CN105953917B - 用于汞离子微波频标荧光探测的差分式信号甄别电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于汞离子微波频标荧光探测的差分式信号甄别电路，涉及汞离子微波频标荧光探测技术领域。本发明的结构是：荧光放大电路、反相模块、驱动模块依次连接，驱动模块输出端接入差分甄别模块的正输入端，差分甄别模块通过电平转换模块将得到的高速差分信号送入荧光采集装置；电压参考模块和差分甄别模块的负输入端连接，提供一种精准的参考电压。本发明在差分甄别模块添加了迟滞回路，具有更强的抗干扰能力和降噪功能；驱动模块以及参考电压模块的添加与改进使整个电路具有更强的实用性；电路输出的差分信号可直接由可编程逻辑器件构成的荧光采集装置采集，能在汞离子微波频标小型化系统中使用。
Description
技术领域
本发明涉及汞离子微波频标荧光探测技术领域，尤其涉及一种用于汞离子微波频标荧光探测的差分式信号甄别电路。
背景技术
汞离子微波频标是一种新型的被动型原子频标，其物理系统采用囚禁离子物理体系，不同于传统微波频标的物理系统，它通过加在特定构型的阱电极上的静电、磁场或射频场，将作为工作物质的汞离子，长时间地约束在恒定的、几乎无电磁干扰的的超高真空区，处于上述条件下的离子，具有基本不受实物粒子和场的影响、运动效应小和量子态相干时间长等内在特点，各种频移很小。同时，囚禁的汞离子作为工作物质，其对空间环境中的温度和磁场变化相对不敏感，具有很强的环境适应性。汞离子基态的超精细结构分裂大（40.5GHz），离子囚禁在超高真空中的“自由空间”里，无器壁、杂质粒子的碰撞，钟跃迁谱线线宽极窄（可达毫赫兹），Q（品质因数）值高。汞离子微波频标因囚禁离子体系和汞离子自身的特点，具有优异的长期稳定度和极低的漂移率，并且能够长期连续运行，易于小型化，是新一代高性能地面守时和星载原子钟的首选。
汞离子微波频标工作原理如下：本地振荡器发出10MHz频率信号，并经过频率综合器，产生频率在钟跃迁频率（约40.5GHz）附近的微波辐射场；再利用汞同位素谱灯进行光抽运选态，实现光-微波双共振，使汞离子发出钟跃迁荧光；钟跃迁荧光信号的强度代表汞离子与微波相互作用时的跃迁几率，能够反映微波辐射场频率与钟跃迁频率偏差的大小；通过频率偏差产生纠偏电压对本地振荡器的频率进行反馈控制，使本地振荡器输出频率锁定在汞离子的钟跃迁谱线上，实现稳定的频率输出。其电子系统包括离子囚禁系统以及荧光探测和控制系统。荧光探测系统检测囚禁离子阱中的离子在抽运光的作用下自发辐射的荧光信号，通过光电倍增管转换成微弱电信号。弱电信号为高速负脉冲信号，通过荧光采集、放大、以及信号电压甄别，将弱荧光信号装换成高信噪比的压控信号，用于锁定恒温晶振频率。因此，在整个频标的电子系统中，囚禁离子的荧光探测是非常重要的环节，荧光信号的信噪比直接影响汞离子微波频标的性能指标。
目前，汞离子微波频标实验系统采用商用前置放大器将光电倍增管输出信号放大，再利用商用光子计数器对信号进行计数，最后利用计算机软件LABVIEW控制数据采集卡得到本振晶振的电压控制信号，其系统庞大、稳定性差。为研制高性能、小型化汞离子微波频标，本发明研制了一种用于汞离子微波频标荧光探测的差分式信号甄别电路取代传统商业仪器，差分信号能被可编程逻辑器件直接采集，使整个荧光光子的数据采集单元数字化、集成化，具有体积小、重量轻的特点，大大降低了整个电路的功耗，进一步提高了汞离子微波频标系统中荧光信号的采集精度，为实现小型化汞离子微波频标应用奠定技术基础。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在缺点和不足，提供一种用于汞离子微波频标荧光探测的差分式信号甄别电路。
本发明的目的是这样实现的：
本发明包括现有的荧光放大电路、荧光采集装置和直流稳压电源；
设置有反相模块、驱动模块、电压参考模块、差分甄别模块和电平转换模块；
其连接关系是：
荧光放大电路、反相模块、驱动模块依次连接，驱动模块输出端接入差分甄别模块的正输入端，差分甄别模块通过电平转换模块将得到的高速差分信号送入荧光采集装置；
直流稳压电源为反相模块、驱动模块、电压参考模块、差分甄别模块和电平转换模块供电，电压参考模块和差分甄别模块的负输入端连接，提供一种精准的参考电压。
