CN102751987A

CN102751987A - 提高原子频标短期稳定度指标的方法、装置及原子频标

Info

Publication number: CN102751987A
Application number: CN2012102390489A
Authority: CN
Inventors: 詹志明; 雷海东
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-07-11
Also published as: CN102751987B

Abstract

本发明公开了一种提高原子频标短期稳定度指标的方法、装置和原子频标，属于原子频标领域。所述方法包括：锁定判断单元判断原子频标整机系统工作状态；根据原子频标整机系统工作状态，中央处理器通过纠偏电压单元向压控晶振输出纠偏电压。该装置包括：锁定判断单元、中央处理器和纠偏电压单元。本发明通过中央处理器根据锁定判断单元得出的原子频标整机系统的工作状态来控制纠偏电压单元工作，在整机处于锁定和未锁定两种状态下，中央处理器通过纠偏电压单元输出不同的纠偏电压作用于压控晶振，从而消除原子频标的短暂跳变，提高了原子频标短期稳定度指标。

Description

提高原子频标短期稳定度指标的方法、装置及原子频标

技术领域

本发明涉及原子频标领域，特别涉及一种提高原子频标短期稳定度指标的方法、装置及原子频标。

背景技术

原子频标作为高稳定、高精度的时间同步源，正被广泛应用于航天、通讯等众多领域。

现有的原子频标主要包括压控晶振、电子线路和物理单元三大部分；其中，压控晶振输出的信号经电子线路的处理产生微波探询信号，该微波探询信号作用于物理单元后，产生量子鉴频信号；电子线路将该量子鉴频信号与参考信号进行同步鉴相，产生纠偏电压作用于压控晶振，从而改变压控晶振的输出，进而将压控晶振输出锁定于原子基态超精细0-0中心频率上。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术至少存在以下问题：

在实际的原子频标应用中，由于外界工作环境条件的影响、以及原子频标内部组成部件不稳定，可能会使纠偏电压出现大的波动，在这种情况下，会导致压控晶振的输出信号频率出现短暂的跳变，进而影响原子频标整机系统的短期稳定度指标。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种提高原子频标短期稳定度指标的方法、装置及原子频标。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种提高原子频标短期稳定度指标的方法，所述方法包括：

锁定判断单元判断原子频标整机系统工作状态，所述原子频标整机系统工作状态包括锁定状态和未锁定状态；

当所述原子频标整机系统处于锁定状态时，中央处理器判断当前纠偏电压是否会引起原子频标整机系统输出频率产生跳变；

若是，则所述中央处理器通过纠偏电压单元向压控晶振输出上一次的纠偏电压；

若否，则所述中央处理器通过纠偏电压单元向压控晶振输出所述当前纠偏电压。

其中，所述中央处理器判断当前纠偏电压是否会引起原子频标整机系统输出频率产生跳变，包括：

采用当前同步鉴相产生的纠偏电压和所述压控晶振的压控斜率，计算所述纠偏电压将会产生的波动值；

将所述波动值与短期稳定度中的标准值进行比较，若所述波动值大于所述短期稳定度中的标准值，则判断为会引起跳变；若所述波动值小于所述短期稳定度中的标准值，则判断为不会引起跳变。

其中，当所述原子频标整机系统处于锁定状态时，所述纠偏电压由基准电压和修正电压构成，所述基准电压为所述原子频标整机系统第一次锁定时的纠偏电压；

则所述中央处理器通过纠偏电压单元向压控晶振输出上一次的纠偏电压，包括：

所述中央处理器通过第一数模转换器单元输出基准电压，通过第二数模转换器输出上一次的修正电压。

其中，所述中央处理器通过纠偏电压单元向压控晶振输出当前纠偏电压，包括：

所述中央处理器通过所述第一数模转换器单元输出基准电压，通过所述第二数模转换器输出当前的修正电压。

进一步地，所述方法还包括：当原子频标整机系统进入锁定状态时，所述中央处理器开启用于控制第二模数转换器单元通闭的纠偏使能单元。

其中，所述方法还包括：当所述原子频标整机系统处于未锁定状态时，所述中央处理器通过纠偏电压单元向压控晶振输出当前纠偏电压。

进一步地，所述方法还包括：

判断跳变持续的时间是否超过预定时间值t，若未超过时间值t，则所述中央处理器向压控晶振输出上一次的纠偏电压；若超过时间值t，则所述中央处理器向压控晶振输出当前纠偏电压。

