一种高精度增益补偿式时基源的制作方法

本发明涉及时间校准领域，尤其涉及一种高精度增益补偿式时基源。

背景技术：

压控晶体振荡器vcxo是时基基准的核心部件，在传统的晶体振荡体设计环节中，通常采用市面上现有的成熟的方块晶体振荡器来做为频率源，并且此环节通常不是由设备整机电路环节的人员来设计的，而是根据一定的指标、性能要求选用市面上成熟的振荡器。然而，在进入指标化苛刻的今天，由于时基基准整机结构布局发生了改变，无论是小型化要求在狭窄的板面空间上安置数多的部件，还是指标化要求对vcxo的各个设计参数做进一步改进，都必然对每个环节的设计要十分清楚，压控晶振也必须采用自主化设计，实际布局中可能要考虑自己设计压控方式以及起振设计，尤其是晶振的保温设计，因为温度的变化对晶振频率的输出影响是相当大的，特别是在每次系统上电时，由于系统可能处于冷态或热态，对于振荡环路，由于所处的温度每一次都不一致，有可能导致实际的频率输出不一样，对于被动型铷频标来说，由于整机电路设计（包括倍频次数、综合器频率输出等）是严格地按照理论上计算得到的，压控晶振输出频率的大范围改变，有可能导致伺服环节无法将晶振输出频率锁定在原子基态0－0跃迁频率上。

在上述设计方案基础上，现有技术中都是通过vcxo来实现整机的频率输出，某种意义上它间接地反映了时基基准内部物理系统性能的指标，然而由于实际时基基准工作环境温度的影响，vcxo自身漂移的影响等都会给vcxo的输出带来干扰。基于此，本专利提出一种新的基于gps模块的vcxo改进控制的时基基准设计方案，来满足时基基准对vcxo的设计要求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种高精度增益补偿式时基源。

本发明是通过以下技术方案实现：

一种高精度增益补偿式时基源，包括相互信号连通的接收机、钟差比对、微处理器、压控控制、温度测量、温度控制模块和增益调节模块，所述接收机用于接收空间卫星的gps授时信号，所述钟差比对将接收机的gps信号与时基基准的vcxo输出的频率信号进行比对，获得时差信号传递给微处理器，所述压控控制内包含电压转换，受微处理器控制，输出变化的直流电压信号，所述温度测量获得贴地时基基准整机机壳内壁上的热敏电阻值，来反映时基基准的实际工作环境温度，所述温控模块用于对初始时基源vcxo进行控温处理，所述增益调节模块通过电路感知vcxo模块中的温差从而转换为压控电压，所述微处理器获得温度测量模块、钟差比对模块、量子鉴频率的数据，并进行相应的处理获得最终的压控1、压控2、压控3的综合信号实现对vcxo的控制。

进一步地，所述温度控制模块：里面含有温控芯片（控温用）、以及热敏电阻（测温用）。受微处理器控制可以设定温度值t，由于整个温度控制模块置于高稳晶振vcxo(温控模块)中，所以微处理器可以设置对应的工作环境温度、以及获得实际的工作环境温度信息。其原理如图2所示；其中两个r以及r1为具有相同温度系数的电阻，其阻值应该选择与rk相当。这里r1的值反映了实际工作环境温度t。rk为一个热敏电阻，它贴于温控模块的表面，用以感知实际的工作环境温度t。故当工作环境温度t无变化时，图2中电桥处于平衡，输送至加热线圈环路的温度补偿电压值为0。一旦工作环境温度t发生变化，则热敏电阻rk的阻值将变小（温度升高）或变大（温度降低），那么电桥两端存在电压差，经运算放大器a差分放大后变为温度补偿电压输送至电压源，同时输出给传统加热丝线圈环路。整个电路的放大增益由运算放大器的负反馈电阻rw调节，rw为一数字电位计，通过调节rw的阻值以达到上述电路补偿因子改变功能。

进一步地，所述压控模块中的桥路测温主要由两个阻值相同的r，一个预设温度值热敏电阻传感器ro（它决定了vcxo的工作环境温度）及测温热敏电阻rk组成。当vcxo工作环境温度恒定时，即热敏电阻rk测量值与预设值ro相等，此时电阻桥路a、b端输出电压差将为0，整个压控模块输出端uout输出为0。当vcxo工作环境温度发生改变时，则桥路的a、b端形成一定的电压差，通过电压跟随器a1及a2的传递送至a3进行差分放大，考虑到放大后的电压差能够有效得采集，所以在差分放大a3的输出端增加了一个增益线性调节电路a4。得到的压控模块电压差uout与微处理器产生的压控电压求和后，送至vcxo模块；其中压控控制模块的处理过程如图3所示。

1、传统压控

微处理器获得对应的时基基准量子鉴频信号后，按照现有时基基准锁定技术，输出“传统压控”模式的压控1信号v1至综合。

2、预判修正

微处理器存储有时基基准整机温度系数（即环境工作温度变化一度引起的时基基准频率变化）的数据w，在获得了温度测量模块的温差数据t后，将数据进行存储。同时微处理器获得钟差比对模块输出的差频（时基基准与gps基准的频差）数据f。这里按照图2，微处理器将做一次差分处理：f=f-w*t。

