CN103326719A

CN103326719A - 一种用于原子频标的压控晶振装置

Info

Publication number: CN103326719A
Application number: CN2013102152540A
Authority: CN
Inventors: 雷海东
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明公开了一种用于原子频标的压控晶振装置，属于原子频标领域。所述装置包括：压控晶体振荡器，所述压控晶振装置还包括第一电压基准，与所述压控晶体振荡器处于同一工作环境中，用于为所述压控晶体振荡器提供预置的第一纠偏电压；所述第一电压基准的温度系数乘以所述压控晶体振荡器的压控斜率后、加上所述压控晶体振荡器的温度系数等于零；处理模块，用于根据同步鉴相模块的鉴相结果得到第二纠偏电压，为所述压控晶体振荡器提供所述第二纠偏电压。本发明使VCXO输出不受温度变化的影响。

Description

一种用于原子频标的压控晶振装置

技术领域

本发明涉及原子频标领域，特别涉及一种用于原子频标的压控晶振装置。

背景技术

原子频标作为高稳定、高精度的时钟源，正被广泛应用于航天、导航和通讯等众多领域。

现有的原子频标主要包括VCXO（Voltage Controlled X'tal Oscillator，压控晶体振荡器）、微波探询信号产生模块、量子系统和同步鉴相模块。其中，VCXO输出的信号经过微波探询信号产生模块的综合、倍频和混频处理产生微波探询信号，该微波探询信号作用于量子系统后，产生量子鉴频信号；同步鉴相模块将该量子鉴频信号与微波探询信号产生模块提供的参考信号进行同步鉴相，产生纠偏电压作用于VCXO，从而改变VCXO的输出，进而将VCXO输出锁定于原子基态超精细0-0中心频率上。

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：在实际的原子频标应用中，当VCXO的工作温度发生微小变化时，VCXO输出信号的频率将随之产生偏移，从而影响原子频标整机输出的稳定度。

发明内容

为了解决VCXO输出信号的频率受温度变化影响的问题，本发明实施例提供了一种用于原子频标的压控晶振装置。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种用于原子频标的压控晶振装置，所述原子频标包括用于提供量子鉴频信号的量子系统、以及用于将所述量子系统提供的量子鉴频信号与参考信号进行同步鉴相，得到鉴相结果的同步鉴相模块，所述压控晶振装置包括VCXO，所述压控晶振装置还包括：

第一电压基准，与所述VCXO处于同一工作环境中，用于为所述VCXO提供预置的第一纠偏电压；所述第一电压基准的温度系数乘以所述VCXO的压控斜率后、加上所述VCXO的温度系数等于零；

处理模块，用于根据所述同步鉴相模块的鉴相结果得到第二纠偏电压，为所述VCXO提供所述第二纠偏电压。

可选地，所述压控晶振装置还包括：

数模转换模块，用于在参考电压的作用下，对所述处理模块提供的第二纠偏电压进行数模转换，并将转换后的第二纠偏电压输出至所述VCXO。

可选地，所述压控晶振装置还包括：

第二电压基准，与所述VCXO处于同一工作环境中，用于为所述数模转换模块提供所述参考电压；所述第一电压基准的温度系数与所述第二电压基准的温度系数相同。

优选地，所述处理模块用于：

在预置的鉴相结果与纠偏电压的对应关系中，获取所述同步鉴相模块的鉴相结果对应的纠偏电压，并将所述鉴相结果对应的纠偏电压减去所述预置的第一纠偏电压，得到并输出所述第二纠偏电压。

可选地，所述处理模块还用于：

判断所述第二纠偏电压是否在预定范围内；

当所述第二纠偏电压在所述预定范围内时，输出所述第二纠偏电压；当所述第一纠偏电压未在所述预定范围内时，将预置的纠偏电压作为所述第二纠偏电压并输出。

可选地，所述处理模块还用于s：

采用补偿纠偏电压对得到的所述第二纠偏电压进行补偿，输出补偿后的所述第二纠偏电压至所述VCXO，所述补偿纠偏电压等于所述VCXO的日老化漂移率乘以所述VCXO的压控斜率。

