CN103138756A - 一种带温度补偿的原子频标伺服方法和电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带温度补偿的原子频标伺服方法和电路，属于原子频标领域。所述方法包括：对原子频标的物理单元输出的光检信号进行放大，并对放大后的信号进行同步鉴相，得到纠偏信号；获取原子频标工作时压控晶振的工作环境温度；将获取到的所述工作环境温度与参考工作温度的差值转换为补偿电压；采用所述补偿电压对所述纠偏信号进行补偿，得到压控电压，并将所述压控电压作用于所述压控晶振。本发明通过将压控晶振工作时的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为电压，并将该电压补偿到纠偏信号中得到压控电压，再将压控电压作用于压控晶振，降低了工作环境温度对压控晶振的输出频率的影响，使得压控晶振输出的频率更稳定和精确。
Description
技术领域
本发明涉及原子频标领域，特别涉及一种带温度补偿的原子频标伺服方法和电路。
背景技术
数字化集成芯片的广泛应用，为搭建集成度高、精度高的电路模块提供了先决条件。在原子频标伺服电路中，国内外均采用了DDS（Direct DigitalSynthesizer，直接数字式频率合成器）和高集成度的处理器完成整个系统的闭环工作。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
在具体的一台原子频标中，由于压控晶体振荡器的输出会受到温度变化的影响，而现有的由DDS及高集成度的处理器组成的伺服电路，无法解决温度变化带来的压控晶体振荡器的输出变化的问题，造成原子频标输出精度低。
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带温度补偿的原子频标伺服方法和电路。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种带温度补偿的原子频标伺服方法，所述方法包括：
对原子频标的物理单元输出的光检信号进行放大，并对放大后的信号进行同步鉴相，得到纠偏信号；
获取原子频标工作时压控晶振的工作环境温度；
将获取到的所述工作环境温度与参考工作温度的差值转换为补偿电压；
采用所述补偿电压对所述纠偏信号进行补偿，得到压控电压，并将所述压控电压作用于所述压控晶振。
其中，所述采用所述补偿电压对所述纠偏信号进行补偿，得到压控电压，包括：
对所述补偿电压与所述纠偏信号的电压进行求和，得到所述压控电压。
其中，所述对原子频标的物理单元输出的光检信号进行放大，包括：
获取原子频标的物理单元输出的光检信号；
采用差分仪用放大电路对获取到的光检信号进行放大。
另一方面，本发明实施例还提供了一种带温度补偿的原子频标伺服电路，所述电路包括：
放大模块，用于对原子频标的物理单元输出的光检信号进行放大；
同步鉴相模块，用于对所述放大模块放大后的信号进行同步鉴相，得到纠偏信号；
温度采集模块，用于获取原子频标工作时压控晶振的工作环境温度；
温度补偿模块，用于将获取到的所述工作环境温度与参考工作温度的差值转换为补偿电压；
压控变换模块，用于采用所述补偿电压对所述纠偏信号进行补偿，得到压控电压，并将所述压控电压作用于所述压控晶振。
其中，所述同步鉴相模块包括：
模数转换器，用于对所述放大模块放大后的信号进行采集；
处理器，用于对所述模数转换器的采样值与参考信号进行同步鉴相，得到所述纠偏信号。
其中，所述温度补偿模块包括：
温度转换电路，用于将所述温度采集模块获取到的工作环境温度与所述参考工作温度的差值转换为电压差；
第一运算放大器A，用于对所述电压差进行差分放大，得到所述补偿电压；
负反馈电阻Rw，用于调节所述第一运算放大器A的增益值；
相应地，所述处理器，还用于通过控制所述负反馈电阻Rw的阻值调节所述第一运算放大器A的所述增益值。
进一步地，所述温度转换电路包括电桥，所述电桥包括热敏电阻Ra、电阻R1及两个电阻R，所述电阻R1的电阻值与所述参考工作温度对应，且所述电阻R1的温度系数与所述热敏电阻Ra相同。
其中，所述压控变换模块包括：
求和电路，用于对所述补偿电压和所述纠偏信号的电压进行求和，得到所述压控电压；
数模转换器，用于输出所述压控电压作用于所述压控晶振。
其中，所述放大模块包括：
程控放大单元，用于对所述光检信号进行增益放大；
相应地，所述处理器，还用于对所述程控放大单元的增益值进行控制。
