CN203166872U

CN203166872U - 原子频标漂移修复系统及具有该系统的原子频标

Info

Publication number: CN203166872U
Application number: CN 201320059545
Authority: CN
Inventors: 雷海东
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2023-02-01

Abstract

本实用新型公开了一种原子频标漂移修复系统及具有该系统的原子频标，属于原子频标领域。所述系统包括：电流检测模块、稳定度检测模块、数模转换器、处理模块和恒流源驱动模块。本实用新型通过检测原子频标的频率稳定度，并根据频率稳定度与电流变化值的对应关系，获得与检测到的频率稳定度对应的电流变化值，将电流变化值除以n得到第一电流值，依次取第一电流值的1至n倍与检测到的当前电流值求和，并将每次求和后的电流转换为对应的电压值输出至恒流源驱动模块调整端，使得调整后的C场线圈电流得到电流变化值的调整，从而修复原子频标的漂移量。

Description

原子频标漂移修复系统及具有该系统的原子频标

技术领域

本实用新型涉及原子钟领域，特别涉及一种原子频标漂移修复系统及具有该系统的原子频标。

背景技术

原子频标作为高稳定、高精度的时间同步源，正被广泛应用于航天、通讯等众多领域。

现有的原子频标主要包括压控晶振、隔离放大器、倍混频模块、物理单元、综合模块以及伺服电路。其中，压控晶振输出原始频率信号；隔离放大器将压控晶振的输出频率信号进行隔离和放大；综合模块产生综合调制信号和同步参考信号；倍混频模块对隔离放大器的输出信号和综合模块产生的综合调制信号同时进行倍频和混频，以产生微波探询信号；物理单元对微波探询信号进行鉴频，产生光检信号；伺服电路对光检信号进行选频放大和方波整形并与参考信号进行同步鉴相，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；通过上述结构模块，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。

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

原子频标长时间连续工作时，其输出频率值随着时间推移会缓慢地变化，甚至会单方向变化，这种频率变化称为频率漂移，频率漂移会导致原子频标的频率准确度降低，而现有结构的原子频标无法消除上述频率漂移。

实用新型内容

为了解决现有技术原子频标长时间连续工作时，产生的频率漂移的问题，本实用新型实施例提供了一种原子频标漂移修复系统及具有该系统的原子频标。所述技术方案如下：

一方面，本实用新型实施例提供了一种原子频标漂移修复系统，所述系统包括：

用于检测原子频标的C场线圈当前电流值的电流检测模块；

用于根据所述原子频标的输出频率测量所述原子频标的频率稳定度的稳定度检测模块，所述频率稳定度是指输出频率与额定频率的差值与额定频率的比值；

数模转换器、恒流源驱动模块；

用于根据频率稳定度与电流变化值的对应关系，获得与所述稳定度检测模块检测到的频率稳定度对应的电流变化值，将所述电流变化值除以n得到第一电流值，依次取第一电流值的1至n倍与所述电流检测模块检测到的所述当前电流值求和，并将每次求和后的电流转换为对应的电压值，通过所述数模转换器将所述对应的电压值输出至所述恒流源驱动模块的调整端的处理模块，其中n≥2；

其中，所述稳定度检测模块分别与所述原子频标的隔离放大器和所述处理模块电连接，所述数模转换器分别与所述处理模块和所述恒流源驱动模块电连接，所述电流检测模块分别与所述处理模块和所述恒流源驱动模块电连接。

优选地，所述稳定度检测模块为频率稳定度测试仪。

其中，所述恒流源驱动模块为电压控制电流源。

进一步地，所述恒流源驱动模块包括：采样电阻R5、运算放大器U2、差分放大器U3、电压调整器U1、二极管D4和滑动变阻器R11；所述采样电阻R5与所述C场线圈串联且连接在所述运算放大器U2的两输入端之间，所述差分放大器U3的反相输入端与所述运算放大器U2的输出端连接，所述差分放大器U3的同相输入端与所述数模转换器相连，所述差分放大器U3的输出端与所述电压调整器U1的调整端ADJ相连，所述电压调整器U1的输入端与电源相连，所述电压调整器U1的输出端与所述C场线圈相连；所述滑动变阻器R11连接在所述运算放大器U2反相输入端和输出端之间；所述二极管D4与所述C场线圈并联，且所述二极管D4的负极与所述电压调整器U1电连接。

其中，所述电流检测模块包括：用于检测所述采样电阻R5两端电压的模数转换器，以及用于根据采样电阻R5的电阻值和所述采样到的电压计算所述C场线圈的当前电流值的计算单元，所述模数转换器分别与所述采样电阻R5和所述计算单元电连接，所述计算单元与所述处理模块电连接。

其中，处理模块包括：

用于根据频率稳定度与电流变化值的对应关系，获得与所述稳定度检测模块检测到的所述频率稳定度对应的电流变化值的查找单元；

用于将所述电流变化值除以n得到第一电流值，依次取第一电流值的1至n倍与所述电流检测模块检测到的所述当前电流值求和，并将每次求和后的电流值转换为对应的电压值的求和单元，其中n≥2；

