CN102270986A - 优化的被动型铷原子频标伺服控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，其采用谐振频率为非整数
Figure DEST_PATH_IMAGE002
MHz和具有自倍频功能的非整数压控晶体振荡器，该非整数压控晶体振荡器输出的2倍频信号，经调频、再
Figure DEST_PATH_IMAGE004
倍频及腔内微波倍频后激励物理系统的
Figure DEST_PATH_IMAGE006
原子基态0-0跃迁，并用此跃迁频率对微波激励信号鉴频，经光电池转换为误差电信号，通过122Hz同步鉴相和低通滤波器获得纠偏电压，控制非整数压控晶体振荡器至锁定状态，实现铷原子超精细跃迁频率稳定度转移，通过由CPLD设计的双直接数字频率合成器获得精确稳定的实用铷原子频率标准信号输出。本发明具有结构简单，调试方便，电路结构简化等优点，有利于提高铷原子频标的集成度和小型化，具有很好的应用前景。

Description

优化的被动型铷原子频标伺服控制电路
技术领域
本发明涉及原子频标技术领域，特别是一种通过改进和优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，该电路适用于制作小型化铷原子频标。
背景技术
铷原子频率标准具有体积功耗小、环境适应性强、频率稳定度和漂移率等电性能指标高的优点。与铯、氢原子频标相比，它具有结构简单，成本低廉的特点，仍然是目前应用最广泛的原子频标。在航天、通信、导航、时间频率计量等领域应用广泛。其发展趋势是高性能和小型化。它可以粗略地分为物理系统和电路系统两部分。
铷原子频标中，物理系统是整个原子频标的核心部件，它提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线。由超精细能级跃迁频率所决定的频率信号具有极高的频率精度，但其输出为微波非整数频率，且输出功率极小，因而不具备实用性。
传统的伺服电路系统由调制器、射频与微波倍频器、频率综合器、伺服放大和同步检测器组成。常用的倍频电路是把（VCXO）10MHz输出频率变换到90MHz，随后与频率综合器产生的5.3125MHz小数频率信号迭加送入到物理系统的微波腔进行76次阶跃倍频，同时也与小数频率综合器混频，从而得到由铷原子跃迁所决定的微波频率信号：
Figure 2011100824991100002DEST_PATH_IMAGE002
。
将90MHz与5.3125MHz两个信号同时输入到铷原子频标内物理系统的微波腔进行阶跃倍频，实际上也采用了整数频率与小数频率在微波腔中混频的方式，需设计一个频率综合器来产生5.3125MHz的小数频率信号，使电路的复杂程度增加。同时微波腔内存在5.3125MHz及其谐波间隔的旁频分量，使杂散增加，并降低了原子频标的性能指标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，在不采用频率综合器的情况下，实现原子频率标准的稳定度转移，将不便于实用的铷原子微波频率信号变换成标准的较低整数频率或其它频率及功率实用的高稳频标信号输出。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，其结构是：所述伺服控制电路采用谐振频率为非整数
Figure 2011100824991100002DEST_PATH_IMAGE004
MHz和具有自倍频功能的压控晶体振荡器，该非整数压控晶体振荡器输出的2倍频信号经调频、再
Figure 2011100824991100002DEST_PATH_IMAGE006
倍频及腔内微波倍频后激励物理系统的原子基态0-0跃迁，并用此跃迁频率对微波激励信号鉴频，经光电池转换为误差电信号，通过122Hz同步鉴相和低通滤波器获得纠偏电压，控制非整数压控晶体振荡器至锁定状态，实现铷原子超精细跃迁频率稳定度转移，通过由CPLD设计的双直接数字频率合成器获得精确稳定的实用铷原子频率标准信号输出。
所述伺服控制电路由非整数压控晶体振荡器、射频倍频电路、分频电路、调相电路、误差信号前置放大电路、同步鉴相电路、双路直接数字频率合成器组成，其中：非整数压控晶体振荡器的输出经分频器产生122Hz的信号，该信号经积分器积分后对
Figure 2011100824991100002DEST_PATH_IMAGE010
倍频器输出的39.968932MHz频率信号进行调相；再经
Figure 36596DEST_PATH_IMAGE006
倍频器得到119.906796MHz的频率信号，再经
Figure DEST_PATH_IMAGE012
