CN115079617B - 一种微型Mz光泵原子传感器的伺服环路锁定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型Mz光泵原子传感器的伺服环路锁定装置。包含电压/电流转换电路、数模转换电路、频率合成电路、FPGA、电流/电压转化电路、模数转换电路，本发明降低了微型Mz光泵原子传感器输出噪声，提高系统性能。该装置体积小、功耗低、性能更优且易于调试，适合微型Mz光泵原子传感器。

Description

一种微型Mz光泵原子传感器的伺服环路锁定装置

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种微型Mz光泵原子传感器的伺服环路锁定装置，尤其适用于制造高集成度、高性能的微型Mz光泵原子传感器。

背景技术

微型Mz光泵原子传感器集测量范围大、灵敏度高、体积小、功耗低等诸多优势于一身，可广泛应用于地球资源勘探、水下反潜、航空磁测、天文学、军事等领域，因此以优异的综合性能成为磁场测量领域研究的热点。

本团队研制的Mz光泵原子传感器是基于光学-射频双共振现象的一种磁场测量仪器。处于磁场中的碱金属原子能级会产生塞曼分裂，形成塞曼子能级，相邻的塞曼子能级间原子跃迁频率与磁场大小呈线性关系。当一束圆偏振光沿磁场方向入射与原子作用时，原子在与光的共振激发和自发辐射的共同作用下，在基态的塞曼子能级上的不再服从玻尔兹曼分布从而造成了原子的极化。当对极化原子施加一频率等于基态塞曼子能级间的跃迁频率的射频场时，塞曼子能级与射频场发生射频共振，原子吸收射频场能量在塞曼子能级间发生跃迁，改变了原子在塞曼子能级上的布居，降低了原子的极化程度，导致原子可以重新吸收更多光，使透射光光强变弱。透射光的光强与射频失谐相关，通过对透射光光强的检测获得射频场的频率大小，从而实现对磁场的测量，这就是Mz光泵原子传感器的基本原理。

微型Mz光泵原子传感器可分为探头、温控装置和伺服环路锁定装置这三个部分。探头主要包括垂直腔面发射激光器（VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser）、原子气室光电探测器等，主要作用是通过光-原子相互作用获得电子顺磁共振信号。控制装置主要包括VCSEL和原子气室温控装置、VCSEL电流控制装置和射频频率控制装置等，温控装置的作用是给激光器和原子气室提供一个稳定的温度环境，保证激光器输出激光波长和原子气室内原子密度具有较高稳定性。伺服环路锁定装置的作用是实现激光波长的锁定和射频频率的锁定，包含激光波长锁定环路和射频频率锁定环路。

整机开机上电后，温控装置对激光器和原子气室控温，等待温度稳定后，激光波长锁定环路改变激光器驱动电流大小实现对激光波长的小范围调谐，通过连续改变激光波长获得⁸⁷Rb原子对激光的吸收谱线，并通过调制和同步相敏检测获得吸收谱线对应的激光频率纠偏信号，把激光波长稳定在吸收峰最小值i ₁ 对应波长并通过负反馈实施实时纠偏；激光波长锁定后，射频频率锁定环路在磁共振频率附近连续改变射频信号频率可以获得磁共振谱线，将射频信号频率稳定在磁共振谱线最小值i ₂ 对应的射频频率上并通过负反馈实施实时纠偏，就实现了射频频率的闭环锁定，此时射频频率即为处于磁场中原子的拉莫尔进动频率，然后通过拉莫尔进动频率频率与外界磁场的关系可以获得外界磁场的大小。

微型Mz光泵原子传感器的伺服环路锁定装置普遍使用数字控制装置，所使用的处理器通常为现场可编程逻辑门列阵（FPGA，Field-Programmable GateArray）或低功耗的微控制单元（MCU，Micro Controller Unit）。目前市面上集成了模数转换器（ADC，Analog-to-Digital Converter）和数模转换器（DAC，Digital -to-Analog Converter）的FPGA和MCU中，ADC和DAC的位数最高为16位，不能满足伺服环路对控制精度的要求，限制了灵敏度的提高；FPGA较MCU更适合实现高阶数字滤波和伺服环路中的数据处理，并替代电路中的硬件滤波电路和硬件解调电路，减小电路面积和功耗。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种微型Mz光泵原子传感器的伺服环路锁定装置。

本发明的上述目的通过以下技术手段实现：

一种微型Mz光泵原子传感器的伺服环路锁定装置，包括FPGA,所述FPGA包括第一数字滤波器、第一相位扫描锁定模块、第一相敏解调模块、VCSEL电流扫描模块、幅度调制模块、VCSEL电流反馈模块、以及VCSEL电流控制环路时序控制模块，

