本發(fā)明涉及一種時間定時裝置，特別涉及一種基于標準尺及光速不變原理構(gòu)建的時間定時裝置。
背景技術：
目前，原子時被公認為是最穩(wěn)定的時間基準。一般原子鐘的頻率穩(wěn)定度為10-12～10-15量級，精度為3～3000萬年不差1秒。最新研制的原子光鐘頻率穩(wěn)定度為10-16～10-17量級，精度達到3～30億年不差1秒。
原子鐘的發(fā)展方向有兩個：一是更高頻率的原子光鐘，采用激光冷卻、磁光阱凝聚、光梳等一系列的前沿技術，進一步提高時間精度及穩(wěn)定度；二是小型化原子鐘，采用相干布居數(shù)囚禁技術(即cpt技術)，研制片上系統(tǒng)(soc)。原子光鐘由于采用了先進復雜的技術，因此在提高時間穩(wěn)定度及精度的同時，系統(tǒng)實現(xiàn)難度極大，成本極高，只能在國家級時間標準或時間基準中應用。cpt原子鐘可以實現(xiàn)小型化，但時間精度及穩(wěn)定度不高，一般應用在有一定要求、但又不能太高的場合。
原子鐘技術源于量子理論△e＝hv，原子能級之間的躍遷輻射是原子鐘頻率穩(wěn)定的基礎，它的頻率穩(wěn)定度受不確定性原理的約束
人們期望能夠?qū)崿F(xiàn)在宇宙生命周期尺度上的高精度及高穩(wěn)定度時鐘，其頻率穩(wěn)定度達到10-17～10-18量級，實現(xiàn)30～300億年不差1秒的目標。但顯然，無論在理論上還是在技術上都受到了極大的挑戰(zhàn)。
技術實現(xiàn)要素：
針對上述不足，本發(fā)明提供一種高精度、高穩(wěn)定度、體積較小，重量輕和成本低的基于標準尺及光速不變原理構(gòu)建的時間定時裝置。
本發(fā)明的基于標準尺及光速不變原理構(gòu)建的時間定時裝置，所述時間定時裝置包括分頻器1、標準尺2、鑒相器3和壓控振蕩器5；
壓控振蕩器5輸出的脈沖信號輸入至分頻器1，分頻器1輸出二分頻的時鐘信號和四分頻的方波信號，所述方波信號分成兩路，一路為直接信號，另一路經(jīng)標準尺2輸出延時信號，所述直接信號和延時信號存在穩(wěn)定的時間差；直接信號和延時信號分別到達鑒相器3進行周期及相位檢測，鑒相器3輸出的檢測偏差信號輸入至壓控振蕩器5，調(diào)控壓控振蕩器5輸出的脈沖信號的周期和相位，實現(xiàn)負反饋控制；
標準尺為標準長度且具有穩(wěn)定延時的傳輸線。
優(yōu)選的是，所述時間定時裝置還包括濾波器4；
鑒相器3輸出的檢測偏差信號輸入至濾波器4，經(jīng)濾波器4濾波后再輸入至壓控振蕩器5。
優(yōu)選的是，所述標準尺2為采用熱膨脹系數(shù)為零的因瓦合金制成，該標準尺的長度l＝ctr，其中c為光速，tr為時鐘信號的周期。
優(yōu)選的是，所述標準尺2為采用負的熱膨脹系數(shù)的因瓦合金材料與正的熱膨脹系數(shù)的因瓦合金材料構(gòu)成溫度互補型的標準尺。
優(yōu)選的是，采用負的熱膨脹系數(shù)的因瓦合金材料與正的熱膨脹系數(shù)的因瓦合金材料構(gòu)成溫度互補型的標準尺的方法為：
獲取標準尺的總長度l＝ctr，其中c為光速，tr為時鐘信號的周期；
l＝l0(1+αe△t)公式一；
其中，l0＝lp0+ln0，其中l(wèi)p0為溫度t0時采用正的熱膨脹系數(shù)的因瓦合金材料制作的標準尺的長度，ln0為溫度t0時采用負的熱膨脹系數(shù)的因瓦合金材料制作的標準尺的長度，△t為偏離溫度t0的溫差，
且lp0和ln0需滿足：
其中，αp為正的熱膨脹系數(shù)，αn為負的熱膨脹系數(shù)；
根據(jù)公式一和公式二確定lp0和ln0。
優(yōu)選的是，所述鑒相器包括兩個非門、雙d觸發(fā)器、或非門和rs觸發(fā)器；
所述直接信號和延時信號分別輸入至兩個非門，所述兩個非門的輸出分別輸入至雙d觸發(fā)器的cp端，雙d觸發(fā)器的q端分別與或非門的兩個輸入端連接，或非門的輸出端同時與雙d觸發(fā)器的r非端連接，雙d觸發(fā)器的d端分別輸入1，雙d觸發(fā)器的q非端分別與rs觸發(fā)器的s非端和r非端連接，rs觸發(fā)器的q端輸出檢測偏差信號。
