邢彥超，楊俊，湯超，秦蕾，高偉，陳智勇，余鈁，盛榮武

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一種銣原子鐘雙鐘熱備相位無擾切換系統(tǒng)的設計

邢彥超，楊俊，湯超，秦蕾，高偉，陳智勇，余鈁，盛榮武

（中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所，武漢 430071）

為了滿足時間統(tǒng)一系統(tǒng)中主鐘與備份鐘的時間、頻率信號在切換時的連續(xù)性要求，提出并實現(xiàn)了一種銣原子鐘雙鐘熱備相位無擾切換系統(tǒng)的技術(shù)方案，闡述了雙鐘間頻率與相位同步和信號無擾切換的方案原理，給出了系統(tǒng)組成與主要控制程序的框圖及測試結(jié)果。采用本方案可使主鐘與備份鐘輸出信號的時差小于±0.55 ns，并實現(xiàn)了信號的無擾切換，滿足了工程應用的要求。

銣原子鐘；熱備份；同步；切換

在所有的原子鐘中，銣原子鐘在工程和科學領域有著最廣泛的應用[1]366-367。但是單臺銣原子鐘的可靠性不能滿足一些對可靠性要求高的長期工作的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)工作關(guān)聯(lián)面廣，不能被中斷。為此，本文提出了一種銣原子鐘雙鐘熱備技術(shù)，可有效地解決這一問題。在工作鐘發(fā)生異常時，采用該技術(shù)可以相位無擾地切換到備份鐘上，實現(xiàn)信號連續(xù)輸出，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)工作。

1 雙鐘熱備相位無擾切換系統(tǒng)的原理與方案

雙鐘熱備相位無擾切換系統(tǒng)的方案如圖1所示，2鐘信號路徑對稱且地位同等，互為備份。

圖1 雙鐘熱備相位無擾切換系統(tǒng)的原理框圖

本文所述系統(tǒng)采用時差法實現(xiàn)2臺鐘之間輸出頻率差的測量。它根據(jù)2鐘輸出的1 PPS（1 pulse per second）信號的時間差()隨時間的變化情況來確定二者的頻率差。在時刻，工作鐘與備份鐘的時差為()，經(jīng)過時間后，變?yōu)?)，則2鐘的相對頻差()如式（1）[2]20-25所示。

根據(jù)式（1）糾正備份鐘的輸出頻率，使2臺鐘輸出頻率差趨于極小值。其中，()由TDC（時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器）直接測量。2臺鐘輸出頻率差趨于極小值后，時差()將近似不隨時間變化，設為0。2臺鐘相位趨于一致時，0為0。為使2鐘輸出信號相位一致，將備份鐘頻率調(diào)偏0，等待一段時間后，再還原備份從鐘的頻率，即可使0趨于0，從而使2鐘輸出信號相位趨于一致。使0＝0的條件是下式成立：

控制程序框圖如圖2所示。在系統(tǒng)中無論是A鐘還是B鐘，系統(tǒng)自行選擇先鎖定者為工作主鐘，另一鐘為備份從鐘。

由式（2）知，0越小，最終控制誤差就越小，但等待時間會越長。在移相階段需根據(jù)當前的時差來選擇不同的0，以實現(xiàn)相位快速同步。2臺鐘時差達到給定的同步指標后，進入保持階段。

在保持階段采用固定的小頻差0微調(diào)2鐘1 PPS信號的時差，以保持雙鐘同步。但是，銣原子鐘長期運行中由于漂移而產(chǎn)生的累積頻差使得時差呈現(xiàn)單方向變化，按照雙鐘頻率同步精度的要求設置最小頻差修正量0/2，對備份從鐘的輸出頻率進行微調(diào)，使雙鐘頻差維持在±0/2以內(nèi)。

處理漂移頻差的具體方法如圖2中的保持階段所示，即連續(xù)2次發(fā)現(xiàn)糾正后的2路1 PPS信號的時差大于報警值，則認為有0/2的漂移頻差產(chǎn)生，并給予糾正。報警值的設置有助于避免對累積頻差的誤糾，它的大小與TDC的測量精度相當。2鐘間的殘余頻差對同步指標影響的具體分析見第3節(jié)。

2鐘有鎖定失效信號產(chǎn)生后，會觸發(fā)中斷程序，重新進行同步。

圖2 控制程序框圖

2 系統(tǒng)的整體設計

本文所述系統(tǒng)中，分頻器與控制部分分別由CPLD（復雜可編程邏輯器件）和MCU（微控制器）實現(xiàn)。

為便于時差的測量與切換的控制，2鐘信號輸出后被轉(zhuǎn)換為方波（轉(zhuǎn)換電路在圖1中被略去），該方波驅(qū)動2個分離的非門器件，獲得2路信號輸出。

上述2路信號輸出中，一路送入切換信號控制下的“二選一開關(guān)”，即信號切換電路。該電路與其他電路之間采取電源隔離措施，以避免數(shù)字電路工作時產(chǎn)生的雜波影響輸出信號的質(zhì)量。最后，經(jīng)過濾波器將方波轉(zhuǎn)換為正弦波作為系統(tǒng)的輸出。上述2路信號輸出中的另一路經(jīng)分頻后送入TDC器件，進行時差的測量。

為了在2鐘的鎖定失效信號產(chǎn)生后實現(xiàn)及時切換，主鐘選擇信號由2鐘鎖定信號經(jīng)組合邏輯電路綜合后給出。該組合邏輯電路在CPLD中實現(xiàn)。為實現(xiàn)相位無擾切換，需對主鐘選擇信號做進一步處理（詳見3.1節(jié)討論），才可作為圖1中的“切換控制”信號。