另一方面，本发明实施例还提供了一种提高原子频标短期稳定度指标的装置，所述装置包括：

锁定判断单元，用于判断原子频标整机系统是否处于锁定状态；

中央处理器，用于当所述原子频标整机系统处于锁定状态时，判断当前纠偏电压是否会引起原子频标整机系统输出频率产生跳变；

纠偏电压单元，用于当所述中央处理器的判断结果为是时，向压控晶振输出上一次的纠偏电压；当所述中央处理器的判断结果为否时，则向压控晶振输出所述当前纠偏电压。

其中，所述纠偏电压单元包括第一数模转换器单元、第二数模转换器单元、用于为所述第一数模转换器单元提供外部参考电压的第一电压基准单元、用于为所述第二数模转换器单元提供外部参考电压的第二电压基准单元和和用于控制所述第二模数转换器单元通闭的纠偏使能单元；所述第一数模转换器单元与所述中央处理器相连，所述第二数模转换器单元通过所述纠偏使能单元与所述中央处理器相连，所述第一数模转换器单元和所述第二数模转换器单元同时连接压控晶振，所述第一数模转换器单元和所述第二数模转换器单元分别连接所述第一电压基准单元和所述第二电压基准单元。

另一方面，本发明实施例还提供了一种原子频标，包括：压控晶振、物理单元、隔离放大器、射频倍频单元、微波倍、混频单元、数字频率合成器、中央处理器、选频放大单元和同步鉴相单元，以及前述提高原子频标短期稳定度指标的装置。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过中央处理器根据锁定判断单元得出的整机系统的锁定状态来控制纠偏电压单元工作，在整机处于锁定和未锁定两种状态下，中央处理器通过纠偏电压单元向压控晶振输出纠偏电压，从而消除原子频标的短暂跳变，提高了原子频标的短期稳定度指标。

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是原子频标的基本结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的一种提高原子频标短期稳定度指标的方法流程图；

图3是本发明实施例1提供的原子频标整机系统锁定判断原理图；

图4是本发明实施例2提供的一种提高原子频标短期稳定度指标装置的结构示意图；

图5是本发明实施例2提供的一种提高原子频标短期稳定度指标装置的详细结构示意图；

图6是本发明实施例3提供的一种原子频标的结构示意图。

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。

下面先结合图1对原子频标的基本结构进行简单介绍。该结构仅为举例，并不作为对本发明的限制。

如图1所示，原子频标包括压控晶振1、物理单元2、隔离放大器3、射频倍频单元4、微波倍、混频单元5、数字频率合成器6、中央处理器7、选频放大单元8和同步鉴相单元9。其中，压控晶振1用于输出原始频率信号；隔离放大器3用于将压控晶振1的输出频率信号进行隔离和放大；射频倍频单元4用于对经隔离放大器3隔离放大后的信号进行倍频；微波倍、混频单元5用于对经过射频倍频单元4倍频后的信号和数字频率合成器6产生的综合调制信号同时进行倍频和混频，以产生微波探询信号；物理单元2用于对微波探询信号进行鉴频，产生量子鉴频信号；选频放大单元8，用于对量子鉴频信号进行光检放大和方波整形；中央处理器7用于产生频率合成指令、调制信号以及同步鉴相参考信号；数字频率合成器6用于根据中央处理器7产生的频率合成指令和键控调频信号产生前述综合调制信号；同步鉴相单元9用于对上述经光检放大和方波整形后的物理单元产生的量子鉴频信号进行同步鉴相，产生纠偏电压作用于压控晶振1，以调整压控晶振1的输出频率；通过上述结构单元，最终将压控晶振1的输出频率锁定在原子基态超精细0-0中心频率上。