进一步地，所述程控放大单元包括差分仪用放大电路；所述差分仪用放大电路包括第二运算放大器A1、第三运算放大器A2、第四运算放大器A3和用于调节所述第四运算放大器A3增益值的数字电位计Rk，所述数字电位计Rk连接在所述第四运算放大器A3的反相输入端以及输出端之间，所述第四运算放大器A3的同相输入端与所述第二运算放大器A1的输出端电连接，所述第四运算放大器A3的反相输入端与所述第三运算放大器A2的输出端电连接，所述第二运算放大器和所述第三运算放大器的同相输入端与所述物理单元中的光电池电连接，所述第二运算放大器和所述第三运算放大器的反相输入端通过电阻Rf连接。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将压控晶振工作时的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为电压，并将该电压补偿到纠偏信号中得到压控电压，再将压控电压作用于压控晶振，降低了工作环境温度对压控晶振的输出频率的影响，使得压控晶振输出的频率（即原子频标的输出频率）更稳定和精确。
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是本发明实施例提供的一种原子频标的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的带温度补偿的原子频标伺服方法流程图；
图3是本发明实施例二提供的带温度补偿的原子频标伺服电路结构示意图；
图4是本发明实施例二提供的带温度补偿的原子频标伺服电路中温度采集模块和温度补偿模块的电路示意图；
图5是本发明实施例二提供的带温度补偿的原子频标伺服电路中放大模块的电路示意图。
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和工作原理进行简单介绍。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、隔离放大器2、微波倍混频模块3、物理单元4、综合模块5以及伺服电路6。其中，压控晶振1用于输出原始频率信号；隔离放大器2用于将压控晶振1的输出频率信号进行隔离和放大；综合模块5用于产生一路综合调制信号和一路与该综合调制信号同频同相的参考信号；微波倍混频模块3用于对隔离放大器2的输出信号和综合模块5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4用于对微波探询信号进行鉴频，产生光检信号；伺服电路6用于对光检信号进行选频放大和方波整形并与上述参考信号进行同步鉴相，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。
实施例一
本发明实施例提供了一种带温度补偿的原子频标伺服方法，参见图2，该方法包括：
步骤101：对原子频标的物理单元输出的光检信号进行放大，并对放大后的信号进行同步鉴相，得到纠偏信号。
具体地，对原子频标的物理单元输出的光检信号进行放大，包括：
获取原子频标的物理单元输出的光检信号；
采用差分仪用放大电路对获取到的光检信号进行放大。
步骤102：获取原子频标工作时压控晶振的工作环境温度。
具体地，可以采用贴在压控晶振表面的热敏电阻测量，测量得到的电阻值用来表示压控晶振的工作环境温度。
容易知道，步骤102与上述步骤101没有先后顺序，可以同时执行，也可以分开执行。
步骤103：将获取到的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为补偿电压。
其中，参考工作温度可以是，在压控晶振稳定工作3-5个小时后，压控晶振的工作环境温度，可以通过贴于压控晶振表面上的热敏电阻事先测得。热敏电阻的阻值反映了原子频标工作时压控晶振的工作环境温度，同样，参考环境温度用一个与热敏电阻温度系数相同的固定电阻表示，该固定电阻与热敏电阻以及另外两个阻值相等的固定电阻组成一个电桥，当工作环境温度与参考工作温度不同时，即热敏电阻的阻值与表示参考环境温度的固定电阻的阻值不同时，电桥产生电压差，对该电压差进行放大得到补偿电压。
步骤104：采用补偿电压对纠偏信号进行补偿，得到压控电压，并将压控电压作用于压控晶振。
具体地，采用补偿电压对纠偏信号进行补偿得到压控电压，包括：
对补偿电压与纠偏信号的电压进行求和，得到压控电压。
本发明实施例通过将压控晶振工作时的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为电压，并将该电压补偿到纠偏信号中得到压控电压，再将压控电压作用于压控晶振，降低了工作环境温度对压控晶振的输出频率的影响，使得压控晶振输出的频率（即原子频标的输出频率）更稳定和精确。
