CN102122958B - 铷原子频标频率漂移的自动修复装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铷原子频标频率漂移的自动修复装置，包括A/D采样模块，用于采集C场线圈电压并进行模/数转换；频率漂移检测模块，用于计算频率漂移量；控制模块，用于建立频率漂移量和C场线圈的数字电压信号的参照表，并根据实时检测的频率漂移量从参照表中选择C场线圈的数字电压信号作为电压设定值输出；D/A转换模块，将电压设定值进行数/模转换得到模拟式电压设定值；恒流源驱动模块，用于采集C场线圈的电压并将C场线圈的电压值同相放大后与模拟式电压设定值比较得到差值，且根据放大后的差值产生调整电压作用于C场线圈。本发明能自动修复铷原子频标的频率漂移并提高系统的稳定度。本发明还公开了一种铷原子频标频率漂移的自动修复方法。
Description
技术领域
本发明涉及被动型铷原子频标领域，尤其涉及一种铷原子频标频率漂移的自动修复装置及方法。
背景技术
随着现代科技的发展，许多领域都需要更加稳定而精确的时间频率信号，传统的机械定时和晶振定时已经不能满足需要。原子频标具有极高的稳定度和准确度，所以得到了越来越广泛的运用。其中，铷原子频标体积小、重量轻且性能好，因而占有了很大的市场份额。
铷原子频标主要包括压控晶体振荡器、物理系统和电子线路。物理系统具体包括产生抽运光的光谱灯、存储铷原子的集成滤光共振泡、存储微波场的微波腔、产生平行于所述微波腔轴线的静磁场的C场线圈（即均匀磁场线圈）、检测光信号的光电池、将微波耦合进所述微波腔的耦合环以及防止静磁场穿透的磁屏。电子线路具体包括射频倍频模块和综合伺服模块。综合伺服模块包括用于产生频率合成指令、键控调频信号、同步鉴相参考信号的微处理器、用于根据微处理器产生的频率合成指令产生综合调制信号的数字频率合成器以及用于对物理系统产生的量子鉴频信号进行同步鉴相并产生作用于压控晶体振荡器的电压控制信号的同步鉴相模块。射频倍频模块包括用于将压控晶体振荡器的输出频率进行倍频的射频倍频单元和用于将经过所述射频倍频单元倍频后的压控晶体振荡器的输出频率和数字频率合成器产生的综合调制信号进行倍频和混频的微波倍、混频单元。
通常，铷原子频标经过长时间的连续工作后，铷原子频标的输出频率会随着时间的推移而缓慢的变化。为了解决上述问题，目前常用的方法是通过改变光谱灯的温度或者微波腔的温度来调整铷原子频标的输出频率，从而修正频率的漂移。然而，一方面，由于光谱灯的温度或者微波腔的温度与铷原子频标的短期稳定度有很大关系，因而改变光谱灯的温度或者微波腔的温度会严重影响铷原子频标的短期稳定度。另一方面，由于现有的修正频率漂移的方法不能对铷原子频标进行自动的修正，因而铷原子频标经过长期工作后仍然会有频率漂移现象。再一方面，对于不同的铷原子频标，其物理系统和电子线路结构不同，现有修正频率漂移的方法不能用于修正不同结构的铷原子频标，因而使得现有修正频率漂移的方法具有很大局限性。
因此，有必要提供一种铷原子频标频率漂移的自动修复装置来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种铷原子频标频率漂移的自动修复方法及装置，能对物理系统的中心频率进行微调，从而修复铷原子频标的频率漂移，进而提高铷原子频标输出频率的稳定度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种铷原子频标频率漂移的自动修复装置，包括：A/D采样模块，用于采集物理系统中C场线圈的电压信号并将采集的C场线圈的电压信号转换为数字电压信号；频率漂移检测模块，用于将经过隔离放大后的压控晶体振荡器的输出频率信号与高稳时钟信号比较得到频差，并将所述频差与原始频差比较得到频率漂移量；控制模块，用于根据所述频