且具有稳定延时的传输线。所述标准尺采用热膨胀系数为零或热膨胀系数正负互补的因瓦合金制成。
Description
技术领域
本发明涉及一种时间定时装置，特别涉及一种基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置。
背景技术
目前，原子时被公认为是最稳定的时间基准。一般原子钟的频率稳定度为10-12～10-15量级，精度为3～3000万年不差1秒。最新研制的原子光钟频率稳定度为10-16～10-17量级，精度达到3～30亿年不差1秒。
原子钟的发展方向有两个：一是更高频率的原子光钟，采用激光冷却、磁光阱凝聚、光梳等一系列的前沿技术，进一步提高时间精度及稳定度；二是小型化原子钟，采用相干布居数囚禁技术(即CPT技术)，研制片上系统(SoC)。原子光钟由于采用了先进复杂的技术，因此在提高时间稳定度及精度的同时，系统实现难度极大，成本极高，只能在国家级时间标准或时间基准中应用。CPT原子钟可以实现小型化，但时间精度及稳定度不高，一般应用在有一定要求、但又不能太高的场合。
原子钟技术源于量子理论△E＝hv，原子能级之间的跃迁辐射是原子钟频率稳定的基础，它的频率稳定度受不确定性原理的约束由此预期的原子光钟频率稳定度为10-16～10-17量级。
人们期望能够实现在宇宙生命周期尺度上的高精度及高稳定度时钟，其频率稳定度达到10-17～10-18量级，实现30～300亿年不差1秒的目标。但显然，无论在理论上还是在技术上都受到了极大的挑战。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种高精度、高稳定度、体积较小，重量轻和成本低的基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置。
本发明的基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置，所述时间定时装置包括分频器1、标准尺2、鉴相器3和压控振荡器5；
压控振荡器5输出的脉冲信号输入至分频器1，分频器1输出二分频的时钟信号和四分频的方波信号，所述方波信号分成两路，一路为直接信号，另一路经标准尺2输出延时信号，所述直接信号和延时信号存在稳定的时间差；直接信号和延时信号分别到达鉴相器3进行周期及相位检测，鉴相器3输出的检测偏差信号输入至压控振荡器5，调控压控振荡器5输出的脉冲信号的周期和相位，实现负反馈控制；
标准尺为标准长度且具有稳定延时的传输线。
优选的是，所述时间定时装置还包括滤波器4；
鉴相器3输出的检测偏差信号输入至滤波器4，经滤波器4滤波后再输入至压控振荡器5。
优选的是，所述标准尺2为采用热膨胀系数为零的因瓦合金制成，该标准尺的长度l＝cTr，其中c为光速，Tr为二分频的时钟信号的周期。
优选的是，所述标准尺2为采用负的热膨胀系数的因瓦合金材料与正的热膨胀系数的因瓦合金材料构成温度互补型的标准尺。
优选的是，采用负的热膨胀系数的因瓦合金材料与正的热膨胀系数的因瓦合金材料构成温度互补型的标准尺的方法为：
获取标准尺的总长度l＝cTr，其中c为光速，Tr为二分频的时钟信号的周期；
l＝l0(1+αe△T)公式一；
其中，l0＝lp0+ln0，其中lp0为温度T0时采用正的热膨胀系数的因瓦合金材料制作的标准尺的长度，ln0为温度T0时采用负的热膨胀系数的因瓦合金材料制作的标准尺的长度，△T为偏离温度T0的温差，为等效热膨胀系数，△l为标准尺加工误差，α为引入△l误差材料的热膨胀系数；
且lp0和ln0需满足：
其中，αp为正的热膨胀系数，αn为负的热膨胀系数；
根据公式一和公式二确定lp0和ln0。
优选的是，所述鉴相器包括两个非门、双D触发器、或非门和RS触发器；
所述直接信号和延时信号分别输入至两个非门，所述两个非门的输出分别输入至双D触发器的CP端，双D触发器的Q端分别与或非门的两个输入端连接，或非门的输出端同时与双D触发器的R非端连接，双D触发器的D端分别输入1，双D触发器的Q非端分别与RS触发器的S非端和R非端连接，RS触发器的Q端输出检测偏差信号。
优选的是，所述滤波器采用二阶低通滤波器。
优选的是，所述压控振荡器5由三级非门串联构成，其中一级非门是镜像恒流源控制的可变延时非门，通过镜像电流与输入的检测偏差信号的变换实现振荡器频率的控制。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明基于光速不变原理及标准尺构建的时间定时装置，由于机理完全不同于原子钟，在实现高精度高稳定度时间基准及定时的同时，还具有非常宽的环境适应能力。由于时间基准的稳定度主要由标准尺的稳定性决定，标准尺受温度等影响非常小，因此可以获得非常高的时间稳定度。标准尺甚至可以制作成热膨胀系数为零的稳定性，其时钟周期的稳定性及精度超过原子钟，并且本发明的时间定时装置可以采用集成电路IC工艺集成在系统级芯片SoC中，具有体积较小，重量轻、成本低的优势。
