專利名稱：基于gps與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置及同步控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及同步控制技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置及同步控制方法。
背景技術(shù)：
瞬變電磁探測(cè)法是地質(zhì)探測(cè)的一種有效方法，特別適用于礦類物質(zhì)勘探、地下水勘探、地下空洞探測(cè)等方面。根據(jù)時(shí)間域瞬變電磁法原理，接收機(jī)接收的是發(fā)射機(jī)斷電后由地下地質(zhì)體產(chǎn)生的純二次場(chǎng)，這就要求接收機(jī)和發(fā)射機(jī)必須嚴(yán)格同步，且同步誤差至少小于1 μ S，如此苛刻的同步精度正是瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)在空間上是分離的，這就需要為瞬變電磁測(cè)量系統(tǒng)專門(mén)設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的同步控制
ο目前國(guó)內(nèi)外瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同步的方法主要為三種有線連接同步，無(wú)線通訊同步和高精度石英鐘同步。這三種同步方法都有較大的弊端，有線同步在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)相距較近時(shí)是一種經(jīng)濟(jì)有效的同步技術(shù)，但當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)相距較遠(yuǎn)時(shí)，難以采用有線同步；無(wú)線通訊同步不受發(fā)射機(jī)與接收機(jī)距離的影響，是一種比較常用的方法，但易受外界環(huán)境因素干擾；高精度石英鐘同步方法可靠有效，但高精度石英鐘價(jià)格昂貴且預(yù)同步時(shí)間較長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置，配有GPS接收機(jī)和恒溫晶體振蕩器，二者配合，提高同步的精度和穩(wěn)定性。本發(fā)明的另一目的是提供上述基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置的同步控制方法，恒溫晶振相位電壓定標(biāo)，GPS模塊接收衛(wèi)星信號(hào)，由按鍵模塊向主控模塊輸入選擇的頻率信號(hào)，GPS秒脈沖信號(hào)消除恒溫晶振模塊誤差，按頻率選擇信號(hào)輸出穩(wěn)定精確的頻率信號(hào)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置，包括恒溫晶振模塊和主控模塊，還包括GPS模塊、窄化電路模塊及從控模塊。主控模塊連接從控模塊，GPS模塊輸出的兩路信號(hào)一路接入主控模塊、另一路經(jīng)窄化電路模塊接入從控模塊，恒溫晶振模塊接入從控模塊。主控模塊接收的GPS信息在顯示模塊上顯示，并依此確認(rèn)GPS定位有效。主控模塊為單片機(jī)控制器，接有顯示模塊和按鍵模塊，由按鍵模塊輸入用戶所需的頻率值，在顯示模塊顯示GPS的定位信息、當(dāng)前輸出頻率以及電池電量等信息。GPS (GPS為GlcAal Positioning System的縮寫(xiě)，即全球定位系統(tǒng))模塊為GPS接收機(jī)，接收衛(wèi)星的兩路秒脈沖授時(shí)信號(hào)。該秒脈沖信號(hào)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC同步，不存在累積誤差，用于對(duì)從控模塊的分頻子模塊定時(shí)復(fù)位，定時(shí)消除恒溫晶振的累積誤差，使之也與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC同步。恒溫晶振模塊的恒溫晶體振蕩器有相位電壓調(diào)節(jié)端口，接電位器，調(diào)節(jié)其相位電壓。