实施例1

本发明实施例提供了一种提高原子频标短期稳定度指标的方法，参见图2，该方法包括：

步骤201：锁定判断单元判断原子频标整机系统工作状态，该原子频标整机系统工作状态包括锁定状态和未锁定状态。

并且，当原子频标整机系统处于未锁定状态时，执行步骤202；当原子频标整机系统处于锁定状态时，执行步骤203。

具体地，锁定判断单元可以采用以下方式判断原子频标整机系统工作状态：

中央处理器在产生原有的同步鉴相所需的调制信号、同步鉴相参考信号的同时，还产生一路采样时序信号，该采样时序信号的频率是调制信号4倍的方波信号，其相位可调、占空比为1：1；锁定判断单元根据该采样时序信号对量子鉴频信号进行采集处理，判断此时刻所加的微波探询信号的频率与原子跃迁中心频率的关系，即判断此时刻原子频标整机系统锁定情况；具体的判定依据如图3所示，以该采样时序信号的连续4个上升沿作为触发脉冲，分别对量子鉴频信号进行采样，并将采样结果分别记录为D1、D2、D3、D4，依据所记录的四种采样电平高低不同判断原子频标整机系统是否处于锁定状态，当电平关系式为：D1=D3并且D2=D4时，表明原子频标整机系统处于锁定状态，否则表明原子频标整机系统处于未锁定状态。优选设置多组采样结果，根据多组采样结果判断原子频标整机系统是否处于锁定状态，以使判断结果更为准确。判断完成后，锁定判断单元将整机系统工作状态输送至中央处理器。

步骤202：中央处理器通过纠偏电压单元向压控晶振输出当前纠偏电压。

具体地，纠偏电压是指同步鉴相单元对量子鉴频信号和同步鉴相参考信号进行同步鉴相后得到电压值。

进一步地，当中央处理器接收到锁定判断单元发送的原子频标整机处于未锁定状态时，对于上述1E-10甚至更大的波动诸如5E-10等，中央处理器通过第一D/A（digital to analog converter，数模转换器）单元直接输出相应电压作用于压控晶振，使其输出频率发生变化。通常这种情况通常发生在原子频标上电不久，光谱灯张驰振荡期，中央处理器需要通过大幅度改变压控晶振的输出频率来实现整机的锁定。

步骤203：中央处理器判断当前纠偏电压是否会引起原子频标整机系统输出频率产生跳变；若是，执行步骤204；若否，执行步骤205。

具体地，该步骤包括：

采用当前同步鉴相产生的纠偏电压和压控晶振的压控斜率，计算纠偏电压将会产生的波动值；

将波动值与短期稳定度中的标准值进行比较，若波动值比短期稳定度中的标准值大，则判断为会引起跳变；若波动值小于短期稳定度中的标准值，则判断为不会引起跳变。

进一步地，可以根据以下公式计算波动值：

（纠偏电压×压控斜率）/压控晶振输出频率=波动值。

下面结合实例，说明该步骤203。例如：对于输出频率为10MHz、压控斜率为0.1Hz/V的压控晶振，短期稳定度标准值为1E-11；当纠偏电压为1mV，且系统判断此时处于锁定工作状态时，如果按照传统技术，中央处理器直接将上述压差作用于压控晶振将引起原子频标整机输出信号频率发生（1mV×0.1Hz/V）/(1E7)Hz=1E-11的波动，那么这里的1mV就是会引起跳变的临界电压，当纠偏电压超过1mV时则会引起跳变，当纠偏电压未超过1mV时则不会引起跳变。

步骤204：当纠偏电压超过跳变电压时，中央处理器通过纠偏电压单元向压控晶振输出上一次的纠偏电压。

具体地，在本实施例中，当原子频标整机系统处于锁定状态时，纠偏电压由基准电压和修正电压构成；中央处理器通过第一D/A单元输出该基准电压，通过第二D/A单元输出上一次的修正电压。

其中，基准电压为原子频标整机系统上电后，第一次实现锁定时第一D/A单元输出的电压值；也就是说，一旦原子频标整机实现了锁定，那么第一D/A单元输出的值将固定下来，后续的锁定状态下的纠偏工作由第二D/A单元来完成。

进一步地，本发明使用了两个D/A单元，第一D/A单元输出的电压范围较大，用于向压控晶振输出基准电压；而第二D/A单元输出的电压范围较小，用于向压控晶振输出修正电压；这样就避免因D/A单元的精度问题造成输出的纠偏电压的误差。

