CN101931405B

CN101931405B - 一种用于cpt原子钟的相干解调装置

Info

Publication number: CN101931405B
Application number: CN2010102771636A
Authority: CN
Inventors: 邓威; 张奕; 云恩学; 顾思洪
Original assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2030-09-09
Also published as: CN101931405A

Abstract

本发明公开了一种用于CPT原子钟的相干解调装置。它包含两路调制和解调单元，采用数字控制电路与模拟解调电路实现高精度的相干解调。微控制器经过两路数模转换器分别与电压/电流转换电路和频率综合电路相连，微控制器输出的调制参考方波至电压/电流转换电路实现直流环路调制，微控制器控制频率综合电路相连实现微波环路调制。电压/电流转换电路的输出与频率综合电路的输出通过直流偏置器件与物理系统的VCSEL输入端相连。物理系统输出的光电流信号经过光检放大电路后连接到直流解调电路和微波解调电路，解调结果分别通过模数转换器输入微控制器。该装置体积小，功耗低，信噪比高。基于该装置的CPT原子钟指标已达到国际上最好的商用小型CPT原子钟水平。

Description

一种用于CPT原子钟的相干解调装置

技术领域

本发明涉及原子钟技术领域，更具体涉及一种用于相干布居数囚禁（CPT, Coherent Population Trapping）原子钟的相干解调装置。可适用于小型化商用原子钟系统，在低功耗、小体积、高精度、高稳定度频率标准的领域中有广阔的应用前景。

背景技术

CPT原子钟是一种新型原子钟，它利用相干布居囚禁现象实现，省去了传统原子钟的微波腔，是一种全光原子钟。与传统原子钟比，它具有体积小、功耗低、启动快等优点，结合微电子机械系统（MEMS, Micro Electromechanical System）技术，可以实现体积为几个立方厘米、纽扣电池供电、几十秒钟完成启动的微型原子钟系统。微型CPT原子钟结合了原子钟的长期稳定性好和晶振的体积小、功耗低的优势，已成为原子钟研究领域的宠儿。国内CPT原子钟研究单位主要有中国科学院武汉物理与数学研究所，四川天奥星华时频公司，北京大学等单位，其中中科院武汉物理与数学研究所于2006年在国内首次研究出CPT原子钟，2009年研制出的小型化样机指标已达到国际上最好的商用小型CPT原子钟水平。

CPT原子钟的控制电路主要包含有两个锁相控制环路：其中一个环路为激光稳频环路，通过在注入垂直腔表面发射激光器（VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser）的电流（mA量级）上叠加几KHz的浅幅调制（μA量级），以实现对输出激光频率的调制，使用光电探测器探测VCSEL输出激光与原子作用后的光强，可得到原子对不同频率激光的吸收谱线，通过相干解调的方法从原子对激光的吸收谱获得反馈信号，用于调节注入VCSEL的电流，将输出激光频率锁定在原子对不同频率激光的吸收谱线中最大共振吸收峰对应的频率上；另一个环路为微波频率锁定环路，将微波耦合到注入VCSEL的电流中，使VCSEL输出产生双色相干光，用于产生CPT现象，与激光稳频环路类似，通过锁相环对微波叠加几百Hz的频率调制，使用光电探测器探测VCSEL输出激光与原子相互作用后的光强，可得到CPT谱线，通过相干解调的方法获得反馈信号，用于调节微波频率，将微波频率锁定在CPT峰上，以实现稳频的目的。