附图说明
图1为本发明的时间定时装置的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置，包括分频器1、标准尺2、鉴相器3和压控振荡器5；
标准尺1为标准长度且具有稳定延时的传输线；
压控振荡器5输出的脉冲信号输入至分频器1，分频器1输出二分频的时钟信号和四分频的方波信号，所述方波信号分成两路，一路为直接信号，另一路经标准尺2输出延时信号，所述直接信号和延时信号存在稳定的时间差，该时间差作为时间参考基准；时间参考基准建立后，直接信号和延时信号分别到达鉴相器3进行周期或频率及相位检测，鉴相器3输出的检测偏差信号输入至压控振荡器5，调控压控振荡器5输出的脉冲信号的周期或频率和相位，实现负反馈控制，使时本实施方式输出的时钟信号的周期锁定在由标准尺1确定的时间参考基准上，从而获得频率稳定的时钟信号。
优选实施例中，本实施方式还包括滤波器4；
鉴相器3输出的检测偏差信号输入至滤波器4，经滤波器4滤波后再输入至压控振荡器5。
鉴相器3包括两个非门、双D触发器、或非门和RS触发器；
所述直接信号和延时信号分别输入至两个非门，所述两个非门的输出分别输入至双D触发器的CP端，双D触发器的Q端分别与或非门的两个输入端连接，或非门的输出端同时与双D触发器的R非端连接，双D触发器的D端分别输入1，双D触发器的Q非端分别与RS触发器的S非端和R非端连接，RS触发器的Q端输出检测偏差信号。
滤波器4采用二阶低通滤波器。
压控振荡器5由三级非门串联构成，其中一级非门是镜像恒流源控制的可变延时非门，通过镜像电流与输入的检测偏差信号的变换实现振荡器频率的控制。
如图1所示，图1的工作过程包括如下步骤：
步骤一：由压控振荡器5产生并输出脉冲信号，经过分频器1产生二分频的时钟信号SYSCLK及四分频输出方波信号fs，均为占空比50％的方波信号，其中时钟信号SYSCLK作为本实施方式时间定时装置的输出，周期为Ts；
步骤二：方波信号fs被分为两路，一路为直接信号，一路为经标准尺2的延时信号，两路信号分别到达鉴相器3的输入端，进行鉴相检测。标准尺2的延时Tr作为时间参考，该时间延时也是#Z及#Y两者之间的延时差；
步骤三：直接信号与延时信号经过鉴相器3比较后，鉴相器3输出为检测偏差信号VP；根据鉴相比较结果，检测偏差信号VP具有三种状态：(1)当Ts＝Tr时，VP为占空比50％的脉冲信号；(2)当Ts>Tr时，VP为占空比小于50％的脉冲信号；(3)当Ts<Tr时，VP为占空比大于50％的脉冲信号。
步骤四，将检测偏差信号VP进行滤波处理，根据检测偏差信号VP脉冲信号占空比的不同，滤波器4输出不同的电压信号，该电压信号控制压控振荡器5输出的脉冲信号周期，并使Ts的变化趋近Tr；
步骤五：压控振荡器5输出的脉冲信号经过分频器1获得Ts＝Tr的周期脉冲信号。由于Tr是由标准尺2延时确定的，仅与标准尺2特性有关，而标准尺2延时具有很高的稳定性，因而本实施方式的时间定时装置输出的时钟信号周期也具有很高的稳定性。
本实施方式中标准尺的设计方法如下：
本实施方式的时间定时装置输出的时钟信号的周期由标准尺2的延时确定，当标准尺2的长度为l时，其标准尺2产生的时间参考基准为
c为光速，l为标准尺2的长度；
标准尺2为具有稳定长度的传输线，采用因瓦合金设计而成，其结构为同轴电缆形式。选用热膨胀系数为零的因瓦合金制作标准尺；
例如：设计时钟频率为100MHz的时间定时装置，Tr＝10ns，根据式(1)，其标准尺2的长度l＝3m。
热膨胀系数为零的因瓦合金材料不容易获得，还可以采用具有负的和正的热膨胀系数的两种因瓦合金材料制作标准尺。
采用负的热膨胀系数的因瓦合金材料与正的热膨胀系数的因瓦合金材料构成温度互补型的标准尺。设正的热膨胀系数的标准尺长度为lp，其热膨胀系数为αp，负的热膨胀系数的标准尺长度为ln，其热膨胀系数为-αn，其标准尺总长度为l，则有
l＝lp+ln
＝lp0(1+αp△T)+ln0(1-αn△T)
＝lp0+ln0+(lp0αp-ln0αn)△T
＝l0+(lp0αp-ln0αn)△T (2)
其中l0为温度T0时的标准尺长度，按时钟周期Tr根据式(1)确定，△T为偏离温度T0的温差，lp0为温度T0时的正标准尺长度，ln0为温度T0时的负标准尺长度。
当lp0αp-ln0αn＝0时，标准尺长度不随温度变化。在工作点温度T0邻域，标准尺长度为l0＝lp0+ln0。因此两种热膨胀系数的标准尺长度之比为
当lp0αp-ln0αn＝△lα时，则标准尺总长度表示为
l＝l0(1+αe△T) (4)
