CN107846220A - 一种原子频标 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原子频标，该原子频标包括：压控晶振；控制器，用于产生键控调频信号和同步鉴相参考信号；DDS，用于在键控调频信号的作用下将压控晶振输出的频率信号转换为综合调制信号；幅值调整模块，用于将DDS输出的综合调制信号的幅值调整到预定值；倍频模块，用于对压控晶振输出的频率信号进行倍频，得到倍频信号；倍混频模块，用于将调整后的综合调制信号与倍频信号倍混频，产生微波探寻信号；物理系统，用于对微波探寻信号进行量子鉴频，产生量子鉴频信号；同步鉴相模块，用于采用同步鉴相参考信号对物理系统产生的量子鉴频信号进行同步鉴相，产生纠偏电压并输出至压控晶振。本发明能够提高原子频标整机输出频率的精度。
Description
技术领域
本发明涉及原子频标技术领域，特别涉及一种原子频标。
背景技术
原子频标既可以作为时间标准来计时授时，又可以作为频率标准来计频授频，广泛应用于航天、通讯等众多领域。
原子频标一般包括压控晶振、物理系统和电子线路。其中，压控晶振输出原始频率信号；电子线路将压控晶振的输出频率信号进行处理产生微波探询信号；物理系统对微波探询信号进行鉴频，产生光检信号；电子线路对光检信号选频放大后进行同步鉴相，产生纠偏电压作用于压控晶振，以调整压控晶振的输出频率，最终将压控晶振的输出频率锁定在原子基态超精细0-0中心频率上。然而，在实际应用中，原子频标整机的输出频率通常会存在偏移。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明实施例提供了一种原子频标。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种原子频标，所述原子频标包括：压控晶振、控制器、DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)、幅值调整模块、倍频模块、倍混频模块、物理系统和同步鉴相模块。其中，压控晶振用于输出频率信号；控制器用于产生键控调频信号和同步鉴相参考信号；DDS，用于在所述键控调频信号的作用下将所述压控晶振输出的频率信号转换为综合调制信号，所述综合调制信号包括对应所述键控调频信号的高电平的第一频率信号和对应所述键控调频信号的低电平的第二频率信号；幅值调整模块用于将所述DDS输出的所述综合调制信号的幅值调整到预定值，所述预定值根据所述第一频率信号和所述第二频率信号的幅值确定；倍频模块用于对所述压控晶振输出的频率信号进行倍频，得到倍频信号；倍混频模块用于将所述幅值调整模块输出的调整后的综合调制信号与所述倍频模块输出的所述倍频信号倍混频，产生微波探寻信号；物理系统用于对所述倍混频模块输出的所述微波探寻信号进行量子鉴频，产生量子鉴频信号；同步鉴相模块用于采用所述同步鉴相参考信号对所述物理系统产生的所述量子鉴频信号进行同步鉴相，产生纠偏电压并将所述纠偏电压输出至所述压控晶振。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述预定值根据以下公式确定：
(V1+V2)/N，
其中，V1为所述第一频率信号的幅值，V2为所述第二频率信号的幅值，N为设定值且N大于5且小于10。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述幅值调整模块包括运算放大器、第一电阻、第二电阻和数字电位计，所述运算放大器的反相输入端通过所述第一电阻接地，所述运算放大器的同相输入端通过所述第二电阻与所述直接数字式频率合成器的综合调制信号输出端连接，所述数字电位计连接在所述运算放大器的反相输入端和所述运算放大器的输出端之间，所述数字电位计的控制端与所述控制器电连接，所述运算放大器的输出端与所述倍混频模块电连接。
