CN106571810A - 一种原子频标设备温度系数补偿装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种原子频标设备温度系数补偿装置和方法，解决原子频标设备温度系数不易调试、不易控制的问题。所述原子频标设备温度系数补偿装置包括热敏电阻、恒流源电路、补偿电路、C场电路；热敏电阻位于所述原子频标设备的温度敏感区；恒流源电路与热敏电阻相连，输出恒定电流用于所述热敏电阻产生温度检测电压；所述补偿电路用于将温度检测电压转换为补偿电流；所述C场电路包含C场线圈，用于对原子钟频率标准信号进行调整；C场电路输入所述补偿电流，改变C场线圈的工作电流，校正所述频率标准信号。本发明一次定量地将整机残余温度系数调整到零，可大大缩短调试周期、提升指标、降低成本、提高整机长期稳定度指标。

Description

一种原子频标设备温度系数补偿装置和方法

技术领域

本申请涉及电子设备技术领域，尤其涉及一种用于原子频标设备的温度补偿电路和补偿方法。

背景技术

原子频标设备具有体积小、重量轻、功耗低等特点，应用广泛。原子频标设备是一种二级频标，其频率稳定度和准确度受环境影响较大，尤其是受温度影响较大。例如在高精度铷原子频标设备设计与制造中，温度系数是提升铷原子频标设备整机指标的一个瓶颈性因素。以往的铷原子频标设备电路，往往不包含特定的温度补偿电路，而通过改善各组件的固有温度系数以及通过精细的整机调试来控制整机温度系数。

从根本上降低原子频标设备整机的温度系数，需要从原子频标设备量子部分和电路部分的根本设计入手，工艺要求十分严苛。即使经过精心设计，整机联调时温度系数仍有残余，致使指标不能满足要求。如果依靠整机联调来控制温度系数，效果差、成本高。

发明内容

本发明提供一种原子频标设备温度系数补偿装置和方法，解决原子频标设备温度系数不易调试、不易控制的问题。

本申请实施例提供一种原子频标设备温度系数补偿装置，包括热敏电阻、恒流源电路、补偿电路、C场电路；所述热敏电阻位于所述原子频标设备的温度敏感区；所述恒流源电路与所述热敏电阻相连，输出恒定电流用于所述热敏电阻，产生温度检测电压；所述补偿电路用于将所述温度检测电压转换为补偿电流；所述C场电路包含C场线圈，所述C场线圈用于对原子钟频率标准信号进行调整；所述C场电路输入所述补偿电流，所述补偿电流改变所述C场线圈的工作电流，校正所述频率标准信号。

优选地，所述恒流源电路包含第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第一基准二极管、三极管；所述三极管为PNP三极管，基极接所述第一运算放大器的输出端、集电极为所述恒流源电路的输出端，用于连接所述热敏电阻；所述第一电阻一端接直流电压源，另一端与所述三极管的发射极相连、并且连接于所述第一运算放大器的反向输入端；所述第一基准二极管的正端与所述第一运算放大器的正向输入端相连、并且连接于所述第二电阻，所述第二电阻的另一端接地；所述第一基准二极管的负端接所述直流电压源。

优选地，所述补偿电路包含第二运算放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻；所述第二运算放大器的正向输入端即所述补偿电路的输入端，用作输入所述温度检测电压；所述第三电阻一端接所述第二运算放大器的反向输入端，另一端接所述第二运算放大器的输出端；所述第五电阻一端接所述第二运算放大器的反向输入端，另一端接地；所述第四电阻一端接所述第二运算放大器的输出端，另一端作为所述补偿电路的输出端，用于输出所述补偿电流。

优选地，所述C场电路还包含第三运算放大器、第六电阻、第八电阻、第二基准二极管；所述第六电阻一端连接于所述第三运算放大器的反向输入端，另一端接地；所述C场线圈一端连接于所述第三运算放大器的反向输入端，另一端连接于所述第三运算放大器的输出端；所述第八电阻与所述第二基准二极管的负端相连，并且连接于所述第三运算放大器的正向输入端；所述第八电阻的另一端接所述直流电压源；所述第二基准二极管的正端接地；所述第三运算放大器的反向输入端，用于输入所述补偿电流。作为本发明方案进一步优化的实施例，所述C场电路还包含第七电阻，串联在所述C场线圈和所述第三运算放大器输出端之间。