由此可见，相干解调是实现CPT原子钟锁相控制的重要方法，CPT原子钟的性能与其所使用的相干解调效果有很大的关系，高性能的原子钟和高性能的调制解调环路是分不开的。现常用的原子钟调制解调方法有三种：一是通过数字方法控制高速数模转换器（DAC）得到调制信号，通过量子系统后，再由模数转换器（ADC）高速采集响应信号，通过数字解调算法得到解调结果，再由数字方法控制数模转换器进行反馈，如北京大学汪中等申请的专利（一种相干布居囚禁原子钟，申请号200810225078.8）；另一种为通过模拟或数字方法得到调制信号，利用模拟开关解调响应中的同频信号，得到模拟解调结果，执行模拟反馈；还有一种是通过模拟开关解调，得到模拟解调结果，再用ADC采集，数字控制DAC反馈。现有的这三种方法各有缺点，第一种方法对ADC、DAC的采集速度和精度要求高，对ADC、DAC的参考时钟要求也很高，需要专门的时钟分配芯片给电路提供时钟，并且需要专门的控制芯片作为控制接口，增加了分立电路的功耗和体积，不利于CPT原子钟的小型化，同时该方法对微控制器的处理能力有较高的要求，且处理算法和数字电路引入的噪声对调制解效果影响很大，将直接影响到CPT原子频标的稳定度；第二种方法的反馈控制电路调节复杂，灵活性差；第三种方法中的开关解调方法一般利用场效应管控制开关，外部电路的噪声性能和体积难以兼顾。

总之，设计、研制出满足小型、低功耗要求，性能更加理想的调制解调电路，是改进小型化CPT原子钟的一个关键方面。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于CPT原子钟的相干解调装置，该装置体积小，功耗低，精度高。相比已有的调制解调装置，该装置降低了整机的体积和功耗，提高了解调信号的信噪比，在此基础上研制出的小型化CPT样机指标已达到国际上最好的商用小型CPT原子钟水平。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种用于CPT原子钟的相干解调装置，该装置包括：光检放大电路、直流解调单元、微波解调单元、第一模数转换器（直流环路）、第二模数转换器（微波环路）、微控制器、第一数模转换器（直流环路）、第二数模转换器（微波环路）、频率综合电路、电压/电流转换电路、直流偏置器件、物理系统。其特征在于：物理系统的输入输出分别与光检放大电路、直流偏置器件相连，物理系统中的光电探测器输出端与光检放大电路相连，光检放大电路的输出分别与直流解调单元和微波解调单元相连，直流调制单元与微波调制单元的输出分别通过第一模数转换器（直流环路）和第二模数转换器（微波环路）相连，第一模数转换器（直流环路）、第二模数转换器（微波环路）输出与微控制器相连，微控制器通过串行接口总线读取模数转换得到的结果。微控制器通过串行接口总线与第一数模转换器（直流环路）、第二数模转换器（微波环路）相连，第一数模转换器（直流环路）、第二数模转换器（微波环路）分别与频率综合电路、电压/电流转换电路相接。电压/电流转换电路输出端、频率综合电路的微波输出端分别与直流偏置器件的直流和微波输入端相连。直流偏置器件输出与物理系统的VCSEL输入端相连，驱动激光管发光。其中光检放大电路，直流解调单元，直流环路模数转换器，微控制器，直流环路数模转换器，电压/电流转换电路，直流偏置器件，物理系统构成激光频率锁定环路；而光检放大电路，微波解调单元，微波环路模数转换器，微控制器，微波环路数模转换器，频率综合电路，直流偏置器件，物理系统构成微波频率锁定环路。

所述的物理系统包括微波发生器、VCSEL激光器、原子气室和光电探测器；VCSEL激光器输入与直流偏置器件的输出相连，VCSEL激光器发出的激光经过原子气室与原子相互作用，透射的激光进入光电探测器，光电探测器的输出与光检放大电路相连。

微控制器：用于提供调制和相干解调所需的方波信号，调节调制和相干解调方波信号之间的相位，处理解调得到的结果，并控制数模转换器反馈输出；

所述的调制单元：用于调制所述原子钟物理单元中的激光器和微波发生器，得到经过调制的直流和微波；

所述的解调单元：包括带通滤波器、解调器和低通滤波器，用于从所述原子钟物理单元中光电探测器输出中过滤出与调制同频的信号分量，并模拟解调。

所述的直流解调单元、微波解调单元包括：带通滤波器、微控制器、解调器、低通滤波器，解调器包括信号通道、参考通道、相位检测器，解调器中的信号通道与参考通道两个输入通道与相位检测器连接，带通滤波器的输出的鉴频信号接入解调器中的信号通道，微控制器输出用于解调的参考方波输入参考通道，解调器的输出与低通滤波器相连。