恒溫晶振模塊產(chǎn)生的頻率信號(hào)直接接入從控模塊，進(jìn)行N次分頻，輸出用戶所需的同步的不同頻率信號(hào)，使多臺(tái)設(shè)備同步工作。窄化電路模塊將GPS模塊輸出的秒脈沖信號(hào)進(jìn)行窄化處理；將GPS秒脈沖信號(hào) IOOms的方波信號(hào)變?yōu)楣潭▽挾冗_(dá)到200ns的窄脈沖，以供從控模塊的分頻子模塊使用。從控模塊的主芯片為CPLD (Complex Programmable Logic Device的縮寫(xiě)，S卩復(fù)雜可編程邏輯器件控制器)芯片。從控模塊包括分頻子模塊和程控頻率產(chǎn)生子模塊。程控頻率產(chǎn)生子模塊首先根據(jù)主控模塊傳送來(lái)的用戶頻率選擇信號(hào)判斷恒溫晶振模塊輸入的頻率信號(hào)分頻次數(shù)，且根據(jù)GPS秒脈沖信號(hào)定時(shí)對(duì)分頻子模塊進(jìn)行復(fù)位，使之與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步。從控模塊還接有雙極性信號(hào)變換模塊，按需要輸出雙極性波信號(hào)。恒溫晶振模塊還接有晶振自調(diào)整模塊，當(dāng)GPS模塊定位無(wú)效狀態(tài)下，由恒溫晶振模塊產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)來(lái)代替GPS信號(hào)，保持高精度輸出。晶振自調(diào)整模塊每1 2小時(shí)對(duì)恒溫晶體振蕩器進(jìn)行一次復(fù)位調(diào)整，以避免恒溫晶體振蕩器本身存在的累積誤差對(duì)本時(shí)鐘裝置精度的影響。本發(fā)明提供的基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置的同步控制方法，包括如下步驟I、恒溫晶振模塊的恒溫晶體振蕩器進(jìn)行相位電壓定標(biāo)，調(diào)節(jié)恒溫晶振模塊的恒溫晶體振蕩器相位電壓調(diào)節(jié)端口所接的電位器，使2臺(tái)時(shí)鐘裝置的恒溫晶體振蕩器相位誤差小于lys;II、GPS模塊由衛(wèi)星接收授時(shí)信號(hào)，將GPS秒脈沖信號(hào)送入主控模塊和窄化電路模塊；III、由按鍵模塊向主控模塊輸入選擇的頻率信號(hào)；IV、窄化電路模塊將GPS秒脈沖信號(hào)進(jìn)行窄化處理，并輸出到從控模塊；V、恒溫晶振模塊輸出10MHZ時(shí)鐘頻率信號(hào)到從控模塊；VI、從控模塊對(duì)GPS秒脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)每檢測(cè)到8個(gè)秒脈沖則對(duì)分頻模塊執(zhí)行一次復(fù)位操作，當(dāng)產(chǎn)生頻率為，0. 125hz,0. 25hz、2. 5hz、6. 25hz和25hz時(shí)，每8秒對(duì)鐘復(fù)位一次，即可準(zhǔn)確產(chǎn)生小于IHz的頻率信號(hào)；通、主控模塊將頻率選擇信號(hào)輸入到從控模塊；從控模塊對(duì)秒脈沖信號(hào)、恒溫晶振時(shí)鐘信號(hào)和主控模塊提供的頻率選擇信號(hào)進(jìn)行處理，輸出需要的頻率信號(hào)。步驟III中用戶選擇輸出的頻率為a ；所述步驟VI中，從控模塊包括分頻子模塊和程控頻率產(chǎn)生子模塊；程控頻率產(chǎn)生模塊根據(jù)步驟III中用戶選擇輸出的頻率a確定分頻子模塊的分頻次數(shù)b，當(dāng)恒溫晶振模塊輸出的頻率信號(hào)為10MHz，lMhz = 106hz，則有a = (10/b)*106hz，程控頻率產(chǎn)生子模塊計(jì)算后，由分頻子模塊對(duì)恒溫晶振輸入的信號(hào)進(jìn)行分頻得到所需輸出頻率。恒溫晶振模塊還接有晶振自調(diào)整模塊，所述步驟V中當(dāng)GPS模塊定位無(wú)效狀態(tài)下， 由恒溫晶振模塊產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)來(lái)代替GPS信號(hào)；所述步驟VI中，晶振自調(diào)整模塊每1 2 小時(shí)對(duì)恒溫晶體振蕩器進(jìn)行一次復(fù)位調(diào)整，以避免恒溫晶體振蕩器本身存在的累積誤差對(duì)本時(shí)鐘裝置精度的影響。