下面结合实例，对本发明采用两个D/A单元的好处进行说明。例如：当原子频标整机系统处于锁定状态时，同步鉴相获得的纠偏电压变化较小，通常在5V左右波动，而且量级较小，如5.001V或者4.999V等，那么采用一个D/A单元的话可能输出的纠偏电压都是5V。而本发明使用了两个D/A单元，第一D/A单元电压范围较大，如0~5V，用于向压控晶振输出基准电压；而第二D/A单元电压范围较小，如±100mV，用于向压控晶振输出修正电压；这样就避免因D/A单元的精度问题造成输出的纠偏电压的误差。

值得说明的是，本发明在原子频标整机系统在处于锁定状态时，中央处理器也可以仅通过一个D/A单元输出纠偏电压。

步骤205：当纠偏电压未超过跳变电压时，中央处理器直接通过纠偏电压单元向压控晶振输出当前纠偏电压。

具体地，中央处理器通过第一D/A单元输出基准电压，通过第二D/A单元输出当前修正电压。

容易知道，当原子频标整机处于锁定状态时，执行步骤204和205之前，中央处理器需要先开启用于控制第二D/A单元通闭的纠偏使能单元，保证第二D/A单元可以输出纠偏电压作用于压控晶振。

在原子频标整机系统已经处于锁定状态的情况下，理论上讲压控晶振输出信号的频率稳定度将反映整个原子频标的短、长期性能。对于本发明要求的短期稳定度而言，仍然以步骤203中的例子为例，若某一时刻中央处理器获得的纠偏电压值超过1mV，如引起原子频标整机稳定度1E-10波动的10mV的纠偏电压，那么中央处理器此刻将会放弃本次纠偏，第二D/A单元的输出仍然保持着上次纠偏使能时输出的电压值，从而避免了直接输出该纠偏电压而原子频标整机系统的输出频率出现跳变，有效提高了原子频标的短期稳定度。

优选地，本实施例的方法还包括：

判断跳变持续的时间是否超过预定时间值t，若未超过时间值t，则中央处理器向压控晶振输出上一次的纠偏电压；若超过时间值t，则中央处理器向压控晶振输出当前纠偏电压。

具体地，中央处理器向压控晶振输出上一次的纠偏电压包括：中央处理器通过第一D/A 单元输出基准电压，通过第二D/A单元输出上一次的修正电压；

中央处理器向压控晶振输出当前纠偏电压包括：中央处理器通过第一D/A单元输出基准电压，通过第二D/A单元输出当前修正电压。

其中，跳变持续的时间是指原子频标整机输出信号频率出现大范围的跳动持续的时间。

在实际应用中，由于工作环境温度、电磁辐射、内部物理单元或者电路故障等因素，可能导致原子频标整机系统输出频率出现大范围的跳动，如果此时压控晶振长时间内未能得到有效的纠偏的话，原子频标将会脱锁。故结合时间值t来解决这一问题。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过中央处理器根据锁定判断单元得出的整机系统的锁定状态来控制纠偏电压单元工作，在整机处于锁定和未锁定两种状态下，中央处理器通过纠偏电压单元向压控晶振输出纠偏电压，从而消除原子频标的短暂跳变，提高了原子频标短期稳定度指标。

实施例2

本发明实施例提供了一种提高原子频标短期稳定度指标的装置，参见图4，该装置包括：

锁定判断单元10，用于判断原子频标整机系统是否处于锁定状态；

中央处理器12，用于当原子频标整机系统处于锁定状态时，判断当前纠偏电压是否会引起原子频标整机系统输出频率产生跳变；

纠偏电压单元11，用于当中央处理器12的判断结果为是时，向压控晶振21输出上一次的纠偏电压；当中央处理器12的判断结果为否时，则向压控晶振21输出当前纠偏电压。

进一步地，参见图5，纠偏电压单元11包括第一D/A单元11a、第二D/A单元11b、用于为第一D/A单元11a提供外部参考电压的第一电压基准单元11c、用于为第二D/A单元11b提供外部参考电压的第二电压基准单元11d和用于控制第二模数转换器单元11b通闭的纠偏使能单元11e；具体地，第一D/A单元11a与中央处理器12相连，第二D/A单元11b通过纠偏使能单元11e与中央处理器12相连，第一D/A单元11a和第二D/A单元11b同时连接压控晶振21，第一D/A单元11a和第二D/A单元11b分别连接第一电压基准单元11c和第二电压基准单元11d。