通过微波对VCSEL的输入电流进行幅度调制，可获得受微波调制的多色光，这些多色光具有良好的相干特性。选择适当的调制指数，使该多色光中的±1级边带光较强。此多色光通过吸收泡和泡中的原子相互作用，利用透射光信号来检测原子对激光频率和微波频率的响应，就是光检测原理。通过检测透射光的光强，可以得到原子对激光频率的响应。在温度不变的条件下，一定范围内，VCSEL输出的光频率随输入的电流线性变化，电流越大，激光波长越长。在微波调制时进行电流扫描，可得到原子对激光的吸收谱线。将激光频率停留在最大吸收峰的峰值处，对应于±1级边带同时作用在所选定的原子能级上。调整微波的频率，使得±1边带光子的能量差与两下能级的能量差精确相等，这时原子体系中的部分原子就会被制备成CPT态而不再吸收光子，因而光电探测器将探测到较强的透射光信号，这就是由CPT态所造成的电磁感应透明（EIT, Electromagnetically Induced Transparency）信号。

激光频率锁定选用原子对激光的多普勒吸收谱线作为鉴频谱线，微波频率锁定选用EIT谱线作为鉴频谱线。在供给VCSEL的直流和微波上加上调制，并配合相敏检测方法提高信噪比。这种带有调制的双色光与原子相互作用后，原子则对这些侦测激励信号有鉴频作用，光检信号携带了调制信号各次谐波的鉴频信息。将鉴频信号同步解调就得到锁定激光频率的纠偏电流和锁定微波频率的纠偏电压。

针对直流调制进行解调，得到直流环路的纠偏电压，其极性和幅度反映了激光频率与所选锁定频率的偏差方向和偏差程度，将该纠偏电压作为负反馈量叠加到VCSEL的输入电流就可实现激光频率稳频。同理，针对微波调制进行解调，得到微波环路的纠偏电压，其极性和幅度反映了微波频率与标准频率的偏差方向和偏差程度，将该纠偏电压作为负反馈量加到频率综合电路中晶体振荡器的压控端就可实现微波频率稳频。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

将相敏检测技术用于对光检信号的检测和处理显示出优秀的性能，可获得用于反馈的纠偏信号。相敏检测对白噪声具有有效的抑制作用，能在较强的噪声中提取信号，使得测量精度大大提高。同时，由于采用高精度模拟器件实现相干解调电路，避免了直接对鉴频信号进行数字采样过程引起的量化误差，进一步提高了信噪比。

在模拟电路的基础上加入了数字电路+软件的设计思路。通过微控制器提供调制和相干解调的参考信号，并控制扫描反馈的流程，充分利用了软件的灵活性，且调试更加方便。通过微控制器可改变调制信号与相干解调信号的之间的相位差并实现自动修正，可提高相敏检测的精度。

本发明实现方法简单，微控制器提供用于调制与相干解调的方波信号只需要占用很少的资源，可用低功耗低成本的微控制器实现。参考信号的频率远低于数字方法所需的采样频率，同时由于微控制器通过模数转换器采集的信号为解调得到的结果，而不是原始的光检信号，因此对微控制器及模数转换器时钟和处理速度的要求大大降低，在体积、功耗、成本上具有优势。

将本发明实现的相干解调装置用于CPT频标，满足了小信号检测的及高精度的需求，提高了原子频标稳定度。

附图说明

图1为一种用于CPT原子钟的相干解调装置结构示意图。

其中，1-光检放大电路（采用运算放大器MAX414实现），2-直流解调单元（采用平衡调制解调器AD630实现），3-微波解调单元（采用平衡调制解调器AD630实现），4-第一模数转换器（ADS1211），5-第二模数转换器（ADS1211），6-微控制器（MSC1220），7-第一数模转换器（ADS1200），8-第二数模转换器（ADS1200），9-频率综合电路（LMX2487），10-电压/电流转换电路（采用运算放大器MAX414实现），11-直流偏置电路（在微波信号上加上直流偏置，本领域普通技术人员均可实现），12-物理系统。