可选地，所述幅值调整模块还包括电压采样器件，用于采集所述第一频率信号和所述第二频率信号的电压值；所述控制器还用于根据所述电压采样器件采集到的所述第一频率信号和所述第二频率信号的电压值，确定放大倍数，并根据放大倍数控制所述数字电位计，以将所述综合调制信号的幅值调整到所述预定值。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述原子频标还包括：选频放大模块，所述选频放大模块用于对所述量子鉴频信号进行选频放大；则所述同步鉴相模块用于采用所述同步鉴相参考信号对选频放大后的所述量子鉴频信号进行同步鉴相，产生纠偏电压并将所述纠偏电压输出至所述压控晶振。
可选地，所述控制器为微处理器或复杂可编程逻辑器件。
其中，所述键控调频信号和同步鉴相参考信号的频率均为79Hz。
进一步地，所述键控调频信号为占空比为1:1的方波信号，所述同步鉴相参考信号为矩形脉冲信号或方波信号，且所述同步鉴相参考信号与所述键控调频信号的相位关系固定不变。
可选地，所述压控晶振的输出频率为20MHz，所述综合调制信号的中心频率为5.3125MHz。
可选地，所述原子频标还包括连接在所述压控晶振和所述倍频模块之间的隔离放大器。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例通过DDS与控制器配合产生综合调制信号，并对综合调制信号进行了幅值调整，可以降低因综合调制信号对原子频标整机输出频率的不良影响，提高原子频标整机输出频率的精度。
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原子频标的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的幅值调整模块的结构图。
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。
本发明实施例提供了一种原子频标，参见图1，该原子频标包括：压控晶振1、控制器2、DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)3、幅值调整模块4、倍频模块5、倍混频模块6、物理系统7和同步鉴相模块8。
其中，压控晶振1用于输出频率信号。控制器2用于产生键控调频信号和同步鉴相参考信号。DDS 3分别与压控晶振1和控制器2连接，用于在所述键控调频信号的作用下将压控晶振1输出的频率信号转换为综合调制信号，所述综合调制信号包括对应所述键控调频信号的高电平的第一频率信号和对应所述键控调频信号的低电平的第二频率信号。幅值调整模块4用于将DDS3输出的所述综合调制信号的幅值调整到预定值，所述预定值根据所述第一频率信号和所述第二频率信号的幅值确定。倍频模块5用于对所述压控晶振1输出的频率信号进行倍频，得到倍频信号。倍混频模块6用于将所述幅值调整模块4输出的调整后的综合调制信号与所述倍频模块5输出的所述倍频信号倍混频，产生微波探寻信号。物理系统7用于对所述倍混频模块6输出的所述微波探寻信号进行量子鉴频，产生量子鉴频信号。同步鉴相模块8用于采用所述同步鉴相参考信号对所述物理系统7产生的所述量子鉴频信号进行同步鉴相，产生纠偏电压并将所述纠偏电压输出至所述压控晶振1，以调整压控晶振的输出频率，最终将压控晶振的输出频率锁定在原子基态超精细0-0中心频率上。
其中，预定值可以根据以下公式确定：
(V1+V2)/N，
其中，V1为所述第一频率信号的幅值，V2为所述第二频率信号的幅值，N为设定值且N大于5且小于10。优选地，N可以等于6或7。示例性地，该预定值可以为0.2V。
在本实施例中，物理系统7可以包括光谱灯、集成滤光共振泡、谐振腔、C场线圈和光电池。具体地，C场线圈绕制在谐振腔外壁，为内置于谐振腔中的集成滤光共振泡中的原子(例如铷原子)共振提供磁场。