優(yōu)選的是，所述濾波器采用二階低通濾波器。
優(yōu)選的是，所述壓控振蕩器5由三級非門串聯(lián)構(gòu)成，其中一級非門是鏡像恒流源控制的可變延時非門，通過鏡像電流與輸入的檢測偏差信號的變換實現(xiàn)振蕩器頻率的控制。
上述技術特征可以各種適合的方式組合或由等效的技術特征來替代，只要能夠達到本發(fā)明的目的。
本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明基于光速不變原理及標準尺構(gòu)建的時間定時裝置，由于機理完全不同于原子鐘，在實現(xiàn)高精度高穩(wěn)定度時間基準及定時的同時，還具有非常寬的環(huán)境適應能力。由于時間基準的穩(wěn)定度主要由標準尺的穩(wěn)定性決定，標準尺受溫度等影響非常小，因此可以獲得非常高的時間穩(wěn)定度。標準尺甚至可以制作成熱膨脹系數(shù)為零的穩(wěn)定性，其時鐘周期的穩(wěn)定性及精度超過原子鐘，并且本發(fā)明的時間定時裝置可以采用集成電路ic工藝集成在系統(tǒng)級芯片soc中，具有體積較小，重量輕、成本低的優(yōu)勢。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的時間定時裝置的原理示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不作為本發(fā)明的限定。
結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的基于標準尺及光速不變原理構(gòu)建的時間定時裝置，包括分頻器1、標準尺2、鑒相器3和壓控振蕩器5；
標準尺1為標準長度且具有穩(wěn)定延時的傳輸線；
壓控振蕩器5輸出的脈沖信號輸入至分頻器1，分頻器1輸出二分頻的時鐘信號和四分頻的方波信號，所述方波信號分成兩路，一路為直接信號，另一路經(jīng)標準尺2輸出延時信號，所述直接信號和延時信號存在穩(wěn)定的時間差，該時間差作為時間參考基準；時間參考基準建立后，直接信號和延時信號分別到達鑒相器3進行周期或頻率及相位檢測，鑒相器3輸出的檢測偏差信號輸入至壓控振蕩器5，調(diào)控壓控振蕩器5輸出的脈沖信號的周期或頻率和相位，實現(xiàn)負反饋控制，使時本實施方式輸出的時鐘信號的周期鎖定在由標準尺1確定的時間參考基準上，從而獲得頻率穩(wěn)定的時鐘信號。
優(yōu)選實施例中，本實施方式還包括濾波器4；
鑒相器3輸出的檢測偏差信號輸入至濾波器4，經(jīng)濾波器4濾波后再輸入至壓控振蕩器5。
鑒相器3包括兩個非門、雙d觸發(fā)器、或非門和rs觸發(fā)器；
所述直接信號和延時信號分別輸入至兩個非門，所述兩個非門的輸出分別輸入至雙d觸發(fā)器的cp端，雙d觸發(fā)器的q端分別與或非門的兩個輸入端連接，或非門的輸出端同時與雙d觸發(fā)器的r非端連接，雙d觸發(fā)器的d端分別輸入1，雙d觸發(fā)器的q非端分別與rs觸發(fā)器的s非端和r非端連接，rs觸發(fā)器的q端輸出檢測偏差信號。
濾波器4采用二階低通濾波器。
壓控振蕩器5由三級非門串聯(lián)構(gòu)成，其中一級非門是鏡像恒流源控制的可變延時非門，通過鏡像電流與輸入的檢測偏差信號的變換實現(xiàn)振蕩器頻率的控制。
如圖1所示，圖1的工作過程包括如下步驟：
步驟一：由壓控振蕩器5產(chǎn)生并輸出脈沖信號，經(jīng)過分頻器1產(chǎn)生二分頻的時鐘信號sysclk及四分頻輸出方波信號fs，均為占空比50％的方波信號，其中時鐘信號sysclk作為本實施方式時間定時裝置的輸出，周期為ts；
步驟二：方波信號fs被分為兩路，一路為直接信號，一路為經(jīng)標準尺2的延時信號，兩路信號分別到達鑒相器3的輸入端，進行鑒相檢測。標準尺2的延時tr作為時間參考，該時間延時也是#z及#y兩者之間的延時差；
步驟三：直接信號與延時信號經(jīng)過鑒相器3比較后，鑒相器3輸出為檢測偏差信號vp；根據(jù)鑒相比較結(jié)果，檢測偏差信號vp具有三種狀態(tài)：(1)當ts＝tr時，vp為占空比50％的脈沖信號；(2)當ts>tr時，vp為占空比小于50％的脈沖信號；(3)當ts<tr時，vp為占空比大于50％的脈沖信號。