图2为CPT原子频标中激光与原子相互作用原理示意图。

其中，图a为Rb原子三能级结构，E1、E2为基态能级，E3为激发态能级，f_VCSEL 为经过微波调制后的VCSEL输出的激光频谱，其中f₊₁ 和f_-1 分别对应原子能级E1、E2与E3之间的能级跃迁频率ν₁和ν₂；图b为扫描激光器输入电流得到的原子对不同激光频率的多普勒吸收谱线；图c为扫描调制微波频率得到的CPT信号。

图3为一种相干解调原理示意图。

其中，横坐标表示输入微波频率f，纵坐标表示输出的光电流大小I。f₁、f₂、f₃分别表示三种不同微波频率下正弦波调制得到的输入信号，I₁、I₂、I₃、分别表示对应的三种不同微波频率下光电流输出信号。

图4为一种单路相干解调单元结构示意图。

其中，21-带通滤波器（采用运算放大器MAX414实现），22-微控制器（MSC1220），23-解调器（AD630），24-低通滤波器（采用运算放大器实现）。25-信号通道，26-参考通道，27-相位检测器（AD630）。

图5为一种微控制器程序运行框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：

根据图1可知，一种用于CPT原子钟的相干解调装置，它由光检放大电路1、直流解调单元2、微波解调单元3、第一模数转换器（直流环路）4、第二模数转换器（微波环路）5、微控制器6、第一数模转换器（直流环路）7、第二数模转换器（微波环路）8、电压/电流转换电路9、频率综合电路10、直流偏置器件11、物理系统12组成。CPT原子频标伺服电路主要完成两个环路的控制和锁定，一个是激光稳频环路，另一个是微波稳频环路，相应地，每个环路均包含独立的调制和解调装置。其连接关系是：物理系统12中的光电探测器输出端与光检放大电路1相连，物理系统12中的VCSEL输入端与直流偏置器件11相连。光检放大电路1的输出分别与直流解调单元2和微波解调单元3相连，光检放大电路1与直流解调单元2和微波解调单元3相连，光检放大电路将物理系统12光电探测器输出的电流信号转换为电压信号，并进行放大和滤波，得到含有直流调制和微波调制频率的信号，分别送入直流解调单元2和微波解调单元3解调。直流解调单元2与微波解调单元3是本发明的重要部分，其作用为对滤波得到的直流和微波两路信号进行解调，利用相敏检测的原理得到直流和微波纠偏信号，得到噪声低，灵敏度高的纠偏信号。直流解调单元2与微波解调单元3的输出分别通过第一模数转换器（直流环路）4和第二模数转换器（微波环路）5相连，将纠偏信号由模拟量转换为数字量。第一模数转换器（直流环路）4、第二模数转换器（微波环路）5输出与微控制器6相连，微控制器6通过串行接口总线读取模数转换得到的结果。微控制器6是伺服装置的主要控制器件，其作用为读取第一模数转换器（直流环路）4、第二模数转换器（微波环路）5输出的纠偏信号，根据一定的算法计算得到直流和微波反馈量，然后根据此反馈量输出电压信号，改变直流输出的大小和微波输出信号的频率。同时，微控制器6输出用于调制和相干解调的参考方波信号，调制和解调方波之间的相位精确可调，调制与相干解调的过程由外部模拟电路完成，无需微控制器的干预。微控制器通过调节调制和解调方波之间的相位差获得最好的解调结果。此外，微控制器还用于整机工作过程控制，包括初始化配置，直流扫描与反馈，微波扫描与反馈等过程。微控制器6通过串行接口总线与第一数模转换器（直流环路）7、第二数模转换器（微波环路）8相连，第一数模转换器（直流环路）7与综频电路9相连，第二数模转换器（微波环路）8与电压/电流转换电路10相连。微控制器6控制第一数模转换器（直流环路）8输出电压信号经过电压/电流转换电路9得到电流信号，驱动激光管发光，并通过改变电流大小改变输出激光的频率。频率综合电路9由10MHz压控晶振、微波频率压控振荡器和锁相环组成，将压控晶振产生的标准频率信号通过频率综合电路得到原子基态超精细能级频率差的一半（约3.417GHz）的微波频率信号。微控制器6控制第二数模转换器（微波环路）8输出电压信号，控制压控晶振输出频率，进而改变频率综合电路10输出的微波频率。电压/电流转换电路9输出端输出直流，频率综合电压/电流转换电路10的微波输出端输出微波，分别与直流偏置器件11的两个输入端相连。直流偏置器件11在输入的直流上叠加微波调制，得到幅度调制的直流，调制频率为输入微波频率。直流偏置器件11输出与物理系统12的VCSEL输入端相连，驱动激光管发光，由于直流上的叠加的微波调制，VCSEL输出激光在基频之外会出现多级边带，相邻边带之间频率差为微波频率，各边带的幅度大小服从调频谱分布，可由调制指数根据贝塞尔函数计算得出。物理系统12是CPT原子频标的核心部分。VCSEL输出激光与原子相互作用，不同频率的激光与原子作用时具有不同的吸收特性。