在本实施例中，如图2所示，幅值调整模块4可以包括运算放大器A1、第一电阻R1、第二电阻R2和数字电位计R3，所述运算放大器A1的反相输入端通过所述第一电阻R1接地，所述运算放大器A1的同相输入端通过所述第二电阻R2与DDS 3的综合调制信号输出端电连接，所述数字电位计R3连接在所述运算放大器A1的反相输入端和所述运算放大器A1的输出端之间，所述数字电位计R3的控制端与所述控制器2电连接，所述运算放大器A1的输出端与所述倍混频模块6电连接。
进一步地，在本实施例中，所述幅值调整模块4还包括电压采样器件，电压采样器件用于采集所述第一频率信号和所述第二频率信号的电压值；所述控制器2还用于根据所述电压采样器件采集到的所述第一频率信号和所述第二频率信号的电压值，确定放大倍数，并根据放大倍数控制所述数字电位计，以将所述综合调制信号的幅值调整到所述预定值。
实现时，DDS 3可采用AD9832芯片和外围电路组成。DDS 3的主时钟引脚接压控晶振1，DDS的控制位引脚接同步鉴相模块8。具体地，AD9832芯片的MCLK(主时钟)引脚接外部时钟源(如压控晶振1)，OUT(输出)引脚输出的频率信号的稳定度与外部时钟源一致。FSELECT(控制位)引脚为键控调频信号输入端，也就是79Hz键控调频信号(由控制器2产生)输入端，AD9832内部有两个频率控制寄存器，通过编程的方式将预先设置好的频率值F1、F2保存在寄存器中，当FSELECT引脚有方波信号输入时(即电平上升沿或下降沿转换)，AD9832的IOUT引脚将会随之分别从频率控制寄存器中读出F1或F2的值作为输出，并且会保持信号的相位无变化，如IOUT引脚会在调制方波79Hz信号的高电平时输出频率为F1的第一频率信号、在低电平时输出频率为F2的第二频率信号。DDS还包括调节第一频率信号和第二频率信号的相位的PSEL0(相位控制位)、PSEL1，而为了保持第一频率信号和第二频率信号在切换时的相位连续，故直接将PSEL0、PSEL1接地。
在DDS输入之前，将表示F1和F2的值的DATA(数据)分两次写入AD9832内部的2个频率控制寄存器(用于存储F1和F2)中，且只有在DATA写入完毕后，DDS才能输出。
以32位频率控制寄存器、MCLK引脚输入的时钟频率是20MHz为例，AD9832的最小的频率分辨率为：
因此，DATA中F2的值为(F2/20MHz)*232，将所得到的十进制值转化为二进制，得到F2对应32位频率控制寄存器的值；DATA中F1的值为(F1/20MHz)*232，将所得到的十进制值转化为二进制，得到F1对应32位频率控制寄存器的值。
在具体的实际应用中，对DDS输出的信号，需要经过滤波、整形、放大等处理后才能引入到其它电路环节中。为得到比较纯净的信号谱，在IOUT引脚输出后通常接一带通滤波器或低通滤波器。
可选地，所述原子频标还可以包括选频放大模块9，选频放大模块9用于对所述量子鉴频信号进行选频放大；同步鉴相模块8用于采用所述同步鉴相参考信号对选频放大后的所述量子鉴频信号进行同步鉴相，产生纠偏电压并将所述纠偏电压输出至所述压控晶振。
在本实施例中，所述键控调频信号和同步鉴相参考信号的频率均为79Hz。
进一步地，所述键控调频信号为占空比为1:1的方波信号，所述同步鉴相参考信号为矩形脉冲信号或方波信号，且所述同步鉴相参考信号与所述键控调频信号的相位关系固定不变。
所述控制器可以为微处理器或CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)。具体地，为了实现同步鉴相，控制器需要产生相互之间相位关系明确可调键控调频信号和同步鉴相参考信号。这些信号的产生可以由微处理器或CPLD通过相应的时钟中断或硬件分频技术实现。
可选地，该原子频标还包括：隔离放大器10，该隔离放大器10连接在压控晶振1和倍频模块5之间。
在本实施例中，所述压控晶振的输出频率为20MHz，所述综合调制信号的中心频率为5.3125MHz。