微波倍频至6.8346875GHz，然后与铷原子受激跃迁产生的高稳6.8346875GHz的微波信号鉴频；再由光电池转换为误差电信号，通过122Hz同步鉴相和低通滤波器获得纠偏电压，控制非整数压控晶体振荡器至锁定状态。
所述非整数压控晶体振荡器可以经选频网络能同时输出2倍频和五倍频信号，其中2倍频信号提供给调频电路，五倍频信号经放大与整形作为双直接数字频率合成器电路的时钟源。
所述对来自非整数压控晶体振荡器倍频链的微波激励信号可由物理系统作鉴频处理，去锁定非整数压控晶体振荡器，无需频率综合器进行频率调整。
所述非整数压控晶体振荡器可采用温控晶体管自身的发热为非整数压控晶体振荡器直接加热，使非整数压控晶体振荡器的温度控制在晶体的温度拐点。
所述19.984466MHz谐振频率信号经分频器分频后输出122Hz信号，积分后可对非整数压控晶体振荡器输出的2倍频信号进行调频，再经
Figure 369488DEST_PATH_IMAGE006
倍频及腔内微波倍频后，通过自动增益控制放大器经由匹配网络送至微波阶跃二极管倍频电路，并由匹配网络的偏压值控制放大器的增益；自动调节送至微波阶跃二极管的功率，以利于微波功率稳定。
所述分频器分频系数163840，由CPLD设计。
所述CPLD设计的双直接数字频率合成器，可由频率控制字寄存器、相位累加器、正弦波形查询表、数模转换器组成。
所述双直接数字频率合成器将非整数压控石英晶体振荡器输出的频率变換为两路输出，一路为固定的10MHz频率，其输出经窄带滤波处理消除带外噪声和杂散；另一路通过上位机设置，获取1Hz~16MHz范围的任意适用输出频率。
本发明提供的上述优化的被动型铷原子频标控制电路，其用途是：该被动型铷原子频标控制电路用于制作小型化铷原子频标。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案，与传统铷原子频标伺服控制电路相比具有以下主要的优点：
1.具有精确且连读可调的频率分辨率，因为采用非整数压控晶体振荡器，纠偏电压直接压控非整数晶体振荡器，可获得连续可变的尾数频率输出信号。经倍频器链倍频后，理论上输出频率的分辨率可无限窄。
2.铷原子频标微波腔的信号的频谱纯度高。因为无需传统的的混频电路，经射频倍频器倍频后，输入到阶跃二极管微波腔的信号为119.906796MHz的单一频率，而无较低频率的频率综合器分量。有效减小了相位噪声和杂散分量，也降低了对原子频标微波腔Q值的要求。
3. 微波倍频效率高且动态性能好。阶跃二极管倍频器的倍频次数降至57倍，故倍频效率高。也减低了对环路低通滤波器的要求，并能有效的降低杂散分量对频标的影响。
4.非整数压控石英晶体振荡器采用了具有倍频功能的晶体振荡器电路，优化了倍频电路结构，能同时输出2倍频和五倍频信号，分别提供给调频电路和双直接数字频率合成器电路。
5.采用温控晶体管本身的发热为晶体振荡器直接加热，将晶体振荡器的温度控制在晶体的温度拐点，具有最好的温度频率特性。
6. 自动增益控制功能的微波倍频器，并由匹配网络的偏压值控制放大器的增益，自动调节送至微波阶跃二极管的功率，有利于微波功率稳定。
7.硬件电路精简，且易于铷原子频标的小型化。因为所有数字电路均选用用可编程器件设计，采用了具有自倍频功能的晶体振荡器电路。本伺服控制电路又省去了控制环路中的频率综合器及频率综合器与倍频器的相加混频单元，既有利于减小系统相位噪声与杂散的影响，又优化和精简了硬件电路结构。
8. 铷原子频标适用的输出频率获取方便，因为采用由复杂可编程器件CPLD设计的双DDS技术，两路输出中一路为固定的10MHz频率。另一路DDS的输出频率，可在频率范围内，通过上位机设置获取适用的输出频率。
总之，本发明能实现原子频率标准的稳定度转移，将不便于实用的铷原子频率信号变换成标准的整数频率或其它适用频率与功率实用的高稳频标信号输出，具有系统结构优化，电路结构简单，体积小，功耗低及调试方便等优点，有利于提高铷原子频标的集成度和小型化，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是一种优化的被动型铷原子频标控制电路简化框图。
图2是物理系统的等效及伺服控制电路的组成原理框图。
图3是具有自倍频功能的温控非整数晶体振荡器电路的组成原理框图。
图4是双直接数字频率合成器结构图。
具体实施方式
本发明公开了一种优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，其采用的非整数压控晶体振荡器的谐振频率为
Figure 183860DEST_PATH_IMAGE004
