CN102291136A - 一种铷原子频标及其频率绝对值修正电路 - Google Patents

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詹志明
张霞
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Abstract

本发明公开了一种铷原子频标及其频率绝对值修正电路，属于原子频标领域。所述铷原子频标包括压控晶体振荡器、物理单元和电子线路，所述物理单元包括微波腔、设置在微波腔外的C场线圈以及与所述C场线圈电连接的恒流源装置，所述物理单元还包括频率绝对值修正电路，所述频率绝对值修正电路包括串联在所述恒流源装置和所述C场线圈之间的可变电阻器。本发明实施例通过所述频率绝对值修正电路调节C场线圈中电流的大小，改变了物理单元中原子提供分裂的磁场的强度，可以调整原子跃迁频率，进而对整个原子频标的输出频率进行微调，保证了原子频标的准确度和稳定度。

Description

一种铷原子频标及其频率绝对值修正电路
技术领域
本发明涉及原子频标领域，特别涉及一种铷原子频标及其频率绝对值修正电路。
背景技术
原子频标是一种具有优良稳定度和准确度的频率源，已广泛应用于卫星的定位、导航和通信、仪器仪表以及天文等领域。而铷原子频标因其具有体积小、重量轻、功耗低、成本低等优势而成为目前应用最为广泛的原子频标。
铷原子频标主要包括压控晶体振荡器、物理单元和电子线路。该物理单元包括：光谱灯、集成滤光共振泡、产生微波场的微波腔、C场线圈、检测光信号的光电池、耦合环以及磁屏。电子线路对压控晶体振荡器的输出信号经过倍频混频等处理后产生微波探询信号，并对微波探询信号经过物理系统后在所述光电池上产生的量子鉴频信号进行处理，产生压控信号，从而将压控石英晶体振荡器的输出锁定在铷原子的基态超精细0-0跃迁频率上。
其中，C场线圈的作用是产生一个和微波磁场方向平行的弱静磁场，使原子的基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴。然而，由于C场线圈实际产生的磁场并不均匀，所以铷原子的跃迁谱线并不是绝对对称的，铷原子的跃迁频率会偏离标准频率6.8346975GHz，即前述铷原子的基态超精细0-0跃迁频率。这样，电子线路产生的微波探询信号的频率不能对准铷原子跃迁谱线的标准频率，光电池产生的量子鉴频信号通过同步鉴相处理后得到的电压控制信号不准确，进而导致电压控制信号锁定的压控晶体振荡器的输出频率不准确。
现有的提高铷原子频标的输出频率的准确度的方法是，采用外置频率调整电路对铷原子频标的输出频率进行修正，但是，该外置频率调整电路的增加会导致输出频率信号的稳定度变差。
发明内容
为了提高铷原子频标的输出频率的准确度且不影响输出频率的稳定度，本发明实施例提供了一种铷原子频标及其频率绝对值修正电路。所述技术方案如下：
一种铷原子频标，包括压控晶体振荡器、物理单元和电子线路，所述物理单元包括微波腔、设置在微波腔外的C场线圈以及与所述C场线圈电连接的恒流源装置。所述物理单元还包括频率绝对值修正电路，所述频率绝对值修正电路包括串联在所述恒流源装置和所述C场线圈之间的可变电阻器
一种用于铷原子频标的频率绝对值修正电路，所述频率绝对值修正电路包括串联在所述铷原子频标的恒流源装置和C场线圈之间的可变电阻器。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例通过所述频率绝对值修正电路调节C场线圈中的电流大小，改变了物理单元中原子提供分裂的磁场的强度，从而可以调整原子跃迁频率，进而对整个原子频标的输出频率进行微调，保证了原子频标的准确度和稳定度。此外，所述频率绝对值修正电路结构简单，操作方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1提供的一种用于铷原子频标的绝对值修正电路的示意图；
图2是本发明实施例2提供的一种铷原子频标的结构框图；
图3是本发明实施例2的铷原子频标的物理单元的结构示意图；
图4是本发明实施例2的铷原子频标的综合器的结构框图；
图5是本发明实施例2的铷原子频标的综合器产生的键控调频信号和同步鉴相信号的波形示意图；
图6是本发明实施例2的铷原子频标的伺服锁相放大模块的结构框图；