实施例二
本发明实施例提供了一种带温度补偿的原子频标伺服电路，参见图3，该电路包括：
放大模块201，用于对原子频标的物理单元输出的光检信号进行放大；
同步鉴相模块202，用于对放大模块201放大后的信号进行同步鉴相，得到纠偏信号；
温度采集模块203，用于获取原子频标工作时压控晶振200的工作环境温度；
温度补偿模块204，用于将获取到的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为补偿电压；
压控变换模块205，用于采用补偿电压对纠偏信号进行补偿，得到压控电压，并将压控电压作用于压控晶振200。
其中，同步鉴相模块202包括：A/D（Analog to Digital Converter，模数转换器），用于对放大模块201放大后的信号进行采集；
处理器，用于对A/D的采样值与参考信号进行同步鉴相，得到纠偏信号。同步鉴相为现有技术这里不在赘述。
参见图3，温度采集模块203包括热敏电阻Ra。
参见图3，温度补偿模块204包括：温度转换电路，用于将温度采集模块203获取到的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为电压差；
第一运算放大器A，用于对电压差进行差分放大，得到补偿电压；
负反馈电阻Rw，用于调节第一运算放大器A的增益值；
相应地，处理器，还用于通过控制负反馈电阻Rw的阻值调节第一运算放大器A的增益值。
具体地，温度转换电路包括电桥，该电桥包括热敏电阻Ra和一个电阻值与参考工作温度对应的电阻R1，且电阻R1的温度系数与热敏电阻Ra相同；容易知道，该电桥还包括两个电阻R。电阻R1的阻值表示的是参考工作温度。热敏电阻Ra贴于压控晶振200的表面，用以感知压控晶振200工作时的工作环境温度。故当压控晶振200的工作环境温度无变化时，图3中电桥处于平衡。压控晶振200的工作环境温度升高（降低），则热敏电阻Ra的阻值将变小（变大），那么电桥两端存在电压差。
其中，负反馈电阻Rw可以是数字电位计。
其中，压控变换模块205包括：
求和电路，用于对补偿电压和纠偏信号的电压进行求和，得到压控电压；
D/A（Digital to Analog Converter，数模转换器），用于输出压控电压作用于压控晶振200。
容易知道，本发明实施例中A/D、D/A的范围不限于相同位数据采样，A/D、D/A也可应用于不同位采样；例如，选择8位A/D和10位D/A时，则将A/D的8位总路线直接接至10位D/A的低8位即可。
进一步地，放大模块201包括：
程控放大单元，用于对光检信号进行增益放大；
相应地，处理器，还用于对程控放大单元的增益值进行控制。
参见图4，程控放大单元包括差分仪用放大电路2011。该差分仪用放大电路2011包括第二运算放大器A1、第三运算放大器A2、第四运算放大器A3和用于调节第四运算放大器A3增益值的数字电位计Rk，数字电位计Rk连接在第四运算放大器A3的反相输入端以及输出端之间，第四运算放大器A3的同相输入端与第二运算放大器A1的输出端电连接，第四运算放大器A3的反相输入端与第三运算放大器A2的输出端电连接，第二运算放大器和第三运算放大器的同相输入端与物理单元中的光电池电连接，第二运算放大器和第三运算放大器的反相输入端通过电阻Rf连接。在原子频标中，两个光电池分别放置于原子频标中腔泡系统尾部两侧，光电池接收光谱灯发出的光经过腔泡系统后照射出的光子，并形成光检信号光电流I1、I2。光电池采集得到的光检信号I1、I2经阻抗变换后输送至第二运算放大器A1、第三运算放大器A2的同相输入端。
程控放大单元的增益值通过处理器改变数字电位计Rk的阻值进行调节，最终得到合适的信号输送到同步鉴相模块202。对于每一原子频标，由于物理系统及采用的压控晶振型号参数不同，故需要针对每一台原子频标中的程控放大单元的增益值进行设置，找到满足实际工作要求的增益值。这里增益值主要是根据压控晶振的压控斜率获得，即施加在压控晶振上的电压值引起频率变化值。压控斜率数值是压控晶振厂商提供的，是程控增益大小设置的参考依据。
本发明实施例通过将压控晶振工作时的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为电压，并将该电压补偿到纠偏信号中得到压控电压，再将压控电压作用于压控晶振，降低了工作环境温度对压控晶振的输出频率的影响，使得压控晶振输出的频率（即原子频标的输出频率）更稳定和精确。