在电流定相位扫描阶段：

第一相位扫描锁定模块中的相位设置为设定相位，VCSEL电流扫描模块输出数字扫描信号，VCSEL电流控制环路时序控制模块将数字扫描信号输出到数模转换电路，数模转换电路输出对应的模拟信号到电压/电流转换电路，电压/电流转换电路输出对应的驱动电流到VCSEL，模数转换电路将采集到的光检信号输入到第一数字滤波器，第一数字滤波器通过窄带滤波将光检信号中VCSEL电流调制测量信号提取出来发送到第一相位扫描锁定模块，第一相位扫描锁定模块将设定相位和VCSEL电流调制测量信号发送到第一相敏解调模块，第一相敏解调模块根据设定相位和VCSEL电流调制测量信号解调出与当前数字扫描信号对应的电流相敏解调值，并通知VCSEL电流扫描模块下一个阶梯变化后的数字扫描信号，直至VCSEL电流扫描模块输出所有数字扫描信号，第一相敏解调模块计算最大电流相敏解调值和最小电流相敏解调值的平均值作为定相位电流相敏解调平均值，幅度调制模块用于为VCSEL电流扫描模块提供幅值调节信号。

在电流变相位扫描阶段：

VCSEL电流扫描模块输出定相位电流相敏解调平均值对应的数字扫描信号，VCSEL电流控制环路时序控制模块将数字扫描信号输出到数模转换电路，数模转换电路输出对应的模拟信号到电压/电流转换电路，电压/电流转换电路输出对应的驱动电流到VCSEL，模数转换电路将采集到的光检信号输入到第一数字滤波器，第一数字滤波器通过窄带滤波将光检信号中VCSEL电流调制测量信号提取出来发送到第一相位扫描锁定模块，第一相位扫描锁定模块将0°增加至360°的各个相位和VCSEL电流调制测量信号发送到第一相敏解调模块，第一相敏解调模块计算不同相位下的电流相敏解调值，并将不同相位下的计算获得最大电流相敏解调值和最小电流相敏解调值的平均值作为变相位电流相敏解调平均值，最大电流相敏解调值对应的相位为最优电流相位，幅度调制模块用于为VCSEL电流扫描模块提供幅值调节信号。

在电流反馈控制阶段：

第一相位扫描锁定模块的相位固定为最优电流相位，第一相敏解调模块输出电流反馈解调值到VCSEL电流反馈模块，电流反馈解调值的初始值为变相位电流相敏解调平均值，VCSEL电流反馈模块根据电流反馈解调值输出数字反馈信号，VCSEL电流控制环路时序控制模块将数字反馈信号输出到数模转换电路，数模转换电路输出对应的模拟信号到电压/电流转换电路（1），电压/电流转换电路（1）输出对应的驱动电流到VCSEL，模数转换电路将采集到的光检信号输入到第一数字滤波器，第一数字滤波器通过窄带滤波将光检信号中VCSEL电流反馈测量信号提取出来发送到第一相位扫描锁定模块，第一相位扫描锁定模块将VCSEL电流反馈测量信号和最优电流相位发送到第一相敏解调模块，幅度调制模块用于为VCSEL电流反馈模块提供幅值调节信号。

VCSEL电流反馈模块根据电流反馈解调值输出数字反馈信号，电压/电流转换电路1输出对应的电流基于以下公式：

记当前电流反馈控制的电流反馈解调值Y _n 对应的电压/电流转换电路输出的电流为I _n ，上一次反馈控制的电流反馈解调值Y _n-1 对应的电压/电流转换电路输出的电流为I _n-1 ，电流定相位扫描阶段的最大电流相敏解调值Y _max 对应的电压/电流转换电路输出的电流为I _max ，电流定相位扫描阶段的最小电流相敏解调值Y _min 对应的电压/电流转换电路输出的电流为I _min ，

；

。

FPGA还包括第二数字滤波器、第二相位扫描锁定模块、第二相敏解调模块、频率合成器频率扫描模块、移频键控调制模块、频率合成器频率反馈模块、以及频率合成器频率控制环路时序控制模块，

在频率定相位扫描阶段：

第一相位扫描锁定模块中的相位设置为设定相位，频率合成器频率扫描模块输出频率扫描信号，频率合成器频率控制环路时序控制模块将频率扫描信号输出到频率合成电路中，频率合成电路生成对应的线圈射频信号到射频线圈，模数转换电路将采集到的光检信号输入到第二数字滤波器，第二数字滤波器通过窄带滤波将光检信号中VCSEL射频调制测量信号提取出来发送到第二相位扫描锁定模块，第二相位扫描锁定模块将设定相位和VCSEL射频调制测量信号发送给第二相敏解调模块，第二相敏解调模块根据设定相位和VCSEL射频调制测量信号计算出与当前频率扫描信号对应的频率相敏解调值，并通知频率合成器频率扫描模块输出下一个频率扫描信号，直至频率合成器频率扫描模块输出所有的频率扫描信号，第二相敏解调模块获得最大频率相敏解调值和最小频率相敏解调值的平均值作为定相位频率相敏解调平均值，移频键控调制模块为频率合成器频率扫描模块提供移频信号。