3 實驗結(jié)果分析與討論

3.1 相位無擾切換

“二選一輸出”開關(guān)在切換信號時應同時關(guān)閉一路信號并打開另一路信號。如果關(guān)閉時刻先于打開時刻，那么輸出端會存在一個無信號輸出的時間間隙。在2方波信號都為高電平時實施切換，無信號輸出的時間間隙（表現(xiàn)為低電平），稱為突波干擾[3]，會擾動輸出信號相位。為實現(xiàn)相位無擾切換，切換點需選在2路方波同為低電平的時間內(nèi)。為此，將主鐘選擇信號送入控制部分中的D觸發(fā)器的D端，由從鐘的方波下降沿觸發(fā)，將D端信號同步到Q端輸出。采用Q端信號作為圖1中的“切換控制”信號，可實現(xiàn)相位無擾切換。

采用本文所述的切換方法實施2路同步信號的切換時，切換前后的輸出波形如圖3中A線所示，由A線可知在切換點處沒有附加的相位擾動。C線為主鐘選擇信號。系統(tǒng)在圖3中“切換點”處完成切換。B線為D觸發(fā)器的觸發(fā)方波的示意波形。d為D觸發(fā)器的延時。

圖3 切換輸出波形圖

3.2 系統(tǒng)誤差校準

TDC的時差測量過程是以1 PPS_B觸發(fā)為開始，以1 PPS_A觸發(fā)為結(jié)束的。因此，每秒鐘只能完成一次測量，并獲得一個測量值。那么，測量值為正則代表1 PPS_A滯后于1 PPS_B，測量值為負則代表1 PPS_B滯后于1 PPS_A。文中的時差測量值均滿足此定義。

現(xiàn)在討論校準過程。實際條件下，因為如圖4所標注的信號路徑的延時各不相等，所以，2鐘信號在系統(tǒng)輸出端同步時，TDC測得的時差0并不為0，而是：0＝(1-2)-(1-2)，即系統(tǒng)誤差rror。

圖4 系統(tǒng)誤差校準原理圖

為測量rror的值，設計了如圖4所示的校準原理圖，利用10MHz的同源信號代替A鐘與B鐘信號，輸入系統(tǒng)。

首先，測得1 PPS_B與1 PPS_A的時差值1＝1-1。

然后，將系統(tǒng)輸出的10 MHz信號送入“校準分頻器”，獲得1 PPS_B/A信號。由1 PPS_B/A信號代替1 PPS_A信號送入TDC做時差測量，如圖4中雙虛線所示。在B鐘為主鐘輸出的狀態(tài)下測得2＝(2+3)-1，在A鐘為主鐘輸出的狀態(tài)下測得3＝(2+3)-1。那么rror＝1-(3-2)。

因為圖4中10 MHz信號到系統(tǒng)板的引線延時不影響rror結(jié)果，所以，1，2，3的測量均未考慮引線延時的影響。校準時的“校準分頻器”以及輔助電路均由CPLD實現(xiàn)。

3.3 誤差分析及實驗結(jié)果

式（3）中，是采樣時間為1 s時的艾倫方差的平方根，實驗條件下＝3×10-11。

結(jié)束時差的測量后，停止系統(tǒng)對2臺鐘輸出頻率的控制，測量A鐘與B鐘的殘余頻差，測量結(jié)果為6.62×10-12，符合小于0/2的預期。

4 結(jié)語

本文提出的雙鐘熱備相位無擾切換技術(shù)方案，實現(xiàn)了工作鐘與備份鐘的1 PPS信號間±0.55 ns的同步精度，頻率同步精度優(yōu)于±2×10-11，并結(jié)合相位的無擾切換實現(xiàn)了銣原子鐘信號連續(xù)輸出，從而解決了單臺銣原子鐘的可靠性不能滿足一些對可靠性要求比較高的長期工作的系統(tǒng)的問題。

[1] 王義遒, 王慶吉, 傅濟時, 等. 量子頻標原理[M]. 北京: 科學出版社, 1986.

[2] 黃秉英, 馬鳳鳴, 肖明耀, 等. 時間頻率的精確測量[M]. 北京: 中國計量出版社, 1986.

[3] SWOBADA G L. Apparatus for cleanly switching between various clock sources in a data processing system: USA, 5790609[P]. 1998-08-04.

A design of dual rubidiumclock hot standby systemwith a switching method of no-phase-perturbation

XING Yan-chao, YANG Jun, TANG Chao, QIN Lei, GAO Wei, CHEN Zhi-yong, YU Fang, SHENG Rong-wu

(Wuhan Institute of Physics and Mathematics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

A design of dual rubidium clockhot standby system with a no-phase-perturbation switching method is proposed and realized in order to meet the continuity requirement of the time/frequency signals in the timing system. The method of the frequency and phase synchronizationand the no-phase-perturbation switching between the master clock and the slave clockare described. Thesystemcomposition, the key control program and the test result are given. By adopting this proposed design the time difference between the output signal of the master clock and that of the slave clock is within±0.55ns, and the signal switching without phase perturbation is realized, meeting the requirements of engineering application.

rubidium frequency standard; hot standby; synchronization; switching

TM935.11+5

A

1674-0637(2011)02-0101-06

2011-02-28

邢彥超，男，碩士研究生，主要從事銣原子頻標原理與應用方面的研究。