可选地，所述处理模块还用于：

确定所述工作环境的温度；

所述压控晶振装置还包括：

温度控制模块，用于控制所述工作环境的温度为所述处理模块确定的工作环境的温度。

优选地，所述温度控制模块包括：

检测单元，用于检测所述工作环境的实际温度，并将所述所述工作环境的实际温度传递给所述处理模块；

调节单元，用于将所述工作环境的温度，调节为所述处理模块确定出的工作环境的温度。

优选地，所述检测单元包括热敏电阻。

优选地，所述调节单元包括温控芯片。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过第一电压基准与VCXO处于同一工作环境中，第一电压基准为VCXO提供预置的第一纠偏电压，第一电压基准的温度系数乘以VCXO的压控斜率后、加上VCXO在确定出的工作温度下具有的温度系数等于零；由于随着温度的变化，VCXO受温度的影响，其输出信号的频率也随之发生变化；同时，第一电压基准受温度的影响，其输出的电压也随之变化；而当第一电压基准输出的电压也随之变化时，VCXO受第一电压基准输出的电压的影响，输出信号的频率也将发生变化；因此，电压导致VCXO输出信号的频率的变化将抵消温度导致VCXO输出信号的频率的变化，从而使VCXO输出信号的频率不受温度变化的影响，提高了原子频标整机的稳定度。

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是本发明实施例提供的一种用于原子频标的压控晶振装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的又一种用于原子频标的压控晶振装置的结构示意图。

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。

为便于理解本发明实施例提供的技术方案，下面以图1所示的原子频标为例，对原子频标进行介绍。参见图1，该原子频标包括同步鉴相模块1、VCXO2、微波探询信号产生模块3和量子系统4。其中，微波探询信号产生模块3产生源于VCXO2输出信号的微波探询信号。量子系统4经该微波探询信号的微波探询作用，产生量子鉴频信号。同步鉴相模块1将该量子鉴频信号与微波探询信号产生模块3提供的参考信号进行同步鉴相，产生纠偏电压作用于VCXO2，从而改变VCXO2的输出信号的频率。容易知道，图1所示的原子频标仅为原子频标的其中一种结构，原子频标的结构不限于图1所示的原子频标的结构。

实施例

本发明实施例提供了一种用于原子频标的压控晶振装置，该压控晶振装置适用于任何原子频标（例如图1所示的原子频标）。该原子频标包括用于提供量子鉴频信号的量子系统、以及用于将量子系统提供的量子鉴频信号与参考信号进行同步鉴相，得到鉴相结果的同步鉴相模块。基于此，参见图2，本发明实施例提供的压控晶振装置包括VCXO100。该压控晶振装置还包括：

第一电压基准101，与VCXO100处于同一工作环境中，用于为VCXO100提供预置的第一纠偏电压。第一电压基准101的温度系数乘以VCXO100的压控斜率后、加上VCXO100的温度系数等于零。处理模块102，用于根据同步鉴相模块21的鉴相结果得到第二纠偏电压，为VCXO100提供该第二纠偏电压。

第一电压基准101的温度系数为，温度每变化1℃，第一电压基准101输出的电压相对于温度变化前输出的电压的变化率。

VCXO100的温度系数为，温度每变化1℃，VCXO100输出信号的频率相对于温度变化前输出信号的频率的变化率。VCXO100的压控斜率为，VCXO100输出信号的频率相对于输入VCXO100电压的变化率。

第一电压基准101和VCXO100的温度系数可以由生产厂商提供，或者通过试验获取。以通过试验获取VCXO100的温度系数为例，介绍该试验过程。首先，将VCXO放在一个恒温的环境内，该环境的温度可调，可调步长为0.1度（按照所需精度的不同，该可调步长可以不同）。然后，按可调步长，逐渐改变VCXO工作的环境温度，并采用计数器记录VCXO相应的输出频率值，得到VCXO的输出信号的频率随温度变化的变化程度，即温度系数。

其中，第一电压基准101与VCXO100连接，用于为VCXO100提供预置的第一纠偏电压。第一电压基准101与VCXO100在同一工作环境中。也就是说，第一电压基准101与VCXO100的工作环境的温度是相同的。

其中，处理模块102分别与同步鉴相模块21和VCXO100连接，用于根据同步鉴相模块1的鉴相结果得到第二纠偏电压，为VCXO100提供该第二纠偏电压。

优选地，处理模块102用于：在预置的鉴相结果-纠偏电压的对应关系中，获取同步鉴相模块21的鉴相结果对应的纠偏电压；将鉴相结果对应的纠偏电压减去预置的第一纠偏电压，得到并输出第二纠偏电压。

