CN102075187A - Cpt原子钟伺服电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种CPT原子钟伺服电路，包括微控制器，微控制器的信号输入端与原子钟物理单元的光电探测器相连，微控制器的信号输出端依次通过频率信号输出电路、频率变换级电路与原子钟物理单元的激光器相连，微机控制器的信号输出端通过恒定电流源电路与原子钟物理单元的激光器相连，微控制器的信号输入输出端分别与温控电路、磁场监测电路相连。本发明以微控制器作为控制核心，负责监控温度和磁场、数字器件的控制、相敏检波、产生方波调制信号、调控恒流源电流，实现对激光频率和微波频率的自动扫描和锁定控制。本发明实现了小体积数字化和就近控制，简化了电路的实现，减少了信号受到干扰的可能性，成本低、稳定度高、功耗小。

Description

CPT原子钟伺服电路
 
技术领域
本发明涉及一种CPT原子钟伺服电路。
 
背景技术
对原子钟的研究主要集中在两个方面：一方面是探索研制准确度和稳定度更高的原子钟，近年来，已经成功研制了许多不同种类的具备更高的准确度和稳定性的新型原子钟，例如冷原子喷泉钟，离子阱钟，光钟等；另一方面是积极的寻找实现高精度的小型工程原子钟的途径，以满足各种工程技术的发展需要，例如研制小型星载原子钟、利用相干布居囚禁原理研制可微型化的相干布居囚禁原子钟。
相干布居囚禁（CPT，Coherent Population Trapping）是原子与相干光相互作用所产生的一种量子干涉现象，利用激光良好的相干特性，在原子体系中制备相干布居囚禁态，而实现的可芯片化被动式新型CPT原子钟是当前原子钟领域和导航领域的前沿技术。其优势是：一方面，不需要微波腔，可以明显减小体积；另一方面，采用受微波频率调制的激光器制备相干双色光，可以减小光频移。尽管CPT原子钟从1998年提出至今时间并不久，但其发展迅速，已显示出优越的性能，而且还有较大的改进空间。
在实际中，一般的CPT桌面实验系统只追求调测的方便，并没有考虑体积和功耗问题，而微型乃至芯片级CPT原子钟确实很注重体积和功耗的减小，却不方便调测。到目前为止所实现CPT原子钟的指标都不是很高，主要表现在温漂现象比较严重，温控导致功率消耗较大，原子频标输出信号的稳定度都偏低。     
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、稳定度高、功耗小的CPT原子钟伺服电路。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种CPT原子钟伺服电路，包括微控制器，微控制器的信号输入端与原子钟物理单元的光电探测器相连，微控制器的信号输出端依次通过频率信号输出电路、频率变换级电路与原子钟物理单元的激光器相连，微机控制器的信号输出端通过恒定电流源电路与原子钟物理单元的激光器相连，微控制器的信号输入输出端分别与温控电路、磁场监测电路相连。
由上述技术方案可知，本发明以微控制器作为控制核心，负责监控温度和磁场、数字器件的控制、相敏检波、产生方波调制信号、调控恒流源电流，实现对激光频率和微波频率的自动扫描和锁定控制。本发明实现了小体积数字化和就近控制，简化了电路的实现，减少了信号受到干扰的可能性，成本低、稳定度高、功耗小。
 