其中，中央处理器12可以采用原子频标的自带的中央处理器，其内部存储有压控晶振21的压控斜率参数值。

实施例3

本发明实施例提供了一种原子频标，参见图6，原子频标包括：压控晶振401、物理单元402、隔离放大器403、射频倍频单元404、微波倍、混频单元405、数字频率合成器406、中央处理器407、选频放大单元408和同步鉴相单元409；该原子频标还包括实施例2中提供的一种提高原子频标短期稳定度指标的装置。

其中，压控晶振401、物理单元402、隔离放大器403、射频倍频单元404、微波倍、混频单元405、数字频率合成器406、选频放大单元408和同步鉴相单元409均为原子频标基本结构，这里不再赘述。在本实施例中，提高原子频标短期稳定度指标的装置中的中央处理器即为中央处理器407。

需要说明的是：上述实施例提供的提高原子频标短期稳定度指标的装置和原子频标在提高原子频标短期稳定度指标时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的提高原子频标短期稳定度指标的装置和原子频标与提高原子频标短期稳定度指标的方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

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

1.一种提高原子频标短期稳定度指标的方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中央处理器判断当前纠偏电压是否会引起原子频标整机系统输出频率产生跳变，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述原子频标整机系统处于锁定状态时，所述纠偏电压由基准电压和修正电压构成，所述基准电压为所述原子频标整机系统第一次锁定时的纠偏电压；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述中央处理器通过纠偏电压单元向压控晶振输出当前纠偏电压，包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当原子频标整机系统进入锁定状态时，所述中央处理器开启用于控制第二模数转换器单元通闭的纠偏使能单元。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当所述原子频标整机系统处于未锁定状态时，所述中央处理器通过纠偏电压单元向压控晶振输出当前纠偏电压。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

判断跳变持续的时间是否超过预定时间值t，若未超过时间值t，则所述中央处理器向压控晶振输出上一次的纠偏电压；若超过时间值t，则所述中央处理器向压控晶振输出所述当前纠偏电压。

8.一种提高原子频标短期稳定度指标的装置，其特征在于，所述装置包括：

锁定判断单元（10），用于判断原子频标整机系统是否处于锁定状态；

中央处理器（12），用于当所述原子频标整机系统处于锁定状态时，判断当前纠偏电压是否会引起原子频标整机系统输出频率产生跳变；

纠偏电压单元（11），用于当所述中央处理器（12）的判断结果为是时，向压控晶振（21）输出上一次的纠偏电压；若当所述中央处理器（12）的判断结果为否时，则向压控晶振（21）输出所述当前纠偏电压。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述纠偏电压单元（11）包括第一数模转换器单元（11a）、第二数模转换器单元（11b）、用于为所述第一数模转换器单元（11a）提供外部参考电压的第一电压基准单元（11c）、用于为所述第二数模转换器单元（11b）提供外部参考电压的第二电压基准单元（11d）和用于控制所述第二模数转换器单元（11b）通闭的纠偏使能单元（11e）；所述第一数模转换器单元（11a）与所述中央处理器（12）相连，所述第二数模转换器单元（11b）通过所述纠偏使能单元（11e）与所述中央处理器（12）相连，所述第一数模转换器单元（11a）和所述第二数模转换器单元（11b）同时连接所述压控晶振（21），所述第一数模转换器单元（11a）和所述第二数模转换器单元（11b）分别连接所述第一电压基准单元（11c）和所述第二电压基准单元（11d）。

10.一种原子频标，包括：压控晶振（401）、物理单元（402）、隔离放大器（403）、射频倍频单元（404）、微波倍、混频单元（405）、数字频率合成器（406）、中央处理器（407）、选频放大单元（408）和同步鉴相单元（409），其特征在于，所述原子频标还包括如权利要求8或9所述的提高原子频标短期稳定度指标的装置。