图7是本发明实施例2的铷原子频标的四分频模块和晶体管-晶体管逻辑电平模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例提供了用于铷原子频标的频率绝对值修正电路10，所述频率绝对值修正电路10包括串联在所述铷原子频标的恒流源装置11和C场线圈12之间的可变电阻器Rk。
进一步地，本实施例中，所述频率绝对值修正电路还包括固定电阻R，所述固定电阻与所述可变电阻器Rk并联。该固定电阻R可以防止由于调节不慎造成C场线圈中无电流的情况。
具体地，所述可变电阻器Rk可以为滑动变阻器、数字电位计等。
本发明实施例通过所述频率绝对值修正电路调节C场线圈中的电流大小，改变了物理单元中原子提供分裂的磁场的强度，从而可以调整原子跃迁频率，进而对整个原子频标的输出频率进行微调，保证了原子频标的准确度和稳定度。此外，所述频率绝对值修正电路结构简单，操作方便。
实施例2
如图2所示，本发明实施例提供了一种铷原子频标，该铷原子频标包括压控晶体振荡器20、物理单元30和电子线路40。
其中，所述电子线路40包括综合器41、倍混频模块42和伺服锁相放大模块43。所述综合器41用于将所述压控晶体振荡器20的输出信号转换为综合调制信号；所述倍混频模块42用于将所述综合器41输出的综合调制信号转换为微波探询信号并送至所述物理单元30；所述伺服锁相放大模块43用于根据所述物理单元30输出的量子鉴频信号控制所述压控晶体振荡器20的输出频率。
其中，如图3所示，所述物理单元30包括微波腔33、设置在微波腔33外的C场线圈34、与所述C场线圈34电连接的恒流源装置31、以及连接在所述C场线圈34和恒流源装置31之间的频率绝对值修正模块50。本实施例中的频率绝对值修正模块50与实施例1中的频率绝对值修正模块10的结构相同，在此不再赘述。
容易知道，本实施例的物理单元30还包括提供抽运光的光谱灯39、设置在所述微波腔33内的集成滤光共振泡32、检测光信号的光电池35、为光谱灯39和集成滤光共振泡32提供恒温的工作环境的温度控制模块38、固定在微波腔33上的耦合环36以及设置在所述微波腔外的磁屏37等部件，这些部件的结构、作用及其连接关系为本领域技术人员熟知，故在此省略详细描述。
进一步地，本实施例中，所述压控晶体振荡器20的输出频率为40MHz。
更进一步地，如图4所示，所述综合器41包括数字频率合成器411、和用于产生频率控制字412a和键控调频信号412b的微处理器412。在本实施例中，所述微处理器412和所述数字频率合成器411的外部时钟参考源输入端412c和411a均与所述压控晶体振荡器20的输出端相连。在本实施例中，所述数字频率合成器411中内置有6倍频单元。
具体地，由于所述压控晶体振荡器20的输出频率为40MHz，经过6倍频单元后得到240MHz信号，作为系统时钟。数字频率合成器411的输出频率范围为0～240MHz。微处理器412通过频率控制字412a改变二进制位‘0’或‘1’，从而改变数字频率合成器的具体频率输出。由于倍频次数小，所以可以降低综合器产生的相位噪声。
更进一步地，在本实施例中，所述数字频率合成器411的输出频率为114.6875MHz±Δf，2*Δf小于原子自然线宽。为了得到114.6875MHz的单频信号，微处理器设置的频率控制字为114.6875MHz/240MHz。
进一步地，所述键控调频信号是占空比为1∶1的低频方波信号，如图5中A所示，所述键控调频信号的频率为10～200Hz，在本实施例中，具体可以选择117Hz。当出现高电平‘1’时，数字频率合成器411输出的频率信号为F1，当出现低电平‘0’时，数字频率合成器411输出的频率信号为F2，其中F1＝114.6875MHz-ΔF，F2＝114.6875MHz+ΔF，2*ΔF称为调制深度，其大小取值应该小于原子自然线宽的大小，诸如可取300Hz。
优选地，所述微处理器412还用于为所述伺服锁相放大模块提供同步鉴相信号，如图5中B所示，所述同步鉴相信号的频率和占空比与所述键控调频信号相同，且与所述键控调频信号存在固定的相位差，如图5所示。所述相位差可以为40°。