具体地，同步鉴相模块21的鉴相结果可以为量子鉴频信号的频率。鉴相结果-纠偏电压的对应关系可以包括：量子鉴频信号的频率与输入VCXO100的纠偏电压值之间的映射关系，该纠偏电压值决定了VCXO100输出信号的频率为量子鉴频信号的频率。鉴相结果-纠偏电压的对应关系可以预先设置在处理模块102中。

具体地，鉴相结果对应的纠偏电压由第二纠偏电压和第一纠偏电压组成。由于第一电压基准101为VCXO100提供了预置的第一纠偏电压，因此，处理模块102将获取的鉴相结果对应的纠偏电压减去预置的第一纠偏电压，得到第二纠偏电压并提供给VCXO100。

可选地，处理模块102还用于：判断第二纠偏电压是否在预定范围内；当第二纠偏电压在预定范围内时，输出该第二纠偏电压；当第二纠偏电压未在预定范围内时，将预置的纠偏电压作为第二纠偏电压并输出。

具体地，处理模块102中存储了第二纠偏电压的预定范围，该预定范围决定了VCXO100输出信号频率的范围。假设该预定范围为[V1，V2]，V1>V2。在处理模块102获取第二纠偏电压值V后，判断V是否位于[V1，V2]，若V不位于[V1，V2]（V>V2或V<V1），则将预置的纠偏电压值V0作为第一纠偏电压并输出，反之，若V位于[V1，V2]（V1<V<V2），则输出V。这样，将原子频标整机输出频率控制在小范围内，使原子频标输出频率呈线性变化，便于采用现有的测量方案（先按最小二乘法扣除漂移再利用阿仑方差计算稳定度）对原子频标整机输出信号的频率稳定度进行评估。

可选地，处理模块102还用于：采用补偿纠偏电压对得到的第二纠偏电压进行补偿，输出补偿后的第二纠偏电压至VCXO100，该补偿纠偏电压等于VCXO100的日老化漂移率乘以VCXO100的压控斜率。

具体地，VCXO100的日老化漂移率为，VCXO100每日的老化漂移率。日老化漂移率可以根据VCXO100的年老化漂移率计算（年老化漂移率除以365）。年老化漂移率可以由VCXO100的生产厂商提供。

具体地，补偿纠偏电压将引起VCXO100输出信号的频率发生变化，该频率的变化可以补偿VCXO100因为老化漂移引起的频率变化影响，进而提高原子钟整机输出信号的稳定度。

可选地，处理模块102还用于：确定工作环境的温度。

相应地，该压控晶振装置还包括：温度控制模块103，该温度控制模块103用于控制工作环境的温度为处理模块102确定出的工作环境的温度。

优选地，参见图3，温度控制模块103包括：

检测单元1031，与处理模块102连接，用于检测工作环境的实际温度，并将实际温度传递给处理模块102。相应地，处理模块102用于，比较实际温度与确定出的工作环境的温度，得到比较结果。优选地，检测单元1031可以包括热敏电阻。

调节单元1032，与第一处理模块102连接，用于根据处理模块102得到的比较结果，将工作环境的温度调节为处理模块102确定出的工作环境的温度。优选地，调节单元1032可以包括温控芯片。

优选地，参见图3，该压控晶振装置还包括数模转换模块104：该数模转换模块104分别与VCXO100和处理模块102连接，用于在参考电压的作用下，对处理模块102提供的第二纠偏电压进行数模转换，并将转换后的第二纠偏电压输出至VCXO100。

具体地，数模转换模块104的结构同现有数模转换模块的结构，在此不再详述。

优选地，参见图3，该压控晶振装置还包括第二电压基准105：该第二电压基准105与数模转换模块104连接、且与VCXO100处于同一工作环境中，用于为数模转换模块104提供参考电压。第一电压基准101的温度系数与第二电压基准105的温度系数相同。

具体地，第一电压基准101和第二电压基准105分别具有与VCXO100相反的温度特性。例如，假设第一电压基准101或第二电压基准105的温度系数分别为-1E-3（V/℃），VCXO100具有的温度系数为+1E-10（℃），VCXO100的压控斜率为1E-7（V）。这样可以得到，-1E-3（V/℃）×1E-7（V）+1E-10（℃）=0。