率漂移检测模块发送的频率漂移量和所述A/D采样模块发送的C场线圈的数字电压信号建立频率漂移量和C场线圈的数字电压的参照表，并根据所述频率漂移检测模块发送的实时检测的频率漂移量从所述参照表中选择相应的C场线圈的数字电压信号作为电压设定值输出；D/A转换模块，用于将所述控制模块发送的数字式电压设定值转换为模拟式电压设定值；以及恒流源驱动模块，用于实时采集C场线圈的电压，并将实时采集的C场线圈的电压值进行同相放大后与所述D/A转换模块发送的模拟式电压设定值进行比较得到差值，且根据放大后的所述差值产生调整电压，作用于所述C场线圈，其中，所述恒流源驱动模块包括：采样电阻、采样放大器、滑动变阻器、差分放大器以及电压调整器，所述采样电阻与所述C场线圈串联且通过所述A/D采样模块与所述控制模块相连，所述采样放大器的两输入端与所述采样电阻的两端相连，所述采样放大器的输出端与所述差分放大器的负输入端相连，所述差分放大器的正输入端与所述控制模块相连，所述差分放大器的输出端与所述电压调整器的调整端相连，所述电压调整器的输入端与电源连接，所述电压调整器的输出端与所述C场线圈相连，所述滑动变阻器串联在所述采样放大器的输出端和负输入端之间，所述滑动变阻器的滑片与所述采样放大器的输出端连接。
较佳地，所述频率漂移检测模块为频率漂移和稳定度测试仪。
较佳地，所述恒流源驱动模块还包括：二极管，所述二极管与所述C场线圈并联且所述二极管的负极与所述电压调整器的输出端相连。该二极管用于防止引线较长使线路中出现反向感应电压而损坏电路。
较佳地，所述采样电阻为锰铜电阻。锰铜电阻的功率大，可以减小对整个恒流源驱动模块的影响，并避免被烧坏。
相应地，本发明还提供一种铷原子频标频率漂移的自动修复方法，包括：（1）将经过隔离放大后的压控晶体振荡器的输出频率信号与高稳时钟信号比较得到频差，并将所述频差和原始频差进行比较得到频率漂移量，且同时采集C场线圈的电压信号并将采集的C场线圈的电压信号转换为数字电压信号；（2）建立压控晶体振荡器的频率漂移量和C场线圈的数字电压信号的参照表；（3）根据实时检测的频率漂移量从所述参照表中选择相应的C场线圈的数字电压信号作为电压设定值输出；（4）将数字式电压设定值转换为模拟式电压设定值；（5）将实时采集的C场线圈的电压值进行同相放大；（6）计算经过同相放大后的C场线圈的电压值与模拟式电压设定值的差值并放大所述差值；（7）根据放大后的所述差值产生调整电压，作用于C场线圈。
与现有技术相比，一方面，由于C场线圈电流大小的改变对鉴频斜率及线宽的影响小即对铷原子频标的稳定度影响小，因而本发明铷原子频标频率漂移的自动修复装置能在保证铷原子频标的稳定度的前提下，微调物理系统的频率输出，从而实现修正铷原子频标的频率漂移。另一方面，由于控制模块输出的电压设定值是根据实时检测的压控晶体振荡器的输出频率来选择的，因而本发明的修复装置可根据压控晶体振荡器的输出频率自动调整C场线圈电流的大小，从而实现自动修复频率漂移。再一方面，由于本发明铷原子频标频率漂移的自动修复装置不受具体的铷原子频标结构的限制，因而具有通用性。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为本发明铷原子频标频率漂移的自动修复装置与物理系统连接的结构框图。
图2为恒流源驱动模块的电路图。
图3为本发明铷原子频标频率漂移的自动修复方法的流程图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
参考图1-2，本发明铷原子频标频率漂移的自动修复装置包括：A/D采样模块10、频率漂移检测模块11、控制模块12、D/A转换模块13和恒流源驱动模块14。