与现有技术相比，本发明具有下列优点和积极效果：
①与一种单光子计数放大/甄别电路（CN201110200406）相比，本发明更具体地针对甄别电路，利用了较低功耗的差分式信号处理方法，在差分甄别模块添加了迟滞回路，具有更强的抗干扰能力和降噪功能；驱动模块以及参考电压模块的添加与改进使整个电路具有更强的实用性，能匹配不同状况下的信号；
②电路输出的差分信号可直接由可编程逻辑器件构成的荧光采集装置采集，摒弃了商用仪器，为整个荧光探测系统的小型化奠定了基础；
③荧光探测过程中，荧光信号是脉宽约2.5ns高速不规则信号，本发明能够将荧光放大电路输出的高速模拟信号转换成数字脉冲信号，数字信号具有更高的信噪比，能提高后级荧光采集精度；
④差分式信号甄别电路通过R22电阻和R23电阻构成迟滞差分比较器，能在一定程度上增强高速信号的抗干扰能力，进一步提高采集精度。
⑤不仅能在汞离子微波频标小型化系统中使用，更能做类似信号处理的一般化推广使用。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为反相模块的电路原理图；
图3为驱动模块的电路原理图；
图4为电压参考模块的电路原理图；
图5为差分甄别模块的电路原理图；
图6为电平转换模块的电路原理图。
图中：
100—荧光放大电路；
200—反相模块,
201—R1电阻，202—R2电阻，203—R3电阻，204—R4电阻，205—R5电阻，
206—C1电容，207—C2电容，208—U1高速运放芯片；
300—驱动模块，
301—R6电阻，302—R7电阻，303—R8电阻，304—R9电阻,305—C3电容，
306—C4电容，307—C5电容，308—U2高速运放芯片；
309—Q1三极管；
400—电压参考模块，
401—R10电阻，402—R11电阻，403—R12电阻，404—R13电阻，
405—R14可变电阻，406—R15电阻，407—R16电阻，408—R17电阻，
409—R18电阻，410—C6电容，411—C7电容，412—C8电容，413—C9电容，
414—U3高速运放芯片，415—Q2三极管；
500—差分甄别模块，
501—R19电阻，502—R20电阻，503—R21电阻，504—R22电阻，
505—R23电阻，506—R24电阻,507—C10电容，508—C11电容,
509—U4高速PECL/LVPECL比较器；
600—电平转换模块，
601—R25电阻，602—R26电阻，603—R27电阻，604—R28电阻，
605—R29电阻，606—R30电阻，607—R31电阻，608—C12电容，
609—C13电容，610—U5差分型LVPECL转LVDS电平转换器；
700—荧光采集装置；
800—直流稳压电源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、结构
1、总体
如图1，本发明包括现有的荧光放大电路100、荧光采集装置700和直流稳压电源800；
设置有反相模块200、驱动模块300、电压参考模块400、差分甄别模块500和电平转换模块600；
其连接关系是：
荧光放大电路100、反相模块200、驱动模块300依次连接，驱动模块300输出端接入差分甄别模块500的正输入端，差分甄别模块500通过电平转换模块600将得到的高速差分信号送入荧光采集装置700；
直流稳压电源800为反相模块200、驱动模块300、电压参考模块400、差分甄别模块500和电平转换模块600供电，电压参考模块400和差分甄别模块500的负输入端连接，提供一种精准的参考电压。
2、功能电路
1）荧光放大电路100
荧光放大电路100是一种对光电倍增管输出的荧光信号进行信号放大的电路。
2）反相模块200
如图2，反相模块200是一种由高速运放芯片U1构成电压放大比为-1的比例放大电路，包括R1电阻201、R2电阻202、R3电阻203、R4电阻204、R5电阻205、C1电容206、C2电容207、U1高速运放芯片208；
其连接关系是：