在频率变相位扫描阶段：

频率合成器频率扫描模块输出定相位频率相敏解调平均值对应的频率扫描信号，频率合成器频率控制环路时序控制模块将频率扫描信号输出到频率合成电路中，频率合成电路生成对应的线圈射频信号到射频线圈，模数转换电路将采集到的光检信号输入到第二数字滤波器，第二数字滤波器通过窄带滤波将光检信号中VCSEL射频调制测量信号提取出来发送到第二相位扫描锁定模块，第二相位扫描锁定模块输出0°增加至360°的各个相位和VCSEL射频调制测量信号发送到第二相敏解调模块，第二相敏解调模块计算出不同相位下的频率相敏解调制，并将不同相位下的计算获得的最大频率相敏解调制和最小电流相敏解调制的平均值作为变相位频率相敏解调平均值，最大频率相敏解调制对应的相位为最优频率相位，移频键控调制模块为频率合成器频率扫描模块提供移频信号。

在频率反馈控制阶段：

第二相位扫描锁定模块的相位固定为最优频率相位，第二相敏解调模块输出频率反馈解调值到频率合成器频率扫描反馈模块，频率反馈解调值的初始值为变相位频率相敏解调平均值，频率合成器频率扫描反馈模块根据频率反馈解调值输出频率反馈信号，频率合成器频率控制环路时序控制模块将频率反馈信号输出到频率合成电路，频率合成电路输出对应的线圈射频信号到射频线圈，模数转换电路将采集到的光检信号输入到第二数字滤波器，第二数字滤波器通过窄带滤波将光检信号中VCSEL射频调制测量信号提取出来发送到第二相位扫描锁定模块，第二相位扫描锁定模块将最优频率相位和VCSEL射频调制测量信号发送给第二相敏解调模块，移频键控调制模块为频率合成器频率扫描反馈模块提供移频信号。

频率合成器频率扫描反馈模块根据频率反馈解调值输出频率反馈信号，频率合成电路输出对应的线圈射频信号基于以下公式：

记当前频率反馈控制的频率反馈解调值M _n 对应的频率合成电路输出的线圈射频信号的频率为F _n ，上一次频率反馈控制的频率反馈解调值M _n-1 对应的频率合成电路输出的线圈射频信号的频率为F _n-1 ，频率定相位扫描阶段的最大频率相敏解调值M _max 对应的频率合成电路输出的线圈射频信号的频率为F _max ，最小频率相敏解调值M _min 对应的频率合成电路输出的线圈射频信号的频率为F _min ，

；

。

数模转换电路包括数模转换器和运算放大器，数模转换器的时序控制引脚与FPGA的时序控制引脚连接，FPGA控制数模转换器的第一电压输出端和第二电压输出端输出数字扫描信号或数字反馈信号对应的差分电压信号到运算放大器，运算放大器对差分电压信号进行放大输出。

本发明相对于现有技术，具有以下优点：

1、体积小、功耗低

本发明使用现场可编程逻辑门阵列FPGA作为处理器，同时使用高精度模数转换器、高精度数模转换器和高分辨率频率合成器。与现有技术方案相比，本发明不再使用集成了数模转换器和模数转换器的混合信号FPGA、不再使用硬件滤波器，不再使用硬件解调电路，减小了伺服环路锁定装置的体积，降低了功耗。

2、性能更优

本发明使用外置的高精度模数转换器和数模转换器，与现有技术方案相比，进一步降低了反馈环路中的量化噪声。本发明使用高精度频率合成器，与现有技术方案相比，降低了射频信号相位噪声。本发明使用高阶窄带数字滤波器，取代硬件滤波器并取得更好的噪声抑制能力。本发明还使用了精确的VCSEL电流和频率合成电路频率反馈方法，与现有技术相比，本发明对VCSEL电流和频率合成电路频率的反馈大小不仅与解调结果的极性相关，还与解调结果的大小相关，提高了对VCSEL电流和频率合成电路频率的反馈性能。

3、调试简单

本发明不需要调试人员对相敏解调参考信号的相位进行调试，显著减少了调试时间，降低了调试难度。

附图说明

图1为一种微型Mz光泵原子传感器的伺服环路锁定装置的总体结构示意图。

图2为图1中FPGA4的模块化结构示意图。

图3为数模转换电路的结构示意图。

图4（a）为VCSEL频率调制测量信号与第一相位扫描锁定模块输出的相位在电流I扫描过程中，不同相位差下获得的频率相敏解调值M，图4（b）为最大频率相敏解调值M与相位θ的关系。