所述A/D采样模块10用于采集物理系统20中C场线圈J1的电压信号并将采集的C场线圈J1的电压信号转换为数字电压信号。所述频率漂移检测模块11用于将经过隔离放大后的压控晶体振荡器（未图示）的输出频率信号f与外部提供的高稳时钟信号f0比较得到频差Δf1，并将所述频差Δf1与内部存储的原始频差Δf0比较得到频率漂移量Δf。具体地，所述频率漂移检测模块11为频率漂移和稳定度测试仪。所述控制模块12用于根据所述频率漂移检测模块11发送的所述频率漂移量Δf和所述A/D采样模块10发送的所述C场线圈J1的数字电压信号建立频率漂移量和C场线圈J1的数字电压信号的参照表，并根据所述频率漂移检测模块11发送的实时检测的频率漂移量从所述参照表中选择相应的C场线圈J1的数字电压信号作为电压设定值输出。所述D/A转换模块13用于将所述控制模块12发送的数字式所述电压设定值转换为模拟式电压设定值。所述恒流源驱动模块14用于实时采集C场线圈的电压，并将实时采集的C场线圈J1的电压值进行同相放大后与所述D/A转换模块13发送的模拟式电压设定值进行比较得到差值，且根据放大后的所述差值产生调整电压，作用于所述C场线圈J1。具体地，原始频差Δf0为压控晶体振荡器的初始输出频率信号与外部提供的高稳时钟信号f0比较得到后得到的差值。
其中，所述恒流源驱动模块14包括：采样电阻R5、采样放大器U2、差分放大器U3以及电压调整器U1。所述采样电阻R5与所述C场线圈J1串联且通过所述A/D采样模块10与所述控制模块12相连。所述采样放大器U2的两输入端与所述采样电阻R5的两端相连，所述采样放大器U2的输出端与所述差分放大器U3的负输入端相连。所述差分放大器U3的正输入端与所述控制模块12相连，所述差分放大器U3的输出端与所述电压调整器U1的调整端ADJ相连。所述电压调整器U1的输入端与电源Vcc连接，所述电压调整器U1的输出端与所述C场线圈J1相连。
具体的，所述电压调整器U1优选为LM350，所述采样电阻R5优选为大功率锰铜电阻，所述采样放大器U2优选为超低噪声运放AD797，以减小噪声的影响。所述差分放大器U3优选为高精度运放OP707，以提供高精度的比较结果。
进一步地，所述采样放大器U2的输出端与负输入端之间串联有滑动变阻器R11，所述滑动变阻器R11的滑片与所述采样放大器U2的输出端连接。该滑动变阻器R11用于调整所述差分放大器U3负输入端的电压幅值。
更进一步地，所述C场线圈J1两端并联有二极管D4，且所述二极管D4的负极与电压调整器U1的输出端相连，该二极管D4可以使反向感应电压经过D4构成闭合回路，从而防止引线较长使线路中出现反向感应电压而损坏电路。
可理解地，恒流源驱动模块14工作时，通过采样电阻R5采集C场线圈J1两端的电压并将采样电压经过采样放大器U2同相放大后，输出至差分放大器U3的负输入端，差分放大器U3把负输入端的采样电压与正输入端的控制模块12输出的模拟设定电压值进行放大，输出到电压调整器U1的调整端，形成闭环反馈。控制模块12输出的设定值决定了负载电流的大小。当控制模块12输出的设定值变大，那么反馈到电压调整器U1调整端ADJ的电压变大，电压调整器U1的输出电压升高，C场线圈J1电流增加，采样放大器U2的输出端电压增加，差分放大器U3的负输入端电压升高，直到差分放大器U3的正负输入端的电压相等，系统实现动态稳定。而当控制模块12输出的设定值不变而有某种情况使得C场线圈J1电流增加时，采样电阻R5两端的电压增加，采样放大器U2输出电压随之变大，而差分放大器U3输出电压减小，电压调整器U1输出电压变小，从而使负载J1电流减小，进而维持了负载J1电流的动态稳定，反之亦然。
图3为本发明铷原子频标频率漂移的自动修复方法的流程图。本发明铷原子频标频率漂移的自动修复方法包括：
步骤S1，将经过隔离放大后的压控晶体振荡器的输出频率信号与高稳时钟信号比较得到频差，并将所述频差和原始频差进行比较得到频率漂移量，且同时采集C场线圈的电压信号并将采集的C场线圈的电压信号转换为数字电压信号；