实际应用中，同步鉴相模块8可以为相敏检波器，或者可以采用控制器2、数模转换器和模数转换器实现。当同步鉴相模块8采用控制器2、数模转换器和模数转换器实现时，可以采用累加平均的方案进行同步鉴相。具体的，量子鉴频信号经过模数转换器处理，控制器2用于对经模数转换器处理的量子鉴频信号进行累加平均，得到平均量子鉴频信号，然后对同步鉴相参考信号和平均量子鉴频信号进行同步鉴相，并产生同步鉴相信号，采用同步鉴相信号控制数模转换器产生纠偏电压作用在压控晶振上。
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)
1.一种原子频标，其特征在于，所述原子频标包括：
压控晶振，用于输出频率信号；
控制器，用于产生键控调频信号和同步鉴相参考信号；
直接数字式频率合成器，用于在所述键控调频信号的作用下将所述压控晶振输出的频率信号转换为综合调制信号，所述综合调制信号包括对应所述键控调频信号的高电平的第一频率信号和对应所述键控调频信号的低电平的第二频率信号；
幅值调整模块，用于将所述直接数字式频率合成器输出的所述综合调制信号的幅值调整到预定值，所述预定值根据所述第一频率信号和所述第二频率信号的幅值确定；
倍频模块，用于对所述压控晶振输出的频率信号进行倍频，得到倍频信号；
倍混频模块，用于将所述幅值调整模块输出的调整后的综合调制信号与所述倍频模块输出的所述倍频信号倍混频，产生微波探寻信号；
物理系统，用于对所述倍混频模块输出的所述微波探寻信号进行量子鉴频，产生量子鉴频信号；
同步鉴相模块，用于采用所述同步鉴相参考信号对所述物理系统产生的所述量子鉴频信号进行同步鉴相，产生纠偏电压并将所述纠偏电压输出至所述压控晶振。
2.根据权利要求1所述的原子频标，其特征在于，所述预定值根据以下公式确定：
(V1+V2)/N，
其中，V1为所述第一频率信号的幅值，V2为所述第二频率信号的幅值，N为设定值且N大于5且小于10。
3.根据权利要求1所述的原子频标，其特征在于，所述幅值调整模块包括运算放大器、第一电阻、第二电阻和数字电位计，所述运算放大器的反相输入端通过所述第一电阻接地，所述运算放大器的同相输入端通过所述第二电阻与所述直接数字式频率合成器的综合调制信号输出端连接，所述数字电位计连接在所述运算放大器的反相输入端和所述运算放大器的输出端之间，所述数字电位计的控制端与所述控制器电连接，所述运算放大器的输出端与所述倍混频模块电连接。
4.根据权利要求3所述的原子频标，其特征在于，所述幅值调整模块还包括电压采样器件，用于采集所述第一频率信号和所述第二频率信号的电压值；
所述控制器还用于根据所述电压采样器件采集到的所述第一频率信号和所述第二频率信号的电压值，确定放大倍数，并根据放大倍数控制所述数字电位计，以将所述综合调制信号的幅值调整到所述预定值。
5.根据权利要求1-4任一项所述的原子频标，其特征在于，所述原子频标还包括选频放大模块，所述选频放大模块用于对所述量子鉴频信号进行选频放大；则所述同步鉴相模块用于采用所述同步鉴相参考信号对选频放大后的所述量子鉴频信号进行同步鉴相，产生纠偏电压并将所述纠偏电压输出至所述压控晶振。
6.根据权利要求1-4任一项的原子频标，其特征在于，所述控制器为微处理器或复杂可编程逻辑器件。
7.根据权利要求所述1-4任一项的原子频标，其特征在于，所述键控调频信号和同步鉴相参考信号的频率均为79Hz。
8.根据权利要求7所述的原子频标，其特征在于，所述键控调频信号为占空比为1:1的方波信号，所述同步鉴相参考信号为矩形脉冲信号或方波信号，且所述同步鉴相参考信号与所述键控调频信号的相位关系固定不变。
9.根据权利要求1-4任一项的原子频标，其特征在于，所述压控晶振的输出频率为20MHz，所述综合调制信号的中心频率为5.3125MHz。
10.根据权利要求1-4任一项的原子频标，其特征在于，所述原子频标还包括连接在所述压控晶振和所述倍频模块之间的隔离放大器。
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