本发明实施例还提供一种原子频标设备温度系数补偿方法，用于本发明实施例所述原子频标设备温度系数补偿装置，包含以下步骤：

在所述原子频标设备工作温度范围的一端，调整所述恒流源电路的输出电流、所述补偿电路中第三电阻和/或第五电阻的值，使所述第二运算放大器输出电压与所述C场电路的输入端电压相同；

在所述原子频标设备工作温度范围的另一端，调整所述补偿电路中第四电阻的值，使所述频率标准信号的频率保持不变。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本发明能够有效补偿铷原子频标设备整机残余温度系数，解决以往铷原子频标设备温度系数不能定量调整的问题，可有效去除铷钟整机残余温度系数，一次定量地将整机残余温度系数调整到零，可大大缩短调试周期、提升指标、降低成本、提高整机长期稳定度指标。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的电路示意图；

图2为本发明恒流源电路的实施例示意图；

图3为本发明补偿电路的实施例示意图；

图4为本发明C场电路的实施例示意图；

图5为应用本发明进行温度补偿的方法流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本发明的原子频标设备温度系数补偿装置示意图，具体包括热敏电阻20、恒流源电路30、补偿电路40、C场电路12；所述热敏电阻位于所述原子频标设备10的温度敏感区11；所述恒流源电路与所述热敏电阻相连，输出恒定电流用于所述热敏电阻，产生温度检测电压；所述补偿电路用于将所述温度检测电压转换为补偿电流I_c；所述C场电路包含C场线圈，所述C场线圈用于对原子钟频率标准信号进行调整；所述C场电路输入所述补偿电流，所述补偿电流改变所述C场线圈的工作电流，校正所述频率标准信号。采用热敏电阻直接采集原子频标设备内部温度，所述温度敏感区11可以是频标内部有效反映环境温度变化的区域。

需要说明，由于所述补偿电路为电压-电流转换电路，理想情况下要求输入电流为零、输入阻抗为无穷大。实际电路输入电流值极小，可以忽略。

在所述原子频标设备工作温度范围的一端，所述热敏电阻的输出温度检测电压值为V₀，当温度变化时所述热敏电阻输出温度检测电压值为V₀+ΔV。

热敏电阻输出温度检测电压变化表示为：

ΔV＝I_s×ξ×Δt (公式1)

其中ξ为所述热敏电阻的温度系数，Δt是所述温度敏感区的温度变化，I_s是所述恒流源电路的输出电流。

图2为本发明恒流源电路的实施例示意图。所述恒流源电路包含第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一基准二极管D1、三极管Q1；所述三极管为PNP三极管，基极接所述第一运算放大器的输出端OUT、集电极为所述恒流源电路的输出端302，用于连接所述热敏电阻20；所述第一电阻一端接直流电压源VCC，另一端与所述三极管的发射极相连、并且连接于所述第一运算放大器的反向输入端IN-；所述第一基准二极管的正端与所述第一运算放大器的正向输入端相连IN+、并且连接于所述第二电阻R2，所述第二电阻的另一端接地；所述第一基准二极管的负端接所述直流电压源VCC。

由于流经热敏电阻20的电路和流经第一电阻R1的电流相同，为了提高电路工作稳定性，优选地，所述第一电阻R1使用高精度低温漂电阻。

图3为本发明补偿电路的实施例示意图，所述补偿电路包含第二运算放大器U2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5；所述第二运算放大器的正向输入端IN+，作为所述补偿电路的输入端401，输入所述温度检测电压；这样，将热敏电阻感知的温度变化转换成了输入到第二运算放大器正向输入端的电压变化。所述第三电阻一端接所述第二运算放大器的反向输入端IN-，另一端接所述第二运算放大器的输出端OUT；所述第五电阻一端接所述第二运算放大器的反向输入端IN-，另一端接地；所述第四电阻一端接所述第二运算放大器的输出端OUT，另一端作为所述补偿电路的输出端402，用于输出所述补偿电流。