步驟四，將檢測偏差信號vp進行濾波處理，根據(jù)檢測偏差信號vp脈沖信號占空比的不同，濾波器4輸出不同的電壓信號，該電壓信號控制壓控振蕩器5輸出的脈沖信號周期，并使ts的變化趨近tr；
步驟五：壓控振蕩器5輸出的脈沖信號經(jīng)過分頻器1獲得ts＝tr的周期脈沖信號。由于tr是由標準尺2延時確定的，僅與標準尺2特性有關，而標準尺2延時具有很高的穩(wěn)定性，因而本實施方式的時間定時裝置輸出的時鐘信號周期也具有很高的穩(wěn)定性。
本實施方式中標準尺的設計方法如下：
本實施方式的時間定時裝置輸出的時鐘信號的周期由標準尺2的延時確定，當標準尺2的長度為l時，其標準尺2產(chǎn)生的時間參考基準為
c為光速，l為標準尺2的長度；
標準尺2為具有穩(wěn)定長度的傳輸線，采用因瓦合金設計而成，其結(jié)構(gòu)為同軸電纜形式。選用熱膨脹系數(shù)為零的因瓦合金制作標準尺；
例如：設計時鐘頻率為100mhz的時間定時裝置，tr＝10ns，根據(jù)式(1)，其標準尺2的長度l＝3m。
熱膨脹系數(shù)為零的因瓦合金材料不容易獲得，還可以采用具有負的和正的熱膨脹系數(shù)的兩種因瓦合金材料制作標準尺。
采用負的熱膨脹系數(shù)的因瓦合金材料與正的熱膨脹系數(shù)的因瓦合金材料構(gòu)成溫度互補型的標準尺。設正的熱膨脹系數(shù)的標準尺長度為lp，其熱膨脹系數(shù)為αp，負的熱膨脹系數(shù)的標準尺長度為ln，其熱膨脹系數(shù)為-αn，其標準尺總長度為l，則有
l＝lp+ln
＝lp0(1+αp△t)+ln0(1-αn△t)
＝lp0+ln0+(lp0αp-ln0αn)△t
＝l0+(lp0αp-ln0αn)△t(2)
其中l(wèi)0為溫度t0時的標準尺長度，按時鐘周期tr根據(jù)式(1)確定，△t為偏離溫度t0的溫差，lp0為溫度t0時的正標準尺長度，ln0為溫度t0時的負標準尺長度。
當lp0αp-ln0αn＝0時，標準尺長度不隨溫度變化。在工作點溫度t0鄰域，標準尺長度為l0＝lp0+ln0。因此兩種熱膨脹系數(shù)的標準尺長度之比為
當lp0αp-ln0αn＝△lα時，則標準尺總長度表示為
l＝l0(1+αe△t)(4)
其中
由此確定的時空表頻率穩(wěn)定度為
對于因瓦合金，α為10-8量級，△l/l0為10-6量級，時鐘周期ts＝10ns＝10-8s，則可實現(xiàn)頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-18量級的指標(溫度控制在1℃以內(nèi))，時間精度300億年不差1秒。
根據(jù)上述論述可知，一旦標準尺總長度及兩種標準尺熱膨脹系數(shù)確定，則標準尺參數(shù)即可確定。通過選用熱膨脹系數(shù)為零的因瓦合金制作標準尺，或采用具有正、負熱膨脹系數(shù)特性兩種因瓦合金材料制作標準尺，都可以獲得具有穩(wěn)定長度的標準尺。由于標準尺不再隨溫度變化，因此當信號經(jīng)過標準尺時將具有穩(wěn)定的時間延時，從而可以建立穩(wěn)定的時間參考。以穩(wěn)定時間為參考的時鐘信號具有非常穩(wěn)定的信號周期，因此時空表輸出信號頻率的穩(wěn)定度超過原子鐘信號頻率的穩(wěn)定度。
雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發(fā)明，但是應該理解的是，這些實施例僅僅是本發(fā)明的原理和應用的示例。因此應該理解的是，可以對示例性的實施例進行許多修改，并且可以設計出其他的布置，只要不偏離所附權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應該理解的是，可以通過不同于原始權利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結(jié)合單獨實施例所描述的特征可以使用在其他所述實施例中。