MHz，因为该振荡器的压控范围为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Hz，故从物理系统获取的纠偏信息所得到的误差信号去伺服非整数压控晶振，能有效补偿因各种因素系统所产生的总频率偏移，实现整机的闭环锁定。省除了控制环路中的频率综合器及倍频器与频率综合器的相加混频单元，杜绝了频率综合器相位噪声与杂散的影响。非整数压控石英晶体振荡器采用了具有倍频功能的晶体振荡器电路，改进和简化了倍频电路的结构。采用具有自动增益控制功能的微波倍频器，自动调节送至微波阶跃二极管的功率，有利于微波功率稳定。本发明提供了一种优化的铷原子频标伺服控制电路。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述或是图示的结构和实施细节。 
本发明公开了一种优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，其结构如图1和图2所示。因物理系统可等效为一鉴频器，如图2中虚框所示，所述伺服控制电路中的非整数压控晶体振荡器的
Figure 944006DEST_PATH_IMAGE004
MHz输出信号经倍频电路、间接调频、腔内微波倍频后得到己调制的6.8346875GHz的微波信号，该信号激励物理系统的
Figure 211039DEST_PATH_IMAGE008
原子基态跃迁，并用此跃迁频率对非整数压控晶体振荡器倍频后的微波激励信号鉴频，若微波激励信号频率大于谱线中心频率，经基波鉴相后产生负的纠偏电压，使压控振荡器的频率降低；反之若激励信号频率小于谱线中心频率，经基波鉴相后产生正的纠偏电压，使压控振荡器的频率上升；若激励信号频率等于谱线中心频率，则输出信号的频率为调制频率的两倍，经基波鉴相后不产生纠偏电压，非整数压控晶体振荡器的频率不变，由此实现对非整数压控晶体振荡器的锁定，再通过DDS输出精确稳定的铷原子频标信号。
因为压控晶体振荡器的压控范围可设计为Hz，倍频系数为
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，故物理系统微波腔中获取的微波频率范围为： 
低端频率
Figure DEST_PATH_IMAGE020
。
髙端频率
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。
因此纠偏电压完全能使微波信号的频率处于原子吸收线宽的范围之内，能实现整机的可靠闭环锁定。
本发明提供的一种优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，具体结构如图2所示：主要由非整数压控晶体振荡器及恒温控制、122Hz同步鉴相电路、分频器、积分器、调相器、
Figure 452719DEST_PATH_IMAGE006
倍频器、双DDS、窄带滤波、低通滤波、控制器组成。
各部件之间的连接关系为：作为铷原子频标系统的初始信号源的非整数压控晶体振荡器，受恒温控制电路的控制以减小环境温度变化的影响。非整数压控晶体振荡器的输出经分频器产生122Hz和244Hz的方波信号，其中122Hz的信号经积分器后对
Figure 383766DEST_PATH_IMAGE010
倍频器输出的39.968932MHz频率信号进行调相，实际上是间接调频。调制后的信号经
Figure 138096DEST_PATH_IMAGE006
倍频器得到119.906796MHz的射频信号，再微波倍频至6.8346875GHz，它由原子受激跃迁产生的高稳6.8346875GHz的微波信号鉴频。鉴频光误差信号由光电池转换为误差电信号，经误差信号前置放大器放大后，再由122Hz同步鉴相器、低通滤波器获得纠偏电压，控制非整数压控晶体振荡器至锁定状态，并由244Hz的方波信号控制锁定指示电路给出锁定信号。
如图3中所示，所述谐振频率为19.984466MHz的非整数压控晶体振荡器，采用了具有自倍频功能的晶体振荡器电路，能同时输出2倍频和五倍频信号，图3中虚框3给出了间接频率调制器的结构原理，非整数压控晶体振荡器的二次谐波经选频回路选频后得到39.968932MHz的二倍频信号。而19.984466MHz的信号除163840后得到122Hz的方波信号，该方波信号经积分后再对39.968932MHz的信号进行相位调制，实际上是方波间接调频。己调波又经
Figure 398493DEST_PATH_IMAGE006
倍频后得到119.906796MHz的射频信号，最后经阶跃二极管微波
Figure 766020DEST_PATH_IMAGE012
倍频后得到6.8346875MHz微波信号去激励物理系统中