图4为本发明C场电路的实施例示意图。所述C场电路包含C场线圈L、第三运算放大器U3、第六电阻R6、第八电阻R8、第二基准二极管D2；所述第六电阻一端连接于所述第三运算放大器的反向输入端，另一端接地；所述C场线圈L一端连接于所述第三运算放大器的反向输入端，另一端连接于所述第三运算放大器的输出端；所述第八电阻与所述第二基准二极管的负端相连，并且连接于所述第三运算放大器的正向输入端；所述第八电阻的另一端接所述直流电压源VCC；所述第二基准二极管的正端接地；所述第三运算放大器的反向输入端，用于输入所述补偿电流，即补偿电流输入端402。作为本实施例进一步优化的方案，所述C场电路还包含第七电阻R7，串联在所述C场线圈和所述第三运算放大器输出端之间，用于防止C场线圈内部对地短路引起运算放大器U3损坏。

C场电路是传统原子频标设备中的必需电路，它的作用是为C场线圈提供恒定电流。在本实施例中，所述第二基准二极管D2上的电压恒定，由于所述第三运算放大器输入端的虚短作用，第六电阻R6上的电压恒定。由于所述第三运算放大器反向输入端吸入电流极小，因此通过C场线圈的电流是恒定值。将所述第六电阻和所述第三运算放大器反向输入端的连接点作为补偿电流输入端402，当有补偿电流I_c流入时，由于所述第六电阻上的电流恒定，因此通过所述C场线圈的电流则减小I_c。即，所述C场电路将所述补偿电流用于减少所述C场线圈中的电流，因此，

Δi＝-I_c (公式2)

其中，Δi是所述C场线圈的电流变化。

在图1-4所示实施例中，需要说明的是，原子频标设备是一种复杂的设备，其温度影响因素很复杂，很难一一解决。在不补偿的情况下，最终频标会表现出一种固定的温度特性，即频率-温度特性，一定温度范围内大致是线性的，且这个特性在频标调试完成后是相对固定，不会再大幅变化，所以具备补偿的基础；此外，原子频标设备中，改变C场电流就可以小幅调整其频率，特性也是线性的，而且是终身不变的。所以采样温度，经过变换后控制C场电流，就可以补偿掉频率温度系数。

所述频率标准信号的变化表示为

Δf＝α×Δt (公式3)

其中α为所述原子频标设备的温度系数，Δt是所述温度敏感区的温度变化。

所述C场线圈的电流特性表示为

Δf＝β×Δi (公式4)

其中β为所述C场线圈的电流系数，Δi是所述C场线圈的电流变化。

如果使公式3和公式4互相补偿，且考虑公式2，则要求所述补偿电流表示为：

I_c＝α×Δt/β (公式5)

作为本发明的具体技术特征，要求在所述原子频标设备工作温度范围的一端，即Δt＝0时，ΔV＝0，补偿电路输入电压为V₀，补偿电路输出I_c＝0。并且，所述补偿电路的传递函数为

G(I_c/ΔV)＝α/(I_s×β×ξ) (公式6)

特别地，在图3所示实施例中，作为本发明的具体技术特征，要求在所述原子频标设备工作温度范围的一端，即Δt＝0时，所述第二运算放大器输出电压与所述C场电路的补偿电流输入端电压相同，即其值为V₀×(R₃+R₅)/R₅，所述C场电路的输入端电压是由所述C场电路中第三运算放大器的输入端电路所确定，调整所述恒流源输出电流I_s、所述第三电阻和第五电阻的值可以使所述第二运算放大器输出电压与所述C场电路的输入端电压相同；为了使得Δt≠0范围内所述原子频标温度系数得到补偿，还需要，所述第三电阻、第四电阻、第五电阻的值满足：

(R₃+R₅)/(R₄×R₅)＝α/(I_s×β×ξ) (公式7)

对公式7的解释：所述补偿电路的输入端为温度检测电压，连接至所述第二运算放大器的正向输入端；由于所述第二运算放大器输入端的虚短作用，所述温度检测电压通过第三电阻和第五电阻的设置被放大为所述第二运算放大器的输出电压。Δt＝0时，所述第二运算放大器输出电压与所述C场电路的输入端电压相同，则Δt≠0时，公式1所示热敏电阻输出电压变化也通过所述第三电阻和第五电阻被放大，再作用于所述第四电阻形成补偿电流。所述补偿电流同时满足公式5，因此得到公式7。

所述热敏电阻的功能是感知原子频标设备内部温度变化，并输出跟随温度变化而变化的电压值。为了达到这个目的，首先需要知道原子频标设备整机温度系数是正温度系数，还是负温度系数。