用于通过所述数模转换器将所述对应的电压值输出至所述恒流源驱动模块的调整端的输出单元；

其中，所述计算单元分别与所述查找单元和所述输出单元电连接。

其中，所述处理模块为微控制器或可编程逻辑控制器。

另一方面，本实用新型实施例还提供了一种具有漂移修复系统的原子频标，所述原子频标包括：压控晶振、隔离放大器、倍混频模块、物理单元、综合模块和伺服电路，所述隔离放大器分别与所述压控晶振、所述倍混频模块以及所述综合模块电连接，所述倍混频模块分别与所述物理单元和所述综合模块电连接，所述伺服电路分别与所述压控晶振、所述物理单元以及所述综合模块电连接，所述原子频标还包括：如上所述的漂移修复系统，所述漂移修复系统分别与所述隔离放大器和所述物理单元电连接。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过检测原子频标的频率稳定度，并根据频率稳定度与电流变化值的对应关系，获得与检测到的频率稳定度对应的电流变化值，将电流变化值除以n得到第一电流值，依次取第一电流值的1至n倍与检测到的当前电流值求和，并将每次求和后的电流转换为对应的电压值输出至恒流源驱动模块调整端，使得调整后的C场线圈电流得到电流变化值的调整，从而修复原子频标的漂移量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例一提供的原子频标漂移修复系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一提供的原子频标漂移修复系统中恒流源驱动模块的结构示意图；

图3是本实用新型实施例一提供的螺旋管式C场线圈的结构示意图；

图4是本实用新型实施例二提供的具有漂移修复系统的原子频标的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本实用新型实施例提供了一种原子频标漂移修复系统，参见图1，该系统包括：电流检测模块101、稳定度检测模块102、数模转换器103、处理模块104和恒流源驱动模块105，稳定度检测模块102分别与原子频标的隔离放大器106和处理模块104电连接，数模转换器103分别与处理模块104和恒流源驱动模块105电连接，电流检测模块101分别与处理模块104和恒流源驱动模块105电连接，恒流源驱动模块105还与C场线圈107电连接。

其中，电流检测模块101用于检测原子频标的C场线圈107当前电流值；稳定度检测模块102用于根据原子频标的输出频率测量原子频标整机的频率稳定度，频率稳定度是指输出频率与额定频率的差值与额定频率的比值；处理模块104用于根据频率稳定度与电流变化值的对应关系，获得与稳定度检测模块102检测到的频率稳定度对应的电流变化值，将电流变化值除以n得到第一电流值，依次取第一电流值的1至n倍与电流检测模块101检测到的当前电流值求和，并将每次求和后的电流转换为对应的电压值，通过数模转换器103将该对应的电压值输出值恒流源驱动模块105的调整端，其中n≥2。

容易知道，上述将电流变化值等分为n份，依次增大设定电压，是为了避免过大的修正造成铷频标输出频率的跳变，从而影响整机的短期频率稳定度指标。因此这里在进行修正时，需要分n次完成。

其中，稳定度检测模块102为频率稳定度测试仪。稳定度检测模块102采用高稳时钟源作为参考。

参见图2，恒流源驱动模块104为电压控制电流源，容易知道，恒流源驱动模块104包括：

采样电阻R5、运算放大器U2、差分放大器U3、电压调整器U1、二极管D4和滑动变阻器R11；采样电阻R5与C场线圈107串联且连接在运算放大器U2的两输入端之间，差分放大器U3的反相输入端与运算放大器U2的输出端连接，差分放大器U3的同相输入端与数模转换器103相连，差分放大器U3的输出端与电压调整器U1的调整端ADJ相连，电压调整器U1的输入端与电源相连，电压调整器U1的输出端与C场线圈107相连；滑动变阻器R11连接在运算放大器U2反相输入端和输出端之间；二极管D4与C场线圈107并联，且二极管D4的负极与电压调整器U1电连接。采样电阻R5优选为锰铜电阻。容易知道，恒流源驱动模块104还包括电阻R1-R4、R6-R10，二极管D1-D3，电容C1-C8等外围器件，属于常见电路连接，这里不再赘述。

具体地，C场线圈107电流经采样电阻R5，产生微弱的采样电压，经过超低噪声运算放大器U2同相放大，放大的电压信号送往差分放大器U3的负端。差分放大器U3把负端采样电压与正端的处理模块104输出的设定电压的差值进行放大，输出到电压调整器U1的调整端，形成闭环反馈。当C场线圈107负载电流增加，则采样电阻R5上的电压增加，使运算放大器U2输出电压变大，差分放大器U3输出电压减小，电压调整器U1调整端电压减小，电压调整器U1输出电压变低，使负载电流减小，从而维持了负载电流的动态稳定，反之亦然。可以看出，差分放大器U3的正端的设定电压决定了负载电流的大小。