當(dāng)從控模塊接有雙極性信號(hào)變換模塊，從控模塊輸出頻率經(jīng)其變換后按用戶選擇輸出雙極性頻率信號(hào)。本發(fā)明基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置及同步控制方法的優(yōu)點(diǎn)為1、GPS接收機(jī)在定位情況下輸出的秒脈沖信號(hào)具有極高的精度和穩(wěn)定度，且不受距離及地形影響；而恒溫晶體振蕩器在短期內(nèi)能保持很高的穩(wěn)定度，不易受外界條件干擾；二者結(jié)合使時(shí)鐘源裝置輸出頻率精密同步在GPS接收機(jī)輸出的秒脈沖上，也就是說(shuō)使頻率信號(hào)與世界協(xié)調(diào)時(shí)間UTC(Universal Time Coordinated, UTC)時(shí)間保持同步，消除了恒溫晶體振蕩器的累積誤差，輸出的同步信號(hào)頻率相位偏移誤差小于IOOns ；2、當(dāng)GPS模塊不能可靠定位時(shí)，由恒溫晶振模塊可輸出秒脈沖代替GPS信號(hào)，保持本裝置的同步輸出，在GPS定位無(wú)效情況下， 其頻率精度能夠維持在1 μ s范圍內(nèi)持續(xù)時(shí)間在5個(gè)小時(shí)以內(nèi)，解決了實(shí)際瞬變電磁探測(cè)中 GPS的短時(shí)間失效問(wèn)題；3、恒溫晶振自調(diào)整模塊可對(duì)恒溫晶振模塊定時(shí)調(diào)整復(fù)位，消除其累積誤差，保證輸出信號(hào)的同步精度；4、可對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行雙極性變換，滿足瞬變電磁探測(cè)中采用雙極性波信號(hào)的要求；5、適應(yīng)于瞬變電磁探測(cè)領(lǐng)域以及CDMA和各種對(duì)時(shí)間頻率要求苛刻的儀器、儀表和系統(tǒng)。


圖1為本基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置實(shí)施例結(jié)構(gòu)框圖
具體實(shí)施例方式基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置實(shí)施例本例的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括GPS模塊、窄化電路模塊、恒溫晶振模塊、晶振自調(diào)整模塊、主控模塊、從控模塊和雙極性信號(hào)變換模塊。主控模塊連接從控模塊，GPS模塊輸出的兩路信號(hào)一路接入主控模塊、另一路經(jīng)窄化電路模塊接入從控模塊，恒溫晶振模塊接入從控模塊。恒溫晶振模塊連接晶振自調(diào)整模塊。從控模塊還連接雙極性信號(hào)變換模塊。 圖右的2個(gè)指向右方的箭頭表示輸出信號(hào)，即用戶選定的同步的不同頻率信號(hào)和雙極性信號(hào)。本例主控模塊為單片機(jī)控制器，接有顯示模塊和按鍵模塊。本例從控模塊的主芯片為CPLD芯片，包括分頻子模塊和程控頻率產(chǎn)生子模塊。GPS模塊為GPS接收機(jī)，支持對(duì)嚴(yán)格定位要求的應(yīng)用提供精確授時(shí)服務(wù)；在靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)可以在只有一顆衛(wèi)星的情況下進(jìn)行GPS授時(shí)服務(wù)，減少了由于定位錯(cuò)誤而可能造成的授時(shí)錯(cuò)誤；同時(shí)該GPS模塊使用量化誤差信息補(bǔ)償時(shí)脈的量化誤差，精度可高達(dá)15ns。在 GPS有效定位的情況下，該GPS模塊能夠輸出兩路秒脈沖信號(hào)，且該信號(hào)同步國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 UTC，不存在累積誤差；本例中GPS秒脈沖時(shí)間信息是用于馴服恒溫晶振模塊的“參照點(diǎn)”， 在每次GPS秒脈沖信號(hào)到來(lái)時(shí)，從控模塊計(jì)數(shù)，每8秒以此信號(hào)定時(shí)消除恒溫晶振模塊的累積誤差，使本例的時(shí)鐘源精度達(dá)到100ns。本例的恒溫晶振模塊采用標(biāo)稱10，000, OOOHz的恒溫晶體振蕩器，其溫度穩(wěn)定度可高達(dá)士5*10_"，老化率可低至5*10_9年，且對(duì)周圍環(huán)境的變化敏感度很低。本例恒溫晶振模塊的恒溫晶體振蕩器有接電位器的相位電壓調(diào)節(jié)端口?；贕PS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置的同步控制方法實(shí)施例