假设C场线圈的频率-电流特性为正向(β>0)，当所述热敏电阻的温度系数为正温度系数时(ξ>0)，适用正温度系数原子频标设备(α>0)，将整机温度系数向负温度系数方向补偿；当温度升高导致频率标准信号的频率呈现上升趋势时，温度升高导致热敏电阻的值变大，由于流过热敏电阻的电流不变，输出到第二运算放大器正向输入端的电压变大。因此第二运算放大器输出端的电压变大，因此补偿电流自补偿电路输出端402流向C场电路，C场线圈电流减小，所述频率标准信号的频率呈现下降趋势。

假设C场线圈的频率-电流特性为正向(β>0)，当所述热敏电阻的温度系数为负温度系数时(ξ<0)，适用负温度系数原子频标设备(α<0)，将整机温度系数向正温度系数方向补偿。当温度升高导致频率标准信号的频率呈现下降趋势时，温度升高导致热敏电阻的值变小，由于流过热敏电阻的电流不变，输出到第二运算放大器正向输入端的电压变小。因此第二运算放大器输出端的电压变小，因此补偿电流自C场电路输出端402流向补偿电路，C场线圈电流加大，所述频率标准信号的频率呈现上升趋势。

总结以上两种情况，可以表示为：β>0，且αξ>0。

同理，假设C场线圈的频率-电流特性为反向(β<0)，要实现补偿，则有：β<0，且αξ<0。

图5为应用本发明进行温度补偿的方法流程图，用于本发明实施例所述原子频标设备温度系数补偿装置，调整补偿电路的参数，使特定温度点，温度补偿电路的加入对整机没不存在影响，作为温度系数调整的初始参考点。

具体包含以下步骤：

步骤101、在所述原子频标设备工作温度范围的一端，所述补偿电路中第三电阻和/或第五电阻的值，使所述第二运算放大器输出电压与所述C场电路的补偿电流输入端电压相同。

例如在图3和图4所示实施例中，具体地，通过调整第五电阻的值，将所述第二运算放大器U2正向输入端的带有温度信息的电压进行合适倍数的放大，使所述第二运算放大器U2的输出电压等于所述第三运算放大器U3的反向输入端电压，此时所述第四电阻R4上的电压为零，没有补偿电流流入C场线圈L，并通过通断第四电阻R4前后测量原子频标设备的频率无变化来确认，直至调整完毕。

优选地，在步骤101中，还可以调整所述恒流源电路的输出电流I_s。

步骤102、在所述原子频标设备工作温度范围的另一端，调整所述补偿电路中第四电阻的值，使所述频率标准信号的频率保持不变。

例如在图3和图4所示实施例中，具体地，所述补偿电路经过调零后，接通第四电阻，将原子频标设备工作环境温度拉到另一端，调整所述第四电阻值的大小，使原子频标设备输出频率标准信号的频率准确度恢复到变温之前的值，此时所述原子频标设备的整机温度系数已调整到零。此时，考虑公式1、公式5、及图3所示实施例的具体结构，第四电阻的值由公式7所确定。

本发明能够有效补偿原子频标设备整机残余温度系数，解决以往原子频标设备温度系数不能定量调整的问题，可有效去除铷钟整机残余温度系数，提高整机长期稳定度指标。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种原子频标设备温度系数补偿装置，其特征在于，包括热敏电阻、恒流源电路、补偿电路、C场电路；

所述热敏电阻位于所述原子频标设备的温度敏感区；

所述恒流源电路与所述热敏电阻相连，输出恒定电流用于所述热敏电阻，产生温度检测电压；

所述补偿电路用于将所述温度检测电压转换为补偿电流；

所述C场电路包含C场线圈，所述C场线圈用于对原子钟频率标准信号进行调整；

所述C场电路输入所述补偿电流，所述补偿电流改变所述C场线圈的工作电流，校正所述频率标准信号。

2.如权利要求1所述原子频标设备温度系数补偿装置，其特征在于，所述恒流源电路包含第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第一基准二极管、三极管；