进一步地，如图6所示，所述伺服锁相放大模块43包括模数转换电路431、微处理器412和数模转换电路432。微处理器412根据前述同步鉴相信号的时序沿来控制模数转换电路431对物理单元30输出的量子鉴频信号进行采样，并将采样值传递到微处理器412中；微处理器412根据模数转换电路431前后两次采样得到的电压值做差运算，将结果通过数模转换电路432输出，得到纠偏电压ΔV，纠偏电压ΔV作用于压控晶振，使压控晶振的输出频率发生相应变化，从而完成环路的锁定。优选地，可以采用数字累加平均技术，以减小噪声的影响。
进一步地，所述倍混频模块42包括倍频单元和混频单元。所述倍频单元用于将压控晶体振荡器20输出的信号倍频至240MHz，所述混频单元用于对所述倍频单元输出的240MHz的信号和前述频率合成器411输出的114.6875MHz±Δf进行混频并经过功率放大，以获得频率为6.83475GHz±Δf的微波探询信号送至物理单元30。具体地，混频可以采用阶跃二极管实现。
优选地，如图7所示，本实施例的铷原子频标还包括四分频模块60，用于将所述压控晶体振荡器20的输出频率四分频，从而为用户提供标准的10MHz的输出频率。
优选地，本实施例的铷原子频标还包括用于产生同步电平信号的TTL(Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑)电平模块70，所述TTL电平模块70与所述四分频模块60的输出端电连接。该TTL电平模块70由比较器7U及其外围的电阻R1、R2、R31、R32、R41、R42、R5和电容C1、C2、C3构成，但并不仅限于图7所示结构。
本发明实施例通过所述频率绝对值修正电路调节C场线圈中的电流大小，改变了物理单元中原子提供分裂的磁场的强度，从而可以调整原子跃迁频率，进而对整个原子频标的输出频率进行微调，保证了原子频标的准确度和稳定度。此外，所述频率绝对值修正电路结构简单，操作方便。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铷原子频标，包括压控晶体振荡器、物理单元和电子线路，所述物理单元包括微波腔、设置在微波腔外的C场线圈以及与所述C场线圈电连接的恒流源装置，其特征在于，所述物理单元还包括频率绝对值修正电路，所述频率绝对值修正电路包括串联在所述恒流源装置和所述C场线圈之间的可变电阻器。
2.如权利要求1所述的铷原子频标，其特征在于，所述频率绝对值修正电路还包括与所述可变电阻器并联的固定电阻。
3.如权利要求1所述的铷原子频标，其特征在于，所述压控晶体振荡器的输出频率为40MHz。
4.如权利要求3所述的铷原子频标，其特征在于，还包括四分频模块，用于将所述压控晶体振荡器的输出频率四分频。
5.如权利要求4所述的铷原子频标，其特征在于，还包括用于产生同步电平信号的晶体管-晶体管逻辑电平模块，所述晶体管-晶体管逻辑电平模块与所述四分频模块的输出端电连接。
6.如权利要求3所述的铷原子频标，其特征在于，所述电子线路包括：
综合器，用于将所述压控晶体振荡器的输出信号转换为综合调制信号；
倍混频模块，用于将所述综合器输出的综合调制信号转换为微波探询信号并送至所述物理单元；
伺服锁相放大模块，用于根据所述物理单元输出的量子鉴频信号控制所述压控晶体振荡器的输出频率；
所述综合器包括数字频率合成器、和用于产生频率控制字和键控调频信号的微处理器，所述微处理器和所述数字频率合成器的外部时钟参考源输入端均与所述压控晶体振荡器的输出端相连，所述数字频率合成器内置有6倍频单元，所述数字频率合成器的输出频率为114.6875MHz±Δf，2*Δf小于原子自然线宽。
7.如权利要求6所述的铷原子频标，其特征在于，所述键控调频信号是占空比为1∶1的低频方波信号，所述键控调频信号的频率为10～200Hz。
8.如权利要求7所述的铷原子频标，其特征在于，所述微处理器还用于为所述伺服锁相放大模块提供同步鉴相信号，所述同步鉴相信号的频率和占空比与所述键控调频信号相同，且与所述键控调频信号存在固定的相位差。
9.一种用于铷原子频标的频率绝对值修正电路，其特征在于，所述频率绝对值修正电路包括串联在所述铷原子频标的恒流源装置和C场线圈之间的可变电阻器。
10.如权利要求9所述的频率绝对值修正电路，其特征在于，还包括与所述可变电阻器并联的固定电阻。
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