本例同步控制方法包括如下步驟I、恒溫晶振模塊的恒溫晶體振蕩器進(jìn)行相位電壓定標(biāo)，調(diào)節(jié)恒溫晶振模塊的恒溫晶體振蕩器相位電壓調(diào)節(jié)端口所接的電位器，使2臺(tái)時(shí)鐘裝置的恒溫晶體振蕩器相位誤差小于lys;II、GPS模塊由衛(wèi)星接收授時(shí)信號(hào)，將GPS秒脈沖信號(hào)送入窄化電路模塊；III、由按鍵模塊向主控模塊輸入選擇的頻率信號(hào)；IV、窄化電路模塊將GPS秒脈沖信號(hào)進(jìn)行窄化處理，并輸出到從控模塊；V、恒溫晶振模塊輸出10MHZ時(shí)鐘頻率信號(hào)到從控模塊；VI、從控模塊對(duì)GPS秒脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)每檢測(cè)到8個(gè)秒脈沖則對(duì)分頻模塊執(zhí)行一次復(fù)位操作，也即每8秒對(duì)鐘一次，以準(zhǔn)確產(chǎn)生小于IHz的頻率信號(hào)；通、主控模塊將頻率選擇信號(hào)輸入到從控模塊；從控模塊對(duì)秒脈沖信號(hào)、恒溫晶振時(shí)鐘信號(hào)和主控模塊提供的頻率選擇信號(hào)進(jìn)行處理，輸出需要的頻率信號(hào)。所述步驟VI中，從控模塊包括分頻子模塊和程控頻率產(chǎn)生子模塊，程控頻率產(chǎn)生子模塊根據(jù)主控模塊用戶要求輸出的頻率和恒溫晶振模塊輸出的頻率信號(hào)計(jì)算分頻次數(shù)， 由分頻子模塊對(duì)恒溫晶振模塊輸入的信號(hào)進(jìn)行分頻得到所需輸出頻率。當(dāng)GPS模塊定位無(wú)效狀態(tài)下，所述步驟V由恒溫晶振模塊產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)來(lái)代替 GPS信號(hào)；所述步驟VI中，晶振自調(diào)整模塊每1 2小時(shí)對(duì)恒溫晶體振蕩器進(jìn)行一次復(fù)位調(diào)離
iF. ο當(dāng)從控模塊接有雙極性信號(hào)變換模塊，從控模塊輸出頻率經(jīng)其變換后按用戶選擇輸出雙極性頻率信號(hào)。上述實(shí)施例，僅為對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的具體個(gè)例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開(kāi)的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置，包括恒溫晶振模塊和主控模塊，其特征在于 還包括GPS模塊、窄化電路模塊及從控模塊；主控模塊連接從控模塊，GPS模塊輸出的兩路信號(hào)一路接入主控模塊、另一路經(jīng)窄化電路模塊接入從控模塊，恒溫晶振模塊接入從控模塊；主控模塊為單片機(jī)控制器，接有顯示模塊和按鍵模塊； GPS模塊為接收衛(wèi)星的兩路秒脈沖授時(shí)信號(hào)的GPS接收機(jī)； 所述恒溫晶振模塊為恒溫晶體振蕩器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置，其特征在于 所述恒溫晶振模塊的恒溫晶體振蕩器有相位電壓調(diào)節(jié)端口，接電位器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置，其特征在于 所述從控模塊的主芯片為CPLD芯片，包括分頻子模塊和程控頻率產(chǎn)生子模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置，其特征在于 所述從控模塊還接有雙極性信號(hào)變換模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置，其特征在于 