U1高速运放芯片208由直流稳压电源800的+5V和-5V供电，U1高速运放芯片208的供电引脚端分别接C1电容206和C2电容207到地，R2电阻202一端与U1高速运放芯片208的正极输入端口连接，R2电阻202的另一端与R1电阻201连接并连接荧光放大电路100，R1电阻201另一端连接到地，R3电阻203连接U1高速运放芯片208的负极输入端口到地，R4电阻204两端分别与U1高速运放芯片208的正极输入端和输出端相连，R5电阻205连接U1高速运放芯片208的输出端到地。
上述的C 1电容206和C2电容207为0.1uF陶瓷电容；
U1高速运放芯片208选用AD8045。
其工作机理是：
荧光放大电路100输出的信号是光电倍增管产生的负电压信号，通过反相模块200，得到电压放大比为-1的正电压信号，能被后级做进一步处理。
3）驱动模块300
如图3，驱动模块300是一种由U2高速运放芯片308和Q1三极管309构成的射极跟随器，包括R6电阻301、R7电阻302、R8电阻303、R9电阻304、C3电容305、 C4电容306、C5电容307、U2高速运放芯片308和Q1三极管309；
其连接关系是：
U2高速运放芯片308由直流稳压电源800的+5V和-5V供电，U2高速运放芯片308供电引脚分别接C3电容305和C4电容306到地，反相模块200输出端与运放U2高速运放芯片308负输入端连接，C5电容307与U2高速运放芯片308正输入端和输出端连接，U2高速运放芯片308输出端通过R6电阻301与Q1三极管309基极连接，U2高速运放芯片308正输入端通过R7电阻302与Q1三极管309射极连接，Q1三极管309集电极通过R8电阻303连接到直流稳压电源800的+5V，Q1三极管309射极通过R9电阻304连接到直流稳压电源800的-5V。
上述的C3电容305和C4电容306为0.1uF陶瓷电容；
U2高速运放芯片308选用AD8045。
其工作机理是：
驱动模块300通过U2高速运放芯片308和Q1三极管309构成的射极跟随器，对信号进行一定的电流放大，使输出的信号具备更强的驱动能力，以便被差分甄别模块500甄别。
4）电压参考模块400
如图4，电压参考模块400是一种由U3高速运放芯片414与Q2三极管415构成电压参考电路，包括R10电阻401、R11电阻402、R12电阻403、R13电阻404、R14可变电阻405、R15电阻406、R16电阻407、R17电阻408、R18电阻409、C6电容410、C7电容411、C8电容412、C9电容413、U3高速运放芯片414、Q2三极管415和P2接口416；
其连接关系是：
U3高速运放芯片414由直流稳压电源800的+5V和-5V供电，U3高速运放芯片414供电引脚端分别接C7电容411和C8电容412到地；P2接口416的1脚通过R10电阻401和R11电阻402与U3高速运放芯片414的负输入端连接，R10电阻401和R11电阻402之间接R13电阻404到地，同时接R12电阻403到R14可变电阻405调节引脚，R14可变电阻405另外两个固定引脚分别连接直流稳压电源800的+5V和-5V；C6电容410连接U3高速运放芯片414的负输入端到地，C9电容413与U3高速运放芯片414的正输入端和输出端连接，U3高速运放芯片414输出端通过R15电阻406与Q2三极管415基极连接，U3高速运放芯片414的正输入端通过R16电阻407与Q2三极管415射极连接，Q2三极管415集电极通过R17电阻408连接到直流稳压电源800的+5V，Q2三极管415射极通过R18电阻409连接到直流稳压电源800的-5V。
上述的C7电容411和C8电容412为0.1uF陶瓷电容；
U3高速运放芯片414选用AD8045。
其工作机理是：
电压参考模块400通过可选择的P2接口416连接外部电压参考或者R14可变电阻405调节直流稳压电源800的+5V到-5V的偏压得到一个基准电压，通过U3高速运放芯片414与Q2三极管415构成射极跟随器增加基准电压的驱动能力，形成驱动能力较强的参考电压，适应差分甄别模块500的电压参考要求。
5）差分甄别模块500
如图5，差分甄别模块500是一种由U4差分式PECL/LVPECL高速比较器芯片509构成的迟滞电压比较电路，包括R19电阻501、R20电阻502、R21电阻503、R22电阻504、R23电阻505、R24电阻506、C10电容507、C11电容508、U4差分式PECL/LVPECL高速比较器芯片509；