步骤S2，根据所述频率漂移量和所述C场线圈的电压建立频率漂移量和C场线圈的数字电压信号的参照表；
步骤S3，根据实时检测的频率漂移量从所述参照表中选择相应的C场线圈的数字电压信号作为电压设定值输出；
步骤S4，将数字式电压设定值转换为模拟式电压设定值；
步骤S5，将实时采集的C场线圈的电压值进行同相放大；
步骤S6，计算经过同相放大后的C场线圈的电压值与模拟式电压设定值的差值并放大所述差值；
步骤S7，根据放大后的所述差值产生调整电压，作用于所述C场线圈。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
Claims (5)
1.一种铷原子频标频率漂移的自动修复装置，包括：
A/D采样模块，用于采集物理系统中C场线圈的电压信号并将采集的C场线圈的电压信号转换为数字电压信号；
频率漂移检测模块，用于将经过隔离放大后的压控晶体振荡器的输出频率信号与高稳时钟信号比较得到频差，并将所述频差与原始频差比较得到频率漂移量；
其特征在于，还包括：
控制模块，用于根据所述频率漂移检测模块发送的频率漂移量和所述A/D采样模块发送的C场线圈的数字电压信号建立频率漂移量和C场线圈的数字电压信号的参照表，并根据所述频率漂移检测模块发送的实时检测的频率漂移量从所述参照表中选择相应的C场线圈的数字电压信号作为电压设定值输出；
D/A转换模块，用于将所述控制模块发送的数字式电压设定值转换为模拟式电压设定值；以及
恒流源驱动模块，用于实时采集C场线圈的电压，并将实时采集的C场线圈的电压值进行同相放大后与所述D/A转换模块发送的模拟式电压设定值进行比较得到差值，且根据放大后的所述差值产生调整电压，作用于所述C场线圈；
其中，所述恒流源驱动模块包括：采样电阻、采样放大器、滑动变阻器、差分放大器以及电压调整器，所述采样电阻与所述C场线圈串联且通过所述A/D采样模块与所述控制模块相连，所述采样放大器的两输入端与所述采样电阻的两端相连，所述采样放大器的输出端与所述差分放大器的负输入端相连，所述差分放大器的正输入端与所述控制模块相连，所述差分放大器的输出端与所述电压调整器的调整端相连，所述电压调整器的输入端与电源连接，所述电压调整器的输出端与所述C场线圈相连，所述滑动变阻器串联在所述采样放大器的输出端和负输入端之间，所述滑动变阻器的滑片与所述采样放大器的输出端连接。
2.如权利要求1所述的铷原子频标频率漂移的自动修复装置，其特征在于，所述频率漂移检测模块为频率漂移和稳定度测试仪。
3.如权利要求2所述的铷原子频标频率漂移的自动修复装置，其特征在于，所述恒流源驱动模块还包括：二极管，所述二极管与所述C场线圈并联且所述二极管的负极与所述电压调整器的输出端相连。
4.如权利要求1-3中任一项所述的铷原子频标频率漂移的自动修复装置，其特征在于，所述采样电阻为锰铜电阻。
5.一种铷原子频标频率漂移的自动修复方法，包括：
（1）将经过隔离放大后的压控晶体振荡器的输出频率信号与高稳时钟信号比较得到频差，并将所述频差和原始频差进行比较得到频率漂移量，且同时采集C场线圈的电压信号并将采集的C场线圈的电压信号转换为数字电压信号；
（2）建立压控晶体振荡器的频率漂移量和C场线圈的数字电压信号的参照表；
（3）根据实时检测的频率漂移量从所述参照表中选择相应的C场线圈的数字电压信号作为电压设定值输出；
（4）将数字式电压设定值转换为模拟式电压设定值；
（5）将实时采集的C场线圈的电压值进行同相放大；
（6）计算经过同相放大后的C场线圈的电压值与模拟式电压设定值的差值并放大所述差值；
（7）根据放大后的所述差值产生调整电压，作用于C场线圈。
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