其中光检放大电路1、直流解调单元2、第一模数转换器（直流环路）4、微控制器6、第一数模转换器（直流环路）7、电压/电流转换电路9，直流偏置器件11、物理系统12构成激光频率锁定环路。光检放大电路1，微波解调单元3，第二模数转换器（微波环路）5、微控制器6，第二数模转换器（直流环路）8、频率综合电路10，直流偏置器件11，物理系统12构成微波频率锁定环路。

所述的物理系统12包括VCSEL激光器（ULM795）、原子气室（圆柱形铷原子玻璃气室，本领域的普通技术人员均能设计实现）和光电探测器（S1223 Series）；VCSEL激光器输入与直流偏置器件11的输出相连，VCSEL激光器发出的激光经过原子气室与原子相互作用，透射的激光进入光电探测器，光电探测器的输出与光检放大电路1相连。

图2是CPT原子频标中激光与原子相互作用时输入与输出的关系，其中，图2a为Rb原子三能级结构，E1、E2为基态能级，E3为激发态能级，f_VCSEL 为经过微波调制后的VCSEL输出的激光频谱，其中f₊₁ 和f_-1 分别对应原子能级E1、E2与E3之间的能级跃迁频率ν₁和ν₂；图2b为扫描激光器输入电流得到的原子对不同激光频率的多普勒吸收谱线；图2c为扫描调制微波频率得到的CPT信号。微波调制VCSEL的输入电流，得到多色光，选取合适的调制深度使正负一级边带（f₊₁ 与f_-1 ）最大。激光频率改变时，该多色光与原子相互作用会有不同的吸收，通过探测透射光的光强，便可得到如图2b所示的吸收谱线。用其中幅度最大的吸收谱线，即正负一级边带的吸收谱线作为激光频率的鉴频谱线，在激光稳频环路中产生负反馈电流叠加的VCSEL的输入电流中，便可稳定VCSEL输出激光的频率。改变调制VCSEL的输入电流的微波频率，当微波频率严格等于原子三能级结构（2a）中原子两下个能级的频率差时，会产生EIT现象（2c）。用EIT谱线作为微波频率的鉴频谱线，在微波稳频环路中产生负反馈电压信号输入到晶体振荡器的压控端，便可实现微波频率稳频，得到原子钟稳定的10MHz频率输出。

所述的物理系统12输出的光检信号如果直接放大用作鉴频信号会出现两个问题，一是信号信噪比低，二是光检信号的强弱只能给出探询信号偏离设定频率的大小而不能直接反映偏离的方向。因此，为了从吸收谱线和EIT谱线中检测出信号的偏离，在CPT原子频标工作环路中需要对供给VCSEL的直流和微波进行调制，并配合相敏检测方法提高信噪比。