Figure DEST_PATH_IMAGE024
原子基态跃迁，并由跃迁频率对激励信号鉴频，鉴频输出信号经光电池转换后得到误差电信号，经伺服电路处理后得到纠偏电压去控制非整数压控晶振荡器，最后，图3中虚框4给出了DDS时钟源的方框图，五次谐波经选频回路和放大整形后得到99.92233MHz的方波信号，该信号作为DDS时钟源。由DDS获得精确稳定的铷原子频标输出信号。
为了减小环境温度变化对晶体振荡器的影响，采用了图3中的虚框1所示的为具有自倍频功能的晶体振荡器的恒温控制电路，温控晶体管和热敏电阻分别紧贴在晶体外壳的两边，利用温控晶体管自身的发热为晶体振荡器加热，热敏电阻将温度的变化传递给恒温控制电路。可根据所用非整数晶体的温度频率特性，将晶体振荡器的温度控制在温度拐点，使其具有最好的温度频率特性。
图3中虚框2所示为具有自动增益控制功能的微波倍频器，己倍频的119.906796MHz的射频信号由自动增益控制射频放大器放大，再由匹配网络送至微波阶跃二极管倍频电路，通过匹配网络的偏压值控制放大器的增益。自动调节送至微波阶跃二极管的功率，有利于微波功率稳定。
所述误差信号前置放大器选用高精度低漂移集成运算放大器如TLC2272、LM208等，122Hz的矩形脉冲信号来自由复杂可编程器件(CPLD)构成的分频器。而同步相位捡测中的开关鉴相电路选用通断接近理想状态的高速模拟开关，如74LVC2G66等。
Figure 945329DEST_PATH_IMAGE006
倍频电路采用推挽倍频器，有利于抑制偶次谐波。选用具有模拟增益控制功能的高速运算放大器或双栅场效应管构成自动增益控制高频放大器。
图3中虚框4给出了DDS时钟源的方框图，具有自倍频功能的非整数压控晶体振荡器的输出信号中包含有五次谐波的分量，经调谐放大和整形后得到99.92233MHz方波，作为高精度参考源输出给DDS，再由DDS合成标准铷频标信号输出，本发明采用复杂可编程器件(CPLD) 设计直接数字频率合成器（DDS），可将系统锁定的非整数压控晶体振荡器（VCXO）输出频率变換为高精度10MHz铷原子频标信号。
为方便选取适用频率，采用了双DDS直接数字合成技术，具体电路如图4所示，它包括频率控制字寄存器、相位累加器、正弦波形查询表、数模转换及滤波电路等部分。其中的频率控制字寄存器、相位累加器、正弦波形查询表、数模转换部分由CPLD设计，特别是CPLD设计的数模转换器具有响应快，功耗与成本低的特点。所设计的数据寄存器存貯频率控制数据（频率控制字），具有串行/并行数据输入功能，串行、并行输入来自控制器或微机。该技术将伺服控制系统锁定的非整数压控石英晶体振荡器(VCXO) 的输出频率，变換为两路输出。频率控制数据被并行输入至相位累加器，相位累加器的位数可依据频率合成器所要求的分辨率选取。
已知时钟为99.92233MHz，若选用32位相位累加器，则可得最低输出频率(频率分辨率)为
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，输出10MHz所对应的的频率控制字为
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，转换为二进制为
 
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为了消除带外噪声，其输出经窄带滤波处理消除带外噪声和杂散。另一路DDS的输出频率，可通过上位机将任意频率控制字的二进制送入数据寄存器，则可在频率范围内选择任意适用的输出频率，其输出经低通滤波器滤波后输出。
本发明中的双直接数字频率合成器采用复杂可编程器件CPLD设计，如ALTERA公司的MAX2系列CPLD，或Xilinx公司的CPLD，可也选用FPGA。而复杂可编程器件(CPLD)具有更好的灵活性。
在图1虚框所示的物理系统相关电路中，铷光谱灯部分包括铷光谱灯激励电路、铷灯恒温控制电路。微波腔吸收泡部分包括阶跃二极管微波倍频电路、腔温控制电路、C场电流调节电路、光电池电路等。各部件之间的连接关系为：铷泡在激励振荡电路产生的射频场的激励下发光并产生能级之间的跃迁谱线。铷灯恒温控制电路和腔温恒温控制使物理系统温度保持恒定，减小环境温度改变对频率稳定度的影响。阶跃二极管微波倍频器将射频信号倍频至微波，为微波腔提供微波激励信号。C场电流调节电路流过绕制在微波腔外的C场线圈，控制流过C场线圈电流的大小，用以精确微调受激跃迁频率，光电池将光强的变化转換为误差电信号。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的结构作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1. 一种优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，其特征是所述伺服控制电路采用谐振频率为非整数                                               