图5（a）为电流反馈控制阶段各参数示意图，图5（b）频率反馈控制阶段各参数示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的核心构思在于：（1）通过使用高精度模数转换器、高精度数模转换器，降低了反馈环路中的量化噪声。（2）通过使用高阶窄带数字滤波器，取代硬件滤波器并取得更好的噪声抑制能力。（3）通过使用了精确的VCSEL电流和频率合成电路频率反馈方法和相敏解调相位扫描锁定的方法，减小了噪声、提高伺服环路反馈性能和降低调试难度。

如图1和图2所示，一种微型Mz光泵原子传感器的伺服环路锁定装置，包括电压/电流转换电路1、数模转换电路2、频率合成电路3、FPGA4、电流/电压转换电路5、以及模数转换电路6。

其中，FPGA4中包括：第一数字滤波器401、第一相位扫描锁定模块402、第一相敏解调模块403、VCSEL电流扫描模块404、幅度调制模块405、VCSEL电流反馈模块406、VCSEL电流控制环路时序控制模块407、第二数字滤波器408、第二相位扫描锁定模块409、第二相敏解调模块410、频率合成器频率扫描模块411、移频键控调制模块412、频率合成器频率反馈模块413、以及频率合成器频率控制环路时序控制模块414。

在本发明实施例中，所述电压/电流转换电路1的输出端连接至微型Mz光泵原子传感器探头的VCSEL电流输入端，所述电压/电流转换电路1的输入端连接至数模转换电路2的输出端，所述数模转换电路2的输入端连接至FPGA4的第一输出端，所述频率合成电路3的输出端连接至微型Mz光泵原子传感器的探头射频线圈输入端，所述频率合成电路3的输入端连接至FPGA4的第二输出端，所述FPGA4的输入端连接至模数转换电路6的输出端，所述电流/电压转换电路5的输入端连接至微型Mz光泵原子传感器探头光检信号输出端；所述电流/电压转换电路5的输出端连接至模数转换电路6的输入端。

所述第一数字滤波器401输入端和第二数字滤波器408输入端连接并作为FPGA4输入端，所述第一相位扫描锁定模块402和第一数字滤波器401输出端连接，所述第一相敏解调模块403与第一相位扫描锁定模块402连接，所述VCSEL电流扫描模块404第一输入端与第一相敏解调模块403连接，所述VCSEL电流扫描模块404第二输入端连接至幅度调制模块405第一输出端，所述VCSEL电流反馈模块406第一输入端与第一相敏解调模块403连接，所述VCSEL电流反馈模块406第二输入端连接至幅度调制模块405第二输出端，所述VCSEL电流控制环路时序控制模块407第一输入端连接至VCSEL电流扫描模块404输出端，所述VCSEL电流控制环路时序控制模块407第二输入端连接至VCSEL电流反馈模块406输出端，所述VCSEL电流控制环路时序控制模块407的输出端作为FPGA4第一输出端与数模转换电路2连接。

所述第二数字滤波器408输入端和第一数字滤波器401输入端连接并作为FPGA4输入端，所述第二相位扫描锁定模块409与第二数字滤波器408输出端连接，所述第二相敏解调模块410与第二相位扫描锁定模块409连接，所述频率合成器频率扫描模块411第一输入端与第二相敏解调模块410连接，所述频率合成器频率扫描模块411第二输入端连接至移频键控调制模块412第一输出端，所述频率合成器频率反馈模块413第一输入端与第二相敏解调模块410连接，所述频率合成器频率反馈模块413第二输入端连接至移频键控调制模块412第二输出端，所述频率合成器频率控制环路时序控制模块414第一输入端连接至频率合成器频率扫描模块411输出端，所述频率合成器频率控制环路时序控制模块414第二输入端连接至频率合成器频率反馈模块413输出端，所述频率合成器频率控制环路时序控制模块414的输出端作为FPGA4第二输出端。

在本发明实施例中，电压/电流转换电路1，使用低噪声的运算放大器OPA2376实现。

数模转换电路2，经过FPGA4配置后，产生调制、扫描、锁定和反馈的电压信号，由24位音频数模转换器PCM1772实现。

频率合成电路3，经过FPGA4配置后，产生调制、扫描、锁定和反馈的频率信号，由直接数字频率合成器AD9832实现。

FPGA4是本数字伺服方案的主控器件，具备数字滤波、相敏解调、相敏解调相位扫描锁定功能，并完成对数模转换器、模数转换器和直接数字频率合成器的配置和控制，由EP4CE22E22C8N实现。