图3为相干解调的原理，受到调制的双色光与原子作用后，光检信号携带了调制信号各谐波的鉴频信息。将鉴频信息进行同步解调就得到锁定激光频率的纠偏电流和锁定微波频率的纠偏电压，这就是伺服的相干同步解调理论。以微波锁定环路为例分析，图中所示光电流-微波频率曲线为EIT谱线。对微波进行固定频率的调制，可在光检信号中得到包含该调制频率的信息。根据EIT谱线，对于不同的微波频率，光检信号中包含不同的调制频率信息。如图3所示，光检信号的相位与微波频率和EIT谱线中心频率的关系分为三种情况：

第一：当微波频率低于EIT谱线中心频率时，光检信号与参考信号反相，图中f< f_Rb所示。

第二：当微波频率高于EIT谱线中心频率时，光检信号与参考信号同相，图中f>f_Rb所示。

第三：当微波频率等于EIT谱线中心频率时，光检信号表现为基波的二倍频信号，基波分量最小，如图中f=f_Rb所示。

从以上分析可知，光检信号的相位极性反映微波频率相对于EIT谱线中心频率是高还是低，光检信号的幅度则反映该微波频率处EIT谱线的斜率。

通过对光检信号进行解调，得到EIT谱线的微分曲线，解调结果的符号和大小反映了微波频率出现偏离的大小和方向。根据该微分曲线对频率综合电路9的输入电压进行反馈，达到稳定微波频率的目的。

直流和微波环路调制所需的参考方波由微控制器6给出，两路调制信号保持一定的频率间隔以减小两个环路之间的串扰。直流调制参考方波信号通过分压之后得到调制信号，叠加在电压/电流转换的输出上。微波的调制通过周期性改变锁相环综频的倍数实现，压控晶振输入电压恒定时，压控晶振有固定的频率输出。微制器6以一定的频率交替发送高低两种控制字，使得频率综合电路产生的微波输出包含频率调制。

所述的物理系统12中光电探测器输出的电流信号经过光检放大电路1得到放大后的电压信号输出，该信号中直流分量由光检放大电路1滤除，交流分量中包含了调制信号各谐波的鉴频信息。直流环路和交流环路鉴频信号的频率由微控制器6给出的调制信号控制，具有一定的频率差，通过带通滤波器分离直流环路和交流环路中不同频率的鉴频信号。直流解调单元2和微波解调单元3分别对两路信号进行解调，得到用于直流环路和微波环路的反馈信号，得到的结果由模数转换器转换成数字量，发送给微控制器进行处理。

图4为直流解调单元2、微波解调单元3结构图，所述的直流解调单元2、微波解调单元3的结构完全相同，直流解调单元2、微波解调单元3的部件包括：带通滤波器21，微控制器22，解调器23，低通滤波器24。解调器23包括信号通道25、参考通道26、相位检测器27。其连接关系为：解调器23中的信号通道25与参考通道26两个输入通道与相位检测器27连接。带通滤波器21的输出的鉴频信号接入解调器23中的信号通道25，微控制器6输出用于解调的参考方波输入参考通道26，解调器23的输出与低通滤波器24相连。

解调器23是模拟解调电路的核心部件，既鉴相又鉴幅，其输入取决于信号通道25输入信号的幅度以及输入信号与参考通道26输入参考信号的相位差。常用的解调器有模拟乘法器式和电子开关式，实际上电子开关式相位检测器相当于参考信号为方波情况下的模拟乘法器。解调电路采用了Analog Devices公司生产的AD630平衡调制解调芯片。该芯片具有低功耗，高信噪比的特点。AD630有很多用途，根据外部配置电路的不同，该芯片可以接成平衡调制/解调器、锁相放大器、相位检测器等功能电路形式。

AMP A和AMP B分别配置为正向放大器和反向放大器。信号通道26对调制正弦信号进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相位检测器工作的电平，同时滤除部分干扰和噪声。

参考信号输入到比较放大器，参考信号可以为方波、单频正弦或余弦等形式。待检测信号在器件内部根据载波信号的正负进行翻转，实现了开关乘法功能。

AD630的作用就是得到输入信号和参考信号相乘后的结果，后续的低通滤波电路的作用是累加求和，滤去交流信号，得到直流信号。因此，只要将光检信号与输入信号相连，同步解调方波信号与参考信号相连，就可以得到环路锁定所需的误差信号。