附图说明
图1是本发明的电路框图。
 
具体实施方式
一种CPT原子钟伺服电路，包括微控制器1，微控制器1的信号输入端与原子钟物理单元的光电探测器2相连，微控制器1的信号输出端依次通过频率信号输出电路、频率变换级电路与原子钟物理单元的激光器3相连，微控制器1的信号输出端通过恒定电流源电路与原子钟物理单元的激光器3相连，微控制器1的信号输入输出端分别与温控电路、磁场监测电路相连，如图1所示。所述的频率信号输出电路采用压控温度补偿晶振4，所述的频率变换级电路采用直接数字式频率合成器和锁相环5，所述的恒定电流源电路采用恒流源控制器6。
原子钟物理单元是从激光器3发射光信号，光电探测器2接收光信号；原子钟伺服电路包括了两个锁定环路：激光稳频环路和微波锁频环路，第一个环路的作用是将激光器3的波长锁定在原子D1线光跃迁谱线上，以保证CPT的稳定激励，在这个环路锁定之后，激光光谱的其中两个边带将分别对准两个基态超精细能级与激发态之间的光跃迁；第二个环路的作用是将微波调制频率锁定在CPT共振频率上，以给出高性能的频率输出信号。
如图1所示，所述的光电探测器2与第一放大器7的输入端相连，第一放大器7的输出端分别与第一、二带通滤波器相连，所述的微控制器1由A/D转换器、相敏检测单元、方波调制单元和D/A转换器组成，第一、二带通滤波器分别与A/D转换器的输入端相连，A/D转换器的输出端与相敏检测单元的输入端相连，相敏检测单元的输出端与D/A转换器的输入端相连，方波调制单元的输出端分别与频率变换级电路、相敏检测单元和恒定电流源电路相连，D/A转换器的输出端通过低通滤波器分别与第二、三放大器8、9的输入端相连。
为了减少工作量、降低成本和获得最佳解调效果，采用正交解调的方法进行相敏检测；先将两路模拟信号经过A/D转换器采样，得到的数字信号与数字本振信号分别相乘，再经过两路低通滤波器分别得到同相和正交基带信号，再分别进行平方后相加，再进行开方运算，最后再加上确定的符号位给出最终解调结果。
如图1所示，所述的温控电路包括热敏电阻10和帕尔贴11，热敏电阻10设置在激光器3、铷泡16的旁侧，帕尔贴11紧贴原子钟物理单元的外表面，原子钟物理单元的外部填充隔热材料，热敏电阻10与微控制器1的信号输入端相连，微控制器1的信号输出端与帕尔贴11相连。所述的磁场监测电路包括磁阻传感器13，轴向磁场线圈12缠绕在铷泡16上，磁阻传感器13与微控制器1的信号输入端相连，微控制器1的信号输出端与轴向磁场线圈12相连。
由于原子钟需要工作在恒定弱磁场的环境中，采用高精度的A/D转换器量化控制轴向磁场线圈12上电流值以达到改变恒定弱磁场的目的，采用小型、低成本、高灵敏度的磁阻传感器13进行磁场监测，以满足系统对弱磁场大小的要求。由于激光器3和铷泡16需要控温，采用负温度系数的热敏电阻10进行温度传感，帕尔贴11对激光器3和铷泡16进行精密温度控制；两片帕尔贴11分别紧贴原子钟物理单元的外表面，原子钟物理单元的外部填充隔热材料。
如图1所示，所述第二放大器8的输出端与压控温度补偿晶振4相连，压控温度补偿晶振4与直接数字式频率合成器和锁相环5相连，直接数字式频率合成器和锁相环5与可编程数字功率衰减器14相连，可编程数字功率衰减器14与阻抗匹配电路相连，阻抗匹配电路与偏置器15相连，偏置器15与激光器3相连。所述的第三放大器9的输出端与恒流源控制器6相连，恒流源控制器6与偏置器15相连，偏置器15与激光器3相连。
采用直接数字式频率合成器（DDS）和锁相环（PLL）相结合的技术方案提供原子钟所需微波信号；采用相位噪声、谐杂抑制都很好的压控温度补偿晶振4提供频率变换级电路所需的参考源；出于实用化的考虑，然后经过滤波和输出缓冲得到最终的高性能频率标准信号。采用可编程数字功率衰减器14实现任意脉冲形式的微波信号，可以得到更加优越的鉴频曲线，简化了原子钟结构，减小了光频移，优化并改善了原子钟的性能，最终提高其频率稳定度。原子钟物理单元可看作频率基准，而伺服电路单元则可看作频率的产生与频率的修正，用以产生稳定的频率输出信号。
通过微控制器1控制高精度的A/D转换器，改变激光器3工作电流的直流部分实现激光频率扫描，激光器3输出受到微波频率调制的多色光，与自然铷原子作用后获得吸收谱。为了将激光频率锁定在最大吸收峰的极小值点，激光器3供电电流的直流部分还叠加了一个低频小幅度调制。光电探测器2输出的光检测信号先经过第一放大器7使信号幅度达到合适范围，再经过第一、二带通滤波器取出需要的基波信号，再由A/D转换器采集送入微控制器1进行同步相敏解调，从而获得吸收谱的微分曲线，作为锁定激光频率的纠偏曲线，最终使整个系统闭环锁定。用基本相同的方法通过控制压控温度补偿晶振4的压控电压实现微波环路的频率锁定。