模数转换电路6，将电流/电压转换电路5输出的电压信号进行采集、保持、量化和编码获得光检信号，由24位高精度模数转换器ADS131A04实现。

电流/电压转换电路5，将探头中输出的电流信号转换成电压信号，使用低噪声的运算放大器OPA376实现。

FPGA4中，各模块的作用是：

在电流定相位扫描阶段：

第一相位扫描锁定模块402中的相位设置为设定相位，VCSEL电流扫描模块404输出数字扫描信号，VCSEL电流控制环路时序控制模块407将数字扫描信号输出到数模转换电路2，数模转换电路2输出对应的模拟信号到电压/电流转换电路1，电压/电流转换电路1输出对应的驱动电流到VCSEL，模数转换电路6将采集到的光检信号输入到第一数字滤波器401，第一数字滤波器401通过窄带滤波将光检信号中VCSEL电流调制测量信号提取出来发送到第一相位扫描锁定模块402，第一相位扫描锁定模块402将设定相位和VCSEL电流调制测量信号发送到第一相敏解调模块403，第一相敏解调模块403根据设定相位和VCSEL电流调制测量信号解调出与当前数字扫描信号对应的电流相敏解调值，并通知VCSEL电流扫描模块404下一个阶梯变化后的数字扫描信号，直至VCSEL电流扫描模块404输出所有数字扫描信号，第一相敏解调模块403计算最大电流相敏解调值和最小电流相敏解调值的平均值作为定相位电流相敏解调平均值。幅度调制模块405用于为VCSEL电流扫描模块404提供幅值调节信号。

在电流变相位扫描阶段：

VCSEL电流扫描模块404输出定相位电流相敏解调平均值对应的数字扫描信号，VCSEL电流控制环路时序控制模块407将数字扫描信号输出到数模转换电路2，数模转换电路2输出对应的模拟信号到电压/电流转换电路1，电压/电流转换电路1输出对应的驱动电流到VCSEL，模数转换电路6将采集到的光检信号输入到第一数字滤波器401，第一数字滤波器401通过窄带滤波将光检信号中VCSEL电流调制测量信号提取出来发送到第一相位扫描锁定模块402，第一相位扫描锁定模块402将0°增加至360°的各个相位和VCSEL电流调制测量信号发送到第一相敏解调模块403，第一相敏解调模块403计算不同相位下的电流相敏解调值，并将不同相位下的计算获得最大电流相敏解调值和最小电流相敏解调值的平均值作为变相位电流相敏解调平均值，最大电流相敏解调值对应的相位为最优电流相位，幅度调制模块405用于为VCSEL电流扫描模块404提供幅值调节信号。

在电流反馈控制阶段：

第一相位扫描锁定模块402的相位固定为最优电流相位，第一相敏解调模块403输出电流反馈解调值到VCSEL电流反馈模块406，电流反馈解调值的初始值为变相位电流相敏解调平均值，VCSEL电流反馈模块406根据电流反馈解调值输出数字反馈信号，VCSEL电流控制环路时序控制模块407将数字反馈信号输出到数模转换电路2，数模转换电路2输出对应的模拟信号到电压/电流转换电路1，电压/电流转换电路1输出对应的驱动电流到VCSEL，模数转换电路6将采集到的光检信号输入到第一数字滤波器401，第一数字滤波器401通过窄带滤波将光检信号中VCSEL电流反馈测量信号提取出来发送到第一相位扫描锁定模块402，第一相位扫描锁定模块402将VCSEL电流反馈测量信号和最优电流相位发送到第一相敏解调模块403。幅度调制模块405用于为VCSEL电流反馈模块406提供幅值调节信号。

VCSEL电流反馈模块406根据电流反馈解调值输出数字反馈信号，电压/电流转换电路1输出对应的电流基于以下公式：

记当前电流反馈控制的电流反馈解调值Y _n 对应的电压/电流转换电路1输出的电流为I _n ，上一次反馈控制的电流反馈解调值Y _n-1 对应的电压/电流转换电路1输出的电流为I _n-1 ，电流定相位扫描阶段的最大电流相敏解调值Y _max 对应的电压/电流转换电路1输出的电流为I _max ，电流定相位扫描阶段的最小电流相敏解调值Y _min 对应的电压/电流转换电路1输出的电流为I _min ，

；

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从而实现VCSEL电流的反馈，从而锁定VCSEL波长。

在实施VCSEL电流的反馈锁定VCSEL波长后，

在频率定相位扫描阶段：

第一相位扫描锁定模块402中的相位设置为设定相位，频率合成器频率扫描模块411输出频率扫描信号，频率合成器频率控制环路时序控制模块414将频率扫描信号输出到频率合成电路3中，频率合成电路3生成对应的线圈射频信号到射频线圈，模数转换电路6将采集到的光检信号输入到第二数字滤波器408，第二数字滤波器408通过窄带滤波将光检信号中VCSEL射频调制测量信号提取出来发送到第二相位扫描锁定模块409，第二相位扫描锁定模块409将设定相位和VCSEL射频调制测量信号发送给第二相敏解调模块410，第二相敏解调模块410根据设定相位和VCSEL射频调制测量信号计算出与当前频率扫描信号对应的频率相敏解调值，并通知频率合成器频率扫描模块411输出下一个频率扫描信号，直至频率合成器频率扫描模块411输出所有的频率扫描信号，第二相敏解调模块410获得最大频率相敏解调值和最小频率相敏解调值的平均值作为定相位频率相敏解调平均值。移频键控调制模块412为频率合成器频率扫描模块411提供移频信号。