微控制器6是整个控制功能的核心。微控制器6输出一路5kHz方波至电压/电流转换电路10用于直流调制，输出两路位相相差180度的5kHz解调方波至直流解调单元2用于AD630解调；通过控制综频电路9中的锁相环的分频因子，通过跳频的方式（2FSK）给微波加上160Hz的频率调制，同时输出两路位相相差180度的160Hz方波至微波解调单元3用于AD630解调；通过模数转换器（直流环路）4、模数转换器（微波环路）5采集解调后得到的结果并根据此结果计算，控制数模转换器（微波环路）7、数模转换器（直流环路）8的输出，以锁定激光频率和微波频率；

图5是微控制器程序运行框图。系统开机时，微控制器执行初始化操作，输出时钟信号和调制解调方波信号，复位并初始化第一模数转换器4和第二模数转换器5、第一数模转换器7和第二数模转换器8；初始化完毕后，开始执行温控程序，对物理系统12进行控温，保持物理系统12工作在恒定的温度；通过读取热敏电阻的阻值判断温度是否稳定，当温度未达到稳定值时继续等待，当温度达到稳定值时，进入扫描程序，先后对直流和微波进行扫描，找出锁定点，扫描结束后，将直流和微波的输出设为锁定点的值，然后开始反馈。微控制器工作过程中，温度控制从一开机就始终保持工作；温度稳定后，进行直流扫描，然后通过直流反馈锁定激光频率，此后直流反馈始终保持；激光频率锁定后，进行微波扫描，微波频率锁定后，所有的反馈控制始终保持。

Claims

1.一种用于CPT原子钟的相干解调装置，它由光检放大电路(1)、直流解调单元(2)、微波解调单元(3)、第一模数转换器(4)、微控制器(6)、第一数模转换器(7)、电压/电流转换电路(9)、频率综合电路(10)、直流偏置器件(11)、物理系统(12)组成，其特征在于：物理系统(12)的输入输出分别与直流偏置器件(11)、光检放大电路(1)相连，光检放大电路(1)的输出分别与直流解调单元(2)和微波解调单元(3)相连，直流解调单元(2)与微波解调单元(3)的输出分别与第一模数转换器(4)和第二模数转换器(5)相连，第一模数转换器(4)、第二模数转换器(5)输出与微控制器(6)相连，微控制器(6)与第一数模转换器(7)、第二数模转换器(8)相连，第一数模转换器(7)、第二数模转换器(8)分别与电压/电流转换电路(9)、频率综合电路(10)相接，电压/电流转换电路(9)输出端、频率综合电路(10)的微波输出端分别与直流偏置器件(11)的直流和微波输入端相连，直流偏置器件(11)输出与物理系统(12)的VCSEL输入端相连，

微控制器(6)是整个控制功能的核心，微控制器(6)输出一路5kHz方波至电压/电流转换电路(9)用于直流调制，输出两路位相相差180度的5kHz解调方波至直流解调单元(2)用于AD630解调；通过控制频率综合电路(10)中的锁相环的分频因子，通过跳频的方式给微波加160Hz的频率调制，同时输出两路位相相差180度的160Hz方波至微波解调单元(3)用于AD630解调；通过第一模数转换器(4)、第二模数转换器(5)采集解调后得到的结果并根据此结果计算，控制第一数模转换器(7)、第二数模转换器(8)的输出，以锁定激光频率和微波频率。

2.根据权利要求1所述的一种用于CPT原子钟的相干解调装置，其特征在于：所述的直流解调单元(2)包括：带通滤波器(21)、微控制器(22)、解调器(23)、低通滤波器(24)，解调器(23)包括信号通道(25)、参考通道(26)、相位检测器(27)，带通滤波器(21)的输出与解调器(23)的信号通道(25)输入相连，微控制器(6)的输出与解调器(23)参考通道(26)相连，解调器(23)的输出与低通滤波器(24)相连。