由于钟差比对模块是按一定周期的时间间隔t对gps信号和时基基准信号进行的比对，所以我们将获得一系列的数据，这里数学模型表示：

（1）

其中a，b是未知常数，是随机误差，它表示许多没有考虑的因素的综合影响，可以认为。

对每一个观察点（ti，fi），根据（1）式应满足

（2）

我们可以随手做出很多条直线来表示两个变量之间的线性关系，从而来确定a，b。但是这样做的准确性较差，而且也没有一个统一的标准。设是我们所需求的估计，则我们总希望每个观察点（fi，ti）与线f=a+bt之间的偏差尽可能的小。在t=ti处，（ti，fi）与直线f=a+bt之间的偏差是：

（3）

这里有n个观察点的偏差值，应该综合考虑，显然我们不能用代数和来表示，因为偏差有正有负，它们的代数和会出现正负相抵消而不能代表真正的总偏差。若取绝对值后再求和，显然可以避免这一缺点，但却不便于作数学运算，所以采用偏差平方和来表示总偏差：

（4）

使达到极小值，作为a，b的估计。由于是a，b的非负二次函数，这种极小值一定存在。由微积分知道，使达到极小的a，b应满足下列议程组：

（5）

整理后，得

（6）

若记

得

（7）

（8）

这里求得的，就是我们所需要预判量（它反映的是频率值）。由于供应厂商提供的具体vcxo的压控斜率值（即vcxo输出频率与其受到的直流电压的比值）可以被存储在微处理器中，所以上述获得的（频率）可以转化为电压值v3（电压）至综合。

3、补偿

相应供应厂商提供的具体vcxo老化漂移的数据如图4所示：

图4中厂商提供的数据横坐标通常可以精确到“天”，这些数据被存储在图1中的微处理器中。在本专利方案中，选择老化漂移率较小的vcx。结合选用的vcxo老化漂移数据，微处理器按照钟差比对模块中设置的采样时间间隔t对vcxo输出的频率值进行相应的主动调整。例如t=1小时即以图3所示的标准（‘天’）以线性处理的方式除以24即可获得相应的‘小时’漂移数据f小时，按照存储在微处理器中的vcxo压控斜率值转化为相应的直流电压值v2至综合。这样可以补偿vcxo因为老化漂移引起的频率变化影响，最终使vcxo输出的频率理论上不变。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过新的基于gps模块的vcxo改进控制的时基基准设计方案，来满足时基基准对vcxo的设计要求，很好的克服通过vcxo来实现整机的频率输出，某种意义上它间接地反映了时基基准内部物理系统性能的指标，然而由于实际时基基准工作环境温度的影响，vcxo自身漂移的影响等都会给vcxo的输出带来干扰的问题。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为本发明温度控制模块原理图；

图3为本发明压力控制模块原理图；

图4为本发明中相应供应厂商提供的具体vcxo老化漂移的数据图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1-4，图1为本发明的工作原理图，图2为本发明温度控制模块原理图，图3为本发明压力控制模块原理图，图4为本发明中相应供应厂商提供的具体vcxo老化漂移的数据图。

一种高精度增益补偿式时基源，包括相互信号连通的接收机、钟差比对、微处理器、压控控制、温度测量、温度控制模块和增益调节模块，所述接收机用于接收空间卫星的gps授时信号，所述钟差比对将接收机的gps信号与时基基准的vcxo输出的频率信号进行比对，获得时差信号传递给微处理器，所述压控控制内包含电压转换，受微处理器控制，输出变化的直流电压信号，所述温度测量获得贴地时基基准整机机壳内壁上的热敏电阻值，来反映时基基准的实际工作环境温度，所述温控模块用于对初始时基源vcxo进行控温处理，所述增益调节模块通过电路感知vcxo模块中的温差从而转换为压控电压，所述微处理器获得温度测量模块、钟差比对模块、量子鉴频率的数据，并进行相应的处理获得最终的压控1、压控2、压控3的综合信号实现对vcxo的控制。

进一步地，所述温度控制模块：里面含有温控芯片（控温用）、以及热敏电阻（测温用）。受微处理器控制可以设定温度值t，由于整个温度控制模块置于高稳晶振vcxo(温控模块)中，所以微处理器可以设置对应的工作环境温度、以及获得实际的工作环境温度信息。其原理如图2所示；其中两个r以及r1为具有相同温度系数的电阻，其阻值应该选择与rk相当。这里r1的值反映了实际工作环境温度t。rk为一个热敏电阻，它贴于温控模块的表面，用以感知实际的工作环境温度t。故当工作环境温度t无变化时，图2中电桥处于平衡，输送至加热线圈环路的温度补偿电压值为0。一旦工作环境温度t发生变化，则热敏电阻rk的阻值将变小（温度升高）或变大（温度降低），那么电桥两端存在电压差，经运算放大器a差分放大后变为温度补偿电压输送至电压源，同时输出给传统加热丝线圈环路。整个电路的放大增益由运算放大器的负反馈电阻rw调节，rw为一数字电位计，通过调节rw的阻值以达到上述电路补偿因子改变功能。

进一步地，压控模块中的桥路测温主要由两个阻值相同的r，一个预设温度值热敏电阻传感器ro（它决定了vcxo的工作环境温度）及测温热敏电阻rk组成。当vcxo工作环境温度恒定时，即热敏电阻rk测量值与预设值ro相等，此时电阻桥路a、b端输出电压差将为0，整个压控模块输出端uout输出为0。当vcxo工作环境温度发生改变时，则桥路的a、b端形成一定的电压差，通过电压跟随器a1及a2的传递送至a3进行差分放大，考虑到放大后的电压差能够有效得采集，所以在差分放大a3的输出端增加了一个增益线性调节电路a4。得到的压控模块电压差uout与微处理器产生的压控电压求和后，送至vcxo模块；其中压控控制模块的处理过程如图3所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。