在频率变相位扫描阶段：

频率合成器频率扫描模块411输出定相位频率相敏解调平均值对应的频率扫描信号，频率合成器频率控制环路时序控制模块414将频率扫描信号输出到频率合成电路3中，频率合成电路3生成对应的线圈射频信号到射频线圈，模数转换电路6将采集到的光检信号输入到第二数字滤波器408，第二数字滤波器408通过窄带滤波将光检信号中VCSEL射频调制测量信号提取出来发送到第二相位扫描锁定模块409，第二相位扫描锁定模块409输出0°增加至360°的各个相位和VCSEL射频调制测量信号发送到第二相敏解调模块410，第二相敏解调模块410计算出不同相位下的频率相敏解调制，并将不同相位下的计算获得的最大频率相敏解调制和最小电流相敏解调制的平均值作为变相位频率相敏解调平均值，最大频率相敏解调制对应的相位为最优频率相位，移频键控调制模块412为频率合成器频率扫描模块411提供移频信号。

在频率反馈控制阶段：

第二相位扫描锁定模块409的相位固定为最优频率相位，第二相敏解调模块410输出频率反馈解调值到频率合成器频率扫描反馈模块413，频率反馈解调值的初始值为变相位频率相敏解调平均值，频率合成器频率扫描反馈模块413根据频率反馈解调值输出频率反馈信号，频率合成器频率控制环路时序控制模块414将频率反馈信号输出到频率合成电路3，频率合成电路3输出对应的线圈射频信号到射频线圈，模数转换电路6将采集到的光检信号输入到第二数字滤波器408，第二数字滤波器408通过窄带滤波将光检信号中VCSEL射频调制测量信号提取出来发送到第二相位扫描锁定模块409，第二相位扫描锁定模块409将最优频率相位和VCSEL射频调制测量信号发送给第二相敏解调模块410，移频键控调制模块412为频率合成器频率扫描反馈模块413提供移频信号。

频率合成器频率扫描反馈模块413根据频率反馈解调值输出频率反馈信号，频率合成电路3输出对应的线圈射频信号基于以下公式：

记当前频率反馈控制的频率反馈解调值M _n 对应的频率合成电路3输出的线圈射频信号的频率为F _n ，上一次频率反馈控制的频率反馈解调值M _n-1 对应的频率合成电路3输出的线圈射频信号的频率为F _n-1 ，频率定相位扫描阶段的最大频率相敏解调值M _max 对应的频率合成电路3输出的线圈射频信号的频率为F _max ，最小频率相敏解调值M _min 对应的频率合成电路3输出的线圈射频信号的频率为F _min ，

；

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用于实现VCSEL频率的反馈，从而锁定VCSEL频率。

图3为数模转换电路，包括：高精度数模转换器U15、低噪声运算放大器U33、电容C81、电容C82、电容C83、电容C121、电容C122、电阻R56、电阻R57、电阻R58和电阻R59，高精度数模转换器U15的时序控制引脚（包括第1管脚（LRCK）、第2管脚（DATA）、第3管脚（BCK）、第4管脚（PD）、第13管脚（MD）、第14管脚（MC）、第15管脚（MS）和第16管脚（SCKI））与FPGA的时序控制引脚（DAC_LRCK \ DAC_DATA \DAC_BCK \ DAC_PD \ DAC_MD \ DAC_MC \ DAC_MS \DAC_SCKI）相连，高精度数模转换器U15第5管脚（AGND1）和高精度数模转换器U1第6管脚（AGND2）相连并与地连接，高精度数模转换器U15第7管脚（VCOM）通过电容C81与地相连，高精度数模转换器U15第8管脚（VOUTR）与电阻R59一端相连，高精度数模转换器U15第9管脚（VOUTL）与电阻R58一端相连，高精度数模转换器U15第10管脚（AIN）悬空，高精度数模转换器U15第11管脚（VCC2）和高精度数模转换器U15第12管脚（VCC1）相连并与电源连接，电容C82、电容C83、电容C121和电容C122并联后与电源连接，

低噪声运算放大器U33的反相端通过电阻R56接地，低噪声运算放大器U33的反相端还通过电阻R57与低噪声运算放大器U33的输出端连接，低噪声运算放大器U33的同相端通过电阻R58与高精度数模转换器U15的第二电压输出端（VOUTL）连接，低噪声运算放大器U33的同相端还通过电阻R59与高精度数模转换器U15的第一电压输出端（VOUTR）连接。