所述恒溫晶振模塊還接有晶振自調(diào)整模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置的同步控制方法，其特征在于包括如下步驟I、恒溫晶振模塊的恒溫晶體振蕩器進(jìn)行相位電壓定標(biāo)；調(diào)節(jié)恒溫晶振模塊的恒溫晶體振蕩器相位電壓調(diào)節(jié)端口所接的電位器，使2臺(tái)時(shí)鐘裝置的恒溫晶體振蕩器相位誤差小于iys;II、GPS模塊由衛(wèi)星接收授時(shí)信號(hào)，將GPS秒脈沖信號(hào)送入窄化電路模塊；III、由按鍵模塊向主控模塊輸入選擇的頻率信號(hào)；IV、窄化電路模塊將GPS秒脈沖信號(hào)進(jìn)行窄化處理，并輸出到從控模塊；V、恒溫晶振模塊輸出10MHZ時(shí)鐘頻率信號(hào)到從控模塊；VI、從控模塊對(duì)GPS秒脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)每檢測(cè)到8個(gè)秒脈沖則對(duì)分頻模塊執(zhí)行一次復(fù)位操作，也即每8秒對(duì)鐘一次，以準(zhǔn)確產(chǎn)生小于IHz的頻率信號(hào)；通、主控模塊將頻率選擇信號(hào)輸入到從控模塊；從控模塊對(duì)秒脈沖信號(hào)、恒溫晶振時(shí)鐘信號(hào)和主控模塊提供的頻率選擇信號(hào)進(jìn)行處理，輸出需要的頻率信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置的同步控制方法，其特征在于步驟III中用戶選擇輸出的頻率為a ；所述步驟VI中，從控模塊包括分頻子模塊和程控頻率產(chǎn)生子模塊；b為程控頻率產(chǎn)生模塊待定參數(shù)，當(dāng)恒溫晶振模塊輸出的頻率信號(hào)為 10MHz，則有a = (10/b)*106hz，由分頻子模塊和程控頻率產(chǎn)生子模塊計(jì)算后對(duì)恒溫晶振輸入的信號(hào)進(jìn)行分頻得到所需輸出頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置的同步控制方法，其特征在于恒溫晶振模塊還接有晶振自調(diào)整模塊，所述步驟V中當(dāng)GPS模塊定位無(wú)效狀態(tài)下，由恒溫晶振模塊產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)來(lái)代替GPS信號(hào)；所述步驟VI中，晶振自調(diào)整模塊每1 2小時(shí)對(duì)恒溫晶體振蕩器進(jìn)行一次復(fù)位調(diào)整。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置的同步控制方法，其特征在于當(dāng)從控模塊接有雙極性信號(hào)變換模塊，從控模塊輸出頻率經(jīng)其變換后按用戶選擇輸出雙極性頻率信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明為基于GPS與恒溫晶振的時(shí)鐘源裝置及同步控制方法，本裝置包括恒溫晶振、主控、GPS、窄化電路及從控等模塊。主控模塊接從控模塊，GPS模塊輸出一路接主控模塊、另一路經(jīng)窄化電路模塊接從控模塊，恒溫晶振模塊接從控模塊。GPS模塊接收衛(wèi)星秒脈沖信號(hào)，從控模塊據(jù)此對(duì)其內(nèi)的分頻子模塊定時(shí)復(fù)位，消除恒溫晶振的累積誤差。本同步控制方法為恒溫晶振相位電壓定標(biāo)；GPS模塊接收衛(wèi)星信號(hào)；由按鍵模塊向主控模塊輸入選擇的頻率信號(hào)；GPS秒脈沖信號(hào)窄化處理后送入從控模塊；恒溫晶振模塊的時(shí)鐘頻率信號(hào)送入從控模塊；從控模塊按GPS信號(hào)對(duì)分頻模塊定時(shí)復(fù)位；按頻率選擇信號(hào)輸出頻率信號(hào)。本發(fā)明GPS結(jié)合恒溫晶振使頻率信號(hào)與UTC同步，相位誤差小于100ns。
文檔編號(hào)H04J3/06GK102510320SQ20111033241
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者葉金才, 張超凡, 楊永壽, 武紅欣, 王國(guó)富, 閆海明 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)