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 (10)
1.一种带温度补偿的原子频标伺服方法，其特征在于，所述方法包括：
对原子频标的物理单元输出的光检信号进行放大，并对放大后的信号进行同步鉴相，得到纠偏信号；
获取原子频标工作时压控晶振的工作环境温度；
将获取到的所述工作环境温度与参考工作温度的差值转换为补偿电压；
采用所述补偿电压对所述纠偏信号进行补偿，得到压控电压，并将所述压控电压作用于所述压控晶振。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用所述补偿电压对所述纠偏信号进行补偿，得到压控电压，包括：
对所述补偿电压与所述纠偏信号的电压进行求和，得到所述压控电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对原子频标的物理单元输出的光检信号进行放大，包括：
获取原子频标的物理单元输出的光检信号；
采用差分仪用放大电路对获取到的光检信号进行放大。
4.一种带温度补偿的原子频标伺服电路，其特征在于，所述电路包括：
放大模块（201），用于对原子频标的物理单元输出的光检信号进行放大；
同步鉴相模块（202），用于对所述放大模块（201）放大后的信号进行同步鉴相，得到纠偏信号；
温度采集模块（203），用于获取原子频标工作时压控晶振（200）的工作环境温度；
温度补偿模块（204），用于将获取到的所述工作环境温度与参考工作温度的差值转换为补偿电压；
压控变换模块（205），用于采用所述补偿电压对所述纠偏信号进行补偿，得到压控电压，并将所述压控电压作用于所述压控晶振（200）。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述同步鉴相模块（202）包括：
模数转换器，用于对所述放大模块（201）放大后的信号进行采集；
处理器，用于对所述模数转换器的采样值与参考信号进行同步鉴相，得到所述纠偏信号。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述温度补偿模块（204）包括：
温度转换电路，用于将所述温度采集模块（203）获取到的工作环境温度与所述参考工作温度的差值转换为电压差；
第一运算放大器A，用于对所述电压差进行差分放大，得到所述补偿电压；
负反馈电阻Rw，用于调节所述第一运算放大器A的增益值；
相应地，所述处理器，还用于通过控制所述负反馈电阻Rw的阻值调节所述第一运算放大器A的所述增益值。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述温度转换电路包括电桥，所述电桥包括热敏电阻Ra、电阻R1及两个电阻R，所述电阻R1的电阻值与所述参考工作温度对应，且所述电阻R1的温度系数与所述热敏电阻Ra相同。
8.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述压控变换模块（205）包括：
求和电路，用于对所述补偿电压和所述纠偏信号的电压进行求和，得到所述压控电压；
数模转换器，用于输出所述压控电压作用于所述压控晶振（200）。
9.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述放大模块（201）包括：
程控放大单元，用于对所述光检信号进行增益放大；
相应地，所述处理器，还用于对所述程控放大单元的增益值进行控制。
10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，所述程控放大单元包括差分仪用放大电路（2011）；所述差分仪用放大电路（2011）包括第二运算放大器A1、第三运算放大器A2、第四运算放大器A3和用于调节所述第四运算放大器A3增益值的数字电位计Rk，所述数字电位计Rk连接在所述第四运算放大器A3的反相输入端以及输出端之间，所述第四运算放大器A3的同相输入端与所述第二运算放大器A1的输出端电连接，所述第四运算放大器A3的反相输入端与所述第三运算放大器A2的输出端电连接，所述第二运算放大器和所述第三运算放大器的同相输入端与所述物理单元中的光电池电连接，所述第二运算放大器和所述第三运算放大器的反相输入端通过电阻Rf连接。
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