数模转换电路收到输入信号（数字扫描信号/数字反馈信号）后经过FPGA的配置后输出2路电压信号，2路电压信号经过电阻R58、电阻R59后输入到低噪声运算放大器U33，并与电阻R56和电阻R57组成比例加法器，噪声运算放大器U33输出信号DC连接到电压/电流转换电路1再送入VCSEL，由于比例项是由R56、R57、R58和R59的阻值决定且可小于1，所以DC的分辨率可以进一步提高，量化噪声进一步减小，便于实现VCSEL电流的精确反馈。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种微型Mz光泵原子传感器的伺服环路锁定装置，包括FPGA（4）,其特征在于，所述FPGA（4）包括第一数字滤波器（401）、第一相位扫描锁定模块（402）、第一相敏解调模块（403）、VCSEL电流扫描模块（404）、幅度调制模块（405）、VCSEL电流反馈模块（406）、以及VCSEL电流控制环路时序控制模块（407），

在电流定相位扫描阶段：

第一相位扫描锁定模块（402）中的相位设置为设定相位，VCSEL电流扫描模块（404）输出数字扫描信号，VCSEL电流控制环路时序控制模块（407）将数字扫描信号输出到数模转换电路（2），数模转换电路（2）输出对应的模拟信号到电压/电流转换电路（1），电压/电流转换电路（1）输出对应的驱动电流到VCSEL，模数转换电路（6）将采集到的光检信号输入到第一数字滤波器（401），第一数字滤波器（401）通过窄带滤波将光检信号中VCSEL电流调制测量信号提取出来发送到第一相位扫描锁定模块（402），第一相位扫描锁定模块（402）将设定相位和VCSEL电流调制测量信号发送到第一相敏解调模块（403），第一相敏解调模块（403）根据设定相位和VCSEL电流调制测量信号解调出与当前数字扫描信号对应的电流相敏解调值，并通知VCSEL电流扫描模块（404）下一个阶梯变化后的数字扫描信号，直至VCSEL电流扫描模块（404）输出所有数字扫描信号，第一相敏解调模块（403）计算最大电流相敏解调值和最小电流相敏解调值的平均值作为定相位电流相敏解调平均值，幅度调制模块（405）用于为VCSEL电流扫描模块（404）提供幅值调节信号，

在电流变相位扫描阶段：

VCSEL电流扫描模块（404）输出定相位电流相敏解调平均值对应的数字扫描信号，VCSEL电流控制环路时序控制模块（407）将数字扫描信号输出到数模转换电路（2），数模转换电路（2）输出对应的模拟信号到电压/电流转换电路（1），电压/电流转换电路（1）输出对应的驱动电流到VCSEL，模数转换电路（6）将采集到的光检信号输入到第一数字滤波器（401），第一数字滤波器（401）通过窄带滤波将光检信号中VCSEL电流调制测量信号提取出来发送到第一相位扫描锁定模块（402），第一相位扫描锁定模块（402）将0°增加至360°的各个相位和VCSEL电流调制测量信号发送到第一相敏解调模块（403），第一相敏解调模块（403）计算不同相位下的电流相敏解调值，并将不同相位下的计算获得最大电流相敏解调值和最小电流相敏解调值的平均值作为变相位电流相敏解调平均值，最大电流相敏解调值对应的相位为最优电流相位，幅度调制模块（405）用于为VCSEL电流扫描模块（404）提供幅值调节信号，

在电流反馈控制阶段：

第一相位扫描锁定模块（402）的相位固定为最优电流相位，第一相敏解调模块（403）输出电流反馈解调值到VCSEL电流反馈模块（406），电流反馈解调值的初始值为变相位电流相敏解调平均值，VCSEL电流反馈模块（406）根据电流反馈解调值输出数字反馈信号，VCSEL电流控制环路时序控制模块（407）将数字反馈信号输出到数模转换电路（2），数模转换电路（2）输出对应的模拟信号到电压/电流转换电路（1），电压/电流转换电路（1）输出对应的驱动电流到VCSEL，模数转换电路（6）将采集到的光检信号输入到第一数字滤波器（401），第一数字滤波器（401）通过窄带滤波将光检信号中VCSEL电流反馈测量信号提取出来发送到第一相位扫描锁定模块（402），第一相位扫描锁定模块（402）将VCSEL电流反馈测量信号和最优电流相位发送到第一相敏解调模块（403），幅度调制模块（405）用于为VCSEL电流反馈模块（406）提供幅值调节信号，

在电流反馈控制阶段：

VCSEL电流反馈模块（406）根据电流反馈解调值输出数字反馈信号，电压/电流转换电路（1）输出对应的电流基于以下公式：

记当前电流反馈控制的电流反馈解调值Y _n 对应的电压/电流转换电路（1）输出的电流为I _n ，上一次反馈控制的电流反馈解调值Y _n-1 对应的电压/电流转换电路（1）输出的电流为I _n-1 ，电流定相位扫描阶段的最大电流相敏解调值Y _max 对应的电压/电流转换电路（1）输出的电流为I _max ，电流定相位扫描阶段的最小电流相敏解调值Y _min 对应的电压/电流转换电路（1）输出的电流为I _min ，