所述三极管为PNP三极管，基极接所述第一运算放大器的输出端、集电极为所述恒流源电路的输出端，用于连接所述热敏电阻；

所述第一电阻一端接直流电压源，另一端与所述三极管的发射极相连、并且连接于所述第一运算放大器的反向输入端；

所述第一基准二极管的正端与所述第一运算放大器的正向输入端相连、并且连接于所述第二电阻，所述第二电阻的另一端接地；

所述第一基准二极管的负端接所述直流电压源。

3.如权利要求1所述原子频标设备温度系数补偿装置，其特征在于，所述补偿电路包含第二运算放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻；

所述第二运算放大器的正向输入端即所述补偿电路的输入端，用作输入所述温度检测电压；

所述第三电阻一端接所述第二运算放大器的反向输入端，另一端接所述第二运算放大器的输出端；

所述第五电阻一端接所述第二运算放大器的反向输入端，另一端接地；

所述第四电阻一端接所述第二运算放大器的输出端，另一端作为所述补偿电路的输出端，用于输出所述补偿电流。

4.如权利要求1所述原子频标设备温度系数补偿装置，其特征在于，所述C场电路还包含第三运算放大器、第六电阻、第八电阻、第二基准二极管；

所述第六电阻一端连接于所述第三运算放大器的反向输入端，另一端接地；

所述C场线圈一端连接于所述第三运算放大器的反向输入端，另一端连接于所述第三运算放大器的输出端；

所述第八电阻与所述第二基准二极管的负端相连，并且连接于所述第三运算放大器的正向输入端；所述第八电阻的另一端接所述直流电压源；

所述第二基准二极管的正端接地；

所述第三运算放大器的反向输入端，用于输入所述补偿电流。

5.如权利要求4所述原子频标设备温度系数补偿装置，其特征在于，包含第七电阻，串联在所述C场线圈和所述第三运算放大器输出端之间。

6.如权利要求3所述原子频标设备温度系数补偿装置，其特征在于，

所述频率标准信号的变化Δf＝α×Δt，其中α为所述原子频标设备的温度系数，Δt是所述温度敏感区的温度变化；

所述C场线圈的电流特性为Δf＝β×Δi，其中β为所述C场线圈的电流系数，Δi是所述C场线圈的电流变化；

所述补偿电流为I_c＝α×Δt/β，且Δi＝-ΔI；

所述热敏电阻输出温度检测电压变化为ΔV＝I_s×ξ×Δt，其中ξ为所述热敏电阻的温度系数，Δt是所述温度敏感区的温度变化，I_s是所述恒流源电路输出电流；

在所述原子频标设备工作温度范围的一端，即Δt＝0时，所述第二运算放大器输出电压与所述C场电路的补偿电流输入端电压相同；

所述第三电阻、第四电阻、第五电阻的值满足：(R₃+R₅)/(R₄×R₅)＝α/(I_s×β×ξ)。

7.如权利要求1-6任意一项所述原子频标设备温度系数补偿装置，其特征在于，

所述频率标准信号的变化Δf＝α×Δt，其中α为所述原子频标设备的温度系数，Δt是所述温度敏感区的温度变化；

所述C场线圈的电流特性为Δf＝β×Δi，其中β为所述C场线圈的电流系数，Δi是所述C场线圈的电流变化；

所述补偿电流为I_c＝α×Δt/β，且Δi＝-I_c；

所述热敏电阻输出温度检测电压变化为ΔV＝I_s×ξ×Δt，其中ξ为所述热敏电阻的温度系数，Δt是所述温度敏感区的温度变化，I_s是所述恒流源电路的输出电流；

在所述原子频标设备工作温度范围的一端，即Δt＝0时，ΔI＝0；

所述补偿电路的传递函数为G(I_c/ΔV)＝α/(I_s×β×ξ)。

8.如权利要求7所述原子频标设备温度系数补偿装置，其特征在于，

β>0，且αξ>0。

9.如权利要求7所述原子频标设备温度系数补偿装置，其特征在于，

β<0，且αξ<0。

10.一种原子频标设备温度系数补偿方法，用于权利要求3所述原子频标设备温度系数补偿装置，其特征在于，包含以下步骤：

在所述原子频标设备工作温度范围的一端，调整所述恒流源电路的输出电流、所述补偿电路中第三电阻和/或第五电阻的值，使所述第二运算放大器输出电压与所述C场电路的补偿电流输入端电压相同；

在所述原子频标设备工作温度范围的另一端，调整所述补偿电路中第四电阻的值，使所述频率标准信号的频率保持不变。