其连接关系是：
差分甄别模块500的供电引脚端接直流稳压电源800的+3.3V，同时接C10电容507和C11电容508到地，所述驱动模块300的输出端通过R19电阻501与U4差分式PECL/LVPECL高速比较器芯片509的正输入端连接，所述电压参考模块400的输出端通过R20电阻502与U4差分式PECL/LVPECL高速比较器芯片509的负输入端连接，R21电阻503两端分别连接U4差分式PECL/LVPECL高速比较器芯片509的正输入端和正输出端，R22电阻504两端分别连接U4差分式PECL/LVPECL高速比较器芯片509的负输入端和负输出端，U4差分式PECL/LVPECL高速比较器芯片509的正输出端和负输出端分别通过上拉R23电阻505和R24电阻506连接到直流稳压电源的+2.5V。
上述的C11电容508为极性电解电容；
U4差分式PECL/LVPECL高速比较器芯片509选用ADCMP553。
其工作机理是：
差分甄别模块500是一种的迟滞电压比较电路，信号由U4差分式PECL/LVPECL高速比较器芯片509正输入端输入，U4差分式PECL/LVPECL高速比较器芯片509的负输入端连接电压参考模块400提供一定的电压参考，对正输入端信号进行电压比较；差分甄别模块500通过R21电阻503和R22电阻504构成U4差分式PECL/LVPECL高速比较器芯片509正负两个输入输出端口的迟滞回路，迟滞回路能使信号有更强的抗干扰能力，但过强的迟滞效应会将原始输入信号滤除，电路调节过程中，可根据电路产生信号的情况选择其中一路或者两路迟滞回路构成迟滞比较器，选择其中一路迟滞回路时，另一路断开。
6）电平转换模块600
如图6，电平转换模块600是一种由U5差分型LVPECL（Low Voltage PositiveEmitter-Couple Logic）转LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）电平转换器构成的信号电压模式转换电路，包括R25电阻601、R26电阻602、R27电阻603、R28电阻604、R29电阻605、R30电阻606、R31电阻607、C12电容608、C13电容609和U5差分型LVPECL转LVDS电平转换器610；
其连接关系是：
电平转换模块600的供电引脚接稳压电源800的+3.3V，同时接C12电容608和C13电容609到地，差分甄别模块500的正输出端口和负输出端口分别通过R25电阻601和R26电阻602与U5差分型LVPECL转LVDS电平转换器610的正输入端口和负输入端口，R27电阻603和R28电阻604分别连接U5差分型LVPECL转LVDS电平转换器610的正输入端口和负输入端口到地；U5差分型LVPECL转LVDS电平转换器610的正输出端口和负输出端口分别通过R29电阻605和R30电阻606连接到荧光采集装置700，同时U5差分型LVPECL转LVDS电平转换器610的正输出端口和负输出端口之间通过R31电阻607连接。
上述的C12电容608为极性电解电容。
其工作机理是：
差分甄别模块500输出的信号是LVPECL电平的数字脉冲信号，通过U5差分型LVPECL转LVDS电平转换器610转换成LVDS电平的脉冲信号，以便被后级荧光采集装置700做进一步信号处理。
7）荧光采集装置700
荧光采集装置700是一种由可编程逻辑器件组成的数据采集装置。
其功能是对处理后的荧光信号进行数据采集，并转换成压控信号控制汞离子微波频标系统中的恒温晶振。
二、工作机理
本发明主要实现功能是将荧光放大电路100输出的信号进行模数转换和降噪处理，输出到由可编程逻辑器件构成的荧光采集装置700进行采集处理。