随着工作环境的温度的变化，VCXO100输出信号的频率随温度变化发生变化，同时，第一电压基准101和第二电压基准105输出的电压也随温度的变化而变化。针对第一电压基准101，当第一电压基准101输出的第一纠偏电压发生变化时，由于第一电压基准101输出的第一纠偏电压是输入至VCXO100的，因此，第一电压基准101输出的变化电压将直接导致VCXO100输出信号的频率的变化。针对第二电压基准105，当第二电压基准105输出的电压发生变化时，由于第二电压基准105为数模转换模块104提供参考电压，并且参考电压的变化将使数模转换模块104输出的电压发生变化，因此，在数模转换模块104输入的变化的电压作用下，VCXO100输出信号的频率将发生变化。也就是说，随着温度的变化，VCXO100受温度的影响，其输出信号的频率随之发生变化。而第一电压基准101和第二电压基准105受温度的影响，两者输出的电压也随之发生变化。这样，当第一电压基准101和第二电压基准105输出的电压也随之变化时，VCXO100输出信号的频率也将发生变化。电压导致VCXO100输出信号的频率的变化将抵消温度导致VCXO100输出信号的频率的变化，从而使VCXO100输出信号的频率不受温度变化的影响，提高了原子频标整机的稳定度。

本发明实施例提供的上述装置带来的有益效果是：通过第一电压基准与VCXO处于同一工作环境中，第一电压基准为VCXO提供预置的第一纠偏电压，第一电压基准的温度系数乘以VCXO的压控斜率后、加上VCXO在确定出的工作温度下具有的温度系数等于零；由于随着温度的变化，VCXO受温度的影响，其输出信号的频率也随之发生变化；同时，第一电压基准受温度的影响，其输出的电压也随之变化；而当第一电压基准输出的电压也随之变化时，VCXO受第一电压基准输出的电压的影响，输出信号的频率也将发生变化；因此，电压导致VCXO输出信号的频率的变化将抵消温度导致VCXO输出信号的频率的变化，从而使VCXO输出信号的频率不受温度变化的影响，提高了原子频标整机的稳定度。

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

1.一种用于原子频标的压控晶振装置，所述原子频标包括用于提供量子鉴频信号的量子系统、以及用于将所述量子系统提供的量子鉴频信号与参考信号进行同步鉴相，得到鉴相结果的同步鉴相模块，所述压控晶振装置包括压控晶体振荡器，其特征在于，所述压控晶振装置还包括：

第一电压基准，与所述压控晶体振荡器处于同一工作环境中，用于为所述压控晶体振荡器提供预置的第一纠偏电压；所述第一电压基准的温度系数乘以所述压控晶体振荡器的压控斜率后、加上所述压控晶体振荡器的温度系数等于零；

处理模块，用于根据所述同步鉴相模块的鉴相结果得到第二纠偏电压，为所述压控晶体振荡器提供所述第二纠偏电压。

2.根据权利要求1所述的压控晶振装置，其特征在于，所述压控晶振装置还包括：

数模转换模块，用于在参考电压的作用下，对所述处理模块提供的第二纠偏电压进行数模转换，并将转换后的第二纠偏电压输出至所述压控晶体振荡器。

3.根据权利要求2所述的压控晶振装置，其特征在于，所述压控晶振装置还包括：

第二电压基准，与所述压控晶体振荡器处于同一工作环境中，用于为所述数模转换模块提供所述参考电压；所述第一电压基准的温度系数与所述第二电压基准的温度系数相同。

4.根据权利要求3所述的压控晶振装置，其特征在于，所述处理模块用于：

5.根据权利要求1-4任一项所述的压控晶振装置，其特征在于，所述处理模块还用于：

判断所述第二纠偏电压是否在预定范围内；

6.根据权利要求1-4任一项所述的压控晶振装置，其特征在于，所述处理模块还用于：

采用补偿纠偏电压对得到的所述第二纠偏电压进行补偿，输出补偿后的所述第二纠偏电压至所述压控晶体振荡器，所述补偿纠偏电压等于所述压控晶体振荡器的日老化漂移率乘以所述压控晶体振荡器的压控斜率。

7.根据权利要求1-4任一项所述的压控晶振装置，其特征在于，所述处理模块还用于：

确定所述工作环境的温度；

所述压控晶振装置还包括：

8.根据权利要求7所述的压控晶振装置，其特征在于，所述温度控制模块包括：

9.根据权利要求8所述的压控晶振装置，其特征在于，所述检测单元包括热敏电阻。

10.根据权利要求8所述的压控晶振装置，其特征在于，所述调节单元包括温控芯片。