Claims (7)

1.一种CPT原子钟伺服电路，其特征在于：包括微控制器（1），微控制器（1）的信号输入端与原子钟物理单元的光电探测器（2）相连，微控制器（1）的信号输出端依次通过频率信号输出电路、频率变换级电路与原子钟物理单元的激光器（3）相连，微控制器（1）的信号输出端通过恒定电流源电路与原子钟物理单元的激光器（3）相连，微控制器（1）的信号输入输出端分别与温控电路、磁场监测电路相连。
2.根据权利要求1所述的CPT原子钟伺服电路，其特征在于：所述的频率信号输出电路采用压控温度补偿晶振（4），所述的频率变换级电路采用直接数字式频率合成器和锁相环（5），所述的恒定电流源电路采用恒流源控制器（6）。
3.根据权利要求1所述的CPT原子钟伺服电路，其特征在于：所述的光电探测器（2）与第一放大器（7）的输入端相连，第一放大器（7）的输出端分别与第一、二带通滤波器相连，所述的微控制器（1）由A/D转换器、相敏检测单元、方波调制单元和D/A转换器组成，第一、二带通滤波器分别与A/D转换器的输入端相连，A/D转换器的输出端与相敏检测单元的输入端相连，相敏检测单元的输出端与D/A转换器的输入端相连，方波调制单元的输出端分别与频率变换级电路、相敏检测单元和恒定电流源电路相连，D/A转换器的输出端通过低通滤波器分别与第二、三放大器（8、9）的输入端相连。
4.根据权利要求1所述的CPT原子钟伺服电路，其特征在于：所述的温控电路包括热敏电阻（10）和帕尔贴（11），热敏电阻（10）设置在激光器（3）、铷泡（16）的旁侧，帕尔贴(11)紧贴原子钟物理单元的外表面，原子钟物理单元的外部填充隔热材料，热敏电阻（10）与微控制器（1）的信号输入端相连，微控制器（1）的信号输出端与帕尔贴（11）相连。
5.根据权利要求1所述的CPT原子钟伺服电路，其特征在于：所述的磁场监测电路包括磁阻传感器（13），轴向磁场线圈（12）缠绕在铷泡（16）上，磁阻传感器（13）与微控制器（1）的信号输入端相连，微控制器（1）的信号输出端与轴向磁场线圈（12）相连。
6.根据权利要求2或3所述的CPT原子钟伺服电路，其特征在于：所述第二放大器（8）的输出端与压控温度补偿晶振（4）相连，压控温度补偿晶振（4）与直接数字式频率合成器和锁相环（5）相连，直接数字式频率合成器和锁相环（5）与可编程数字功率衰减器（14）相连，可编程数字功率衰减器（14）与阻抗匹配电路相连，阻抗匹配电路与偏置器（15）相连，偏置器（15）与激光器（3）相连。
7.根据权利要求2或3所述的CPT原子钟伺服电路，其特征在于：所述的第三放大器（9）的输出端与恒流源控制器（6）相连，恒流源控制器（6）与偏置器（15）相连，偏置器（15）与激光器（3）相连。
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