荧光放大电路100输出的是由光电倍增管产生并按一定比例放大的负电压信号，附带较多的噪声信号，且驱动能力较差；本发明首先通过反相模块200将荧光放大电路100输出的信号进行反相处理，然后通过驱动模块300的电流放大作用增加信号驱动能力，再进入差分甄别模块500；差分甄别模块500正输入端连接驱动模块300输出端，接收待处理信号；差分甄别模块500负输入端连接电压参考模块400，以获得甄别参考电压；电压参考模块400由双端口可选择输入参考电压连接射极跟随器构成，既可以通过P2接口416连接外部直流电压信号提供相应参考电压，也可通过R14可变电阻405调节直流稳压电源提供的-5V到+5V得到相应分压；电压参考模块400中射极跟随器的添加能使参考电压具有更好的驱动能力，满足不同状况下的电压参考需求；差分甄别模块500采用了可选择性双迟滞比较电路，能通过连通一路或者两路迟滞回路增强射频信号的抗干扰能力；差分甄别模块500的电压比较功能可以对输入信号进行整形降噪处理，进一步提高信号信噪比，其输出信号为差分式脉冲信号，这样的信号通过电平转换模块600处理后能被可编程逻辑器件直接采集，能有效降低系统整体功耗，减小系统体积，对系统小型化有着重要的意义。
三、实验结果
本发明以100MHz射频小信号进行测试，通过荧光采集装置700后，得到的光子采集相对误差低至4.48×10-8，功耗仅1W左右。实验结果表明，本发明不仅能降低系统体积功耗，更能精准地采集荧光信号。
四、应用
本发明主要应用于汞离子微波频标荧光探测系统中对荧光信号的处理，也适用于高速微弱负电压信号的处理。本发明不仅能在汞离子微波频标小型化系统中使用，更能做类似信号处理的一般化推广使用。
Claims (1)
1.一种用于汞离子微波频标荧光探测的差分式信号甄别电路，包括现有的荧光放大电路(100)、荧光采集装置(700)和直流稳压电源(800)；
其特征在于：
设置有反相模块(200)、驱动模块(300)、电压参考模块(400)、差分甄别模块(500)和电平转换模块(600)；
其连接关系是：
荧光放大电路(100)、反相模块(200)、驱动模块(300)依次连接，驱动模块(300)输出端接入差分甄别模块(500)的正输入端，差分甄别模块(500)通过电平转换模块(600)将得到的高速差分信号送入到荧光采集装置(700)；
直流稳压电源(800)为反相模块(200)、驱动模块(300)、电压参考模块(400)、差分甄别模块(500)和电平转换模块(600)供电，电压参考模块(400)与差分甄别模块(500)的负输入端连接，提供一种精准的参考电压；
所述的反相模块(200)是一种由U1高速运放芯片(208)构成电压放大比为-1的比例放大电路，包括R1电阻(201)、R2电阻(202)、R3电阻(203)、R4电阻(204)、R5电阻(205)、C1电容(206)、C2电容(207)、U1高速运放芯片(208)；
所述的驱动模块(300)是一种由U2高速运放芯片(308)和Q1三极管(309)构成的射极跟随器，包括R6电阻(301)、R7电阻(302)、R8电阻(303)、R9电阻(304)、C3电容(305)、C4电容(306)、C5电容(307)、U2高速运放芯片(308)和Q1三极管(309)；
所述的电压参考模块(400)是一种由U3高速运放芯片(414)与Q2三极管(415)构成电压参考电路，包括R10电阻(401)、R11电阻(402)、R12电阻(403)、R13电阻(404)、R14可变电阻(405)、R15电阻(406)、R16电阻(407)、R17电阻(408)、R18电阻(409)、C6电容(410)、C7电容(411)、C8电容(412)、C9电容(413)、U3高速运放芯片(414)、Q2三极管(415)和P2接口(416)；
所述的差分甄别模块(500)是一种由U4差分式PECL/LVPECL高速比较器芯片(509)构成的迟滞电压比较电路，包括R19电阻(501)、R20电阻(502)、R21电阻(503)、R22电阻(504)、R23电阻(505)、R24电阻(506)、C10电容(507)、C11电容(508)、U4差分式PECL/LVPECL高速比较器芯片(509)；
所述的电平转换模块(600)是一种由U5差分型LVPECL转LVDS电平转换器构成的信号电压模式转换电路，包括R25电阻(601)、R26电阻(602)、R27电阻(603)、R28电阻(604)、R29电阻(605)、R30电阻(606)、R31电阻(607)、C12电容(608)、C13电容(609)和U5差分型LVPECL转LVDS电平转换器(610)。
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