；

，

FPGA（4）还包括第二数字滤波器（408）、第二相位扫描锁定模块（409）、第二相敏解调模块（410）、频率合成器频率扫描模块（411）、移频键控调制模块（412）、频率合成器频率反馈模块（413）、以及频率合成器频率控制环路时序控制模块（414），

在频率定相位扫描阶段：

第一相位扫描锁定模块（402）中的相位设置为设定相位，频率合成器频率扫描模块（411）输出频率扫描信号，频率合成器频率控制环路时序控制模块（414）将频率扫描信号输出到频率合成电路（3）中，频率合成电路（3）生成对应的线圈射频信号到射频线圈，模数转换电路（6）将采集到的光检信号输入到第二数字滤波器（408），第二数字滤波器（408）通过窄带滤波将光检信号中VCSEL射频调制测量信号提取出来发送到第二相位扫描锁定模块（409），第二相位扫描锁定模块（409）将设定相位和VCSEL射频调制测量信号发送给第二相敏解调模块（410），第二相敏解调模块（410）根据设定相位和VCSEL射频调制测量信号计算出与当前频率扫描信号对应的频率相敏解调值，并通知频率合成器频率扫描模块（411）输出下一个频率扫描信号，直至频率合成器频率扫描模块（411）输出所有的频率扫描信号，第二相敏解调模块（410）获得最大频率相敏解调值和最小频率相敏解调值的平均值作为定相位频率相敏解调平均值，移频键控调制模块（412）为频率合成器频率扫描模块（411）提供移频信号，

在频率变相位扫描阶段：

频率合成器频率扫描模块（411）输出定相位频率相敏解调平均值对应的频率扫描信号，频率合成器频率控制环路时序控制模块（414）将频率扫描信号输出到频率合成电路（3）中，频率合成电路（3）生成对应的线圈射频信号到射频线圈，模数转换电路（6）将采集到的光检信号输入到第二数字滤波器（408），第二数字滤波器（408）通过窄带滤波将光检信号中VCSEL射频调制测量信号提取出来发送到第二相位扫描锁定模块（409），第二相位扫描锁定模块（409）输出0°增加至360°的各个相位和VCSEL射频调制测量信号发送到第二相敏解调模块（410），第二相敏解调模块（410）计算出不同相位下的频率相敏解调制，并将不同相位下的计算获得的最大频率相敏解调制和最小电流相敏解调制的平均值作为变相位频率相敏解调平均值，最大频率相敏解调制对应的相位为最优频率相位，移频键控调制模块（412）为频率合成器频率扫描模块（411）提供移频信号，

在频率反馈控制阶段：

第二相位扫描锁定模块（409）的相位固定为最优频率相位，第二相敏解调模块（410）输出频率反馈解调值到频率合成器频率反馈模块（413），频率反馈解调值的初始值为变相位频率相敏解调平均值，频率合成器频率反馈模块（413）根据频率反馈解调值输出频率反馈信号，频率合成器频率控制环路时序控制模块（414）将频率反馈信号输出到频率合成电路（3），频率合成电路（3）输出对应的线圈射频信号到射频线圈，模数转换电路（6）将采集到的光检信号输入到第二数字滤波器（408），第二数字滤波器（408）通过窄带滤波将光检信号中VCSEL射频调制测量信号提取出来发送到第二相位扫描锁定模块（409），第二相位扫描锁定模块（409）将最优频率相位和VCSEL射频调制测量信号发送给第二相敏解调模块（410），移频键控调制模块（412）为频率合成器频率反馈模块（413）提供移频信号，

在频率反馈控制阶段：

频率合成器频率反馈模块（413）根据频率反馈解调值输出频率反馈信号，频率合成电路（3）输出对应的线圈射频信号基于以下公式：

记当前频率反馈控制的频率反馈解调值M _n 对应的频率合成电路（3）输出的线圈射频信号的频率为F _n ，上一次频率反馈控制的频率反馈解调值M _n-1 对应的频率合成电路（3）输出的线圈射频信号的频率为F _n-1 ，频率定相位扫描阶段的最大频率相敏解调值M _max 对应的频率合成电路（3）输出的线圈射频信号的频率为F _max ，最小频率相敏解调值M _min 对应的频率合成电路（3）输出的线圈射频信号的频率为F _min ，

；

。

2.根据权利要求1所述一种微型Mz光泵原子传感器的伺服环路锁定装置，其特征在于，数模转换电路包括数模转换器和运算放大器，数模转换器的时序控制引脚与FPGA（4）的时序控制引脚连接，FPGA（4）控制数模转换器的第一电压输出端和第二电压输出端输出数字扫描信号或数字反馈信号对应的差分电压信号到运算放大器，运算放大器对差分电压信号进行放大输出。

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