其中为等效热膨胀系数，△l为标准尺加工误差，α为引入△l误差材料的热膨胀系数。由于标准尺长度存在不能补偿的变化，导致时间参考基准的变化，因此引入时空表时钟周期的变化，其相对变化量为
由此确定的时空表频率稳定度为
对于因瓦合金，α为10-8量级，△l/l0为10-6量级，时钟周期Ts＝10ns＝10-8s，则可实现频率稳定度优于10-18量级的指标(温度控制在1℃以内)，时间精度300亿年不差1秒。
根据上述论述可知，一旦标准尺总长度及两种标准尺热膨胀系数确定，则标准尺参数即可确定。通过选用热膨胀系数为零的因瓦合金制作标准尺，或采用具有正、负热膨胀系数特性两种因瓦合金材料制作标准尺，都可以获得具有稳定长度的标准尺。由于标准尺不再随温度变化，因此当信号经过标准尺时将具有稳定的时间延时，从而可以建立稳定的时间参考。以稳定时间为参考的时钟信号具有非常稳定的信号周期，因此时空表输出信号频率的稳定度超过原子钟信号频率的稳定度。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (8)
1.一种基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置，其特征在于，所述时间定时装置包括分频器、标准尺、鉴相器和压控振荡器；
压控振荡器输出的脉冲信号输入至分频器，分频器输出二分频的时钟信号和四分频的方波信号，所述方波信号分成两路，一路为直接信号，另一路经标准尺输出延时信号，所述直接信号和延时信号存在稳定的时间差；直接信号和延时信号分别到达鉴相器进行周期及相位检测，鉴相器输出的检测偏差信号输入至压控振荡器，调控压控振荡器输出的脉冲信号的周期和相位，实现负反馈控制；
标准尺为标准长度且具有稳定延时的传输线。
2.根据权利要求1所述的基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置，其特征在于，所述时间定时装置还包括滤波器；
鉴相器输出的检测偏差信号输入至滤波器，经滤波器滤波后再输入至压控振荡器。
3.根据权利要求1或2所述的基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置，其特征在于，所述标准尺为采用热膨胀系数为零的因瓦合金制成，该标准尺的长度l＝cTr，其中c为光速，Tr为二分频的时钟信号的周期。
4.根据权利要求1或2所述的基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置，其特征在于，所述标准尺为采用负的热膨胀系数的因瓦合金材料与正的热膨胀系数的因瓦合金材料构成温度互补型的标准尺。
5.根据权利要求4所述的基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置，其特征在于，采用负的热膨胀系数的因瓦合金材料与正的热膨胀系数的因瓦合金材料构成温度互补型的标准尺的方法为：
获取标准尺的总长度l＝cTr，其中c为光速，Tr为二分频的时钟信号的周期；
l＝l0(1+αe△T) 公式一；
其中，l0＝lp0+ln0，其中lp0为温度T0时采用正的热膨胀系数的因瓦合金材料制作的标准尺的长度，ln0为温度T0时采用负的热膨胀系数的因瓦合金材料制作的标准尺的长度，△T为偏离温度T0的温差，为等效热膨胀系数，△l为标准尺加工误差，α为引入△l误差材料的热膨胀系数；
且lp0和ln0需满足：
其中，αp为正的热膨胀系数，αn为负的热膨胀系数；
根据公式一和公式二确定lp0和ln0。
6.根据权利要求1所述的基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置，其特征在于，所述鉴相器包括两个非门、双D触发器、或非门和RS触发器；
所述直接信号和延时信号分别输入至两个非门，所述两个非门的输出分别输入至双D触发器的CP端，双D触发器的Q端分别与或非门的两个输入端连接，或非门的输出端同时与双D触发器的R非端连接，双D触发器的D端分别输入1，双D触发器的Q非端分别与RS触发器的S非端和R非端连接，RS触发器的Q端输出检测偏差信号。
7.根据权利要求2所述的基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置，其特征在于，所述滤波器采用二阶低通滤波器。
8.根据权利要求1所述的基于标准尺及光速不变原理构建的时间定时装置，其特征在于，所述压控振荡器由三级非门串联构成，其中一级非门是镜像恒流源控制的可变延时非门，通过镜像电流与输入的检测偏差信号的变换实现振荡器频率的控制。
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