Figure 2011100824991100001DEST_PATH_IMAGE002
MHz和具有自倍频功能的非整数压控晶体振荡器，该非整数压控晶体振荡器输出的2倍频信号，经调频、再
Figure DEST_PATH_IMAGE004
倍频及腔内微波倍频后激励物理系统的
Figure DEST_PATH_IMAGE006
原子基态0-0跃迁，并用此跃迁频率对微波激励信号鉴频，经光电池转换为误差电信号，通过122Hz同步鉴相和低通滤波器获得纠偏电压，控制非整数压控晶体振荡器至锁定状态，实现铷原子超精细跃迁频率稳定度转移，通过由CPLD设计的双直接数字频率合成器获得精确稳定的实用铷原子频率标准信号输出。
2. 根据权利要求l所述的优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，其特征在于所述伺服控制电路由具有自倍频功能的非整数压控晶体振荡器、射频倍频电路、分频电路、调相电路、误差信号前置放大电路、同步鉴相电路、双路直接数字频率合成器组成，其中：非整数压控晶体振荡器的输出经分频器产生122Hz的信号，该信号经积分器积分后对
Figure DEST_PATH_IMAGE008
倍频器的39.968932MHz输出信号进行调相；再经
Figure 362545DEST_PATH_IMAGE004
倍频器得到119.906796MHz的频率信号；又经微波倍频至6.8346875GHz，与铷原子受激跃迁产生的高稳6.8346875GHz的微波信号进行鉴频；然后由光电池转换为误差电信号，通过122Hz同步鉴相和低通滤波器获得纠偏电压，控制非整数压控晶体振荡器至锁定状态。
3. 根据权利要求l所述的优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，其特征在于：所述非整数压控晶体振荡器经选频网络能同时输出2倍频和五倍频信号，分别提供给调频电路和双直接数字频率合成器电路。
4. 根据权利要求1所述的优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，其特征在于：所述对来自非整数压控晶体振荡器倍频链的微波激励信号由物理系统作鉴频处理，去锁定非整数压控晶体振荡器，无需频率综合器进行频率调整。
5. 根据权利要求l所述的优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，其特征在于：所述非整数压控晶体振荡器采用温控晶体管自身的发热为非整数压控晶体振荡器直接加热，使非整数压控晶体振荡器的温度控制在晶体的温度拐点。
6. 根据权利要求l所述的优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，其特征在于：所述19.984466MHz谐振频率信号经分频器分频后输出122Hz信号，积分后对非整数压控晶体振荡器输出的2倍频信号进行调频，再经
Figure 279686DEST_PATH_IMAGE004
倍频及腔内微波倍频后，通过自动增益控制放大器经由匹配网络送至微波阶跃二极管倍频电路，并由匹配网络的偏压值控制放大器的增益；自动调节送至微波阶跃二极管的功率，以利于微波功率稳定。
7. 根据权利要求6所述的优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，其特征在于：所述分频器采用163840分频器。
8. 根据权利要求1所述的优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，其特征在于：所述CPLD设计的双直接数字频率合成器，由频率控制字寄存器、相位累加器、正弦波形查询表、数模转换器组成。
9. 根据权利要求1所述的优化的被动型铷原子频标伺服控制电路，其特征在于：双直接数字频率合成器将非整数压控石英晶体振荡器输出的频率变換为两路输出，一路为固定的10MHz频率，其输出经窄带滤波处理消除带外噪声和杂散；另一路通过上位机设置，获取1Hz~16MHz范围的任意适用输出频率。
10. 权利要求1至9中任一权利要求所述的优化的被动型铷原子频标控制电路，其用于制作小型化铷原子频标。
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