进一步地，电流检测模块101包括：用于检测采样电阻R5两端电压的模数转换器，以及用于根据采样电阻R5的电阻值和采样电压计算C场线圈107当前电流值的计算单元，模数转换器分别与采样电阻R5和计算单元电连接，计算单元与处理模块104电连接。因为，采样电阻R5与C场线圈107串联，所以计算单元根据采样电阻R5的电阻值和采样电压计算出的电流值即为C场线圈的电流值。

容易知道，由于采样电阻R5的阻值容易知道，所以实际上可以针对采样电阻R5计算与求和后电流值对应的电压值，因为当采样电阻R5的两端电压值锁定该计算出的对应的电压值时，采样电阻R5的电流值为求和后的电流值，C场线圈107的电流也就同样修正为该电流值，从而达到对漂移量的修复功能。

进一步地，处理模块104包括：

用于根据频率稳定度与电流变化值的对应关系，获得与稳定度检测模块102检测到的频率稳定度对应的电流变化值的查找单元；

用于将电流变化值除以n得到第一电流值，依次取第一电流值的1至n倍与电流检测模块101检测到的当前电流值求和，并将每次求和后的电流值转换为对应的电压值的求和单元，其中n≥2；

用于通过数模转换器103将对应的电压值输出至恒流源驱动模块105的调整端的输出单元；

其中，计算单元分别与查找单元和输出单元电连接。

具体地，处理模块104为微控制器或可编程逻辑控制器。

值得说明的是，处理模块104中存储有频率稳定度与电流变化值的对应关系，该对应关系可以根据以下方式事先获得：

集成泡中的铷原子的基态超精细0-0跃迁频率即是铷原子频标的鉴频参考频率f0。集成滤光共振泡内的铷原子运动方向是杂乱无章的，加上一个固定电流大小及方向的磁场（即C场），能够很好的起到“原子分裂”及“量子化轴”的作用。

对于⁸⁷Rb原子0－0跃迁而言，其频率f0与H的二次方成正比，与H的一次方无关，即

f＝f0+574.14H² （1）

式中f0为外界磁场为零时的频率，f是外界磁场为H时的共振频率。式（1）中H（磁场）的单位为“高斯”，f（共振频率）的单位为“赫兹”。在式（1）中对H进行求导得

df＝1148.28HdH （2）

式（2）两边除以原子共振中心频率f0，对于铷原子频标而言，我们取f0＝6834.6875MHz，则有

df/f0=1.68×10^-7HdH （3）

式（3）左边代表原子频标的频率稳定度，而右边反映了腔泡系统中C场线圈总磁场大小的变化，根据磁场大小和电流的关系，可以将式（3）转换为频率稳定度和电流变化的关系。

下面以常用的螺旋管式C场线圈为例，说明磁场大小和电流的关系，但本实用新型不限于螺旋管式C场线圈，其他形式C场线圈的磁场与电流的关系也是很容易获得的，这里不一一进行说明。如图3所示：

根据右手螺旋定则，电流产生的磁场方向可以方便地给出。其大小可用下列公式计算：

H = \frac{μ_{0}}{4_{π}} 2 πnI (\cos β_{1} - \cos β_{2}) - - - (4)

其中，n为线圈单位长度匝数，I为通电电流，

为一常数值10^-7。通电螺线管轴线上离中心点x处点A，

\cos β_{1} = \frac{x + \frac{L}{2}}{\sqrt{R_{1}^{2} + {(x + \frac{L}{2})}^{2}}},

\cos β_{2} = \frac{x - \frac{L}{2}}{\sqrt{R_{1}^{2} + {(x - \frac{L}{2})}^{2}}}

对于线圈单位长度匝数n，假设实际C场绕线的圈数为m，绕线的半径为r，则相应的n计算公式为

n = (\frac{L}{2 r} * m) / L = \frac{m}{2 r} - - - (5)

采用国际单位制，式（4）及（5）中各参数的单位如下：磁感应强度（H）：特斯拉；电流强度（I）：安培；长度单位（L、R1、x）：米。需要指出的是，式（1）中所提及的磁感应强度H，用“高斯”作单位，转换关系是：1特斯拉＝10⁴高斯。

根据上述公式我们就可以得出相应的“频率稳定度df/f0－C场电流变化值”的对应关系。

本实用新型实施例通过检测原子频标的频率稳定度，并根据频率稳定度与电流变化值的对应关系，获得与检测到的频率稳定度对应的电流变化值，将电流变化值除以n得到第一电流值，依次取第一电流值的1至n倍与检测到的当前电流值求和，并将每次求和后的电流转换为对应的电压值输出至恒流源驱动模块调整端，使得调整后的C场线圈电流得到电流变化值的调整，从而修复原子频标的漂移量。

实施例二

本实用新型实施例提供了一种具有漂移修复系统的原子频标，参见图4，该原子频标包括：压控晶振1、隔离放大器2、倍混频模块3、物理单元4、综合模块5和伺服电路6，隔离放大器2分别与压控晶振1、倍混频模块3以及综合模块5电连接，倍混频模块3分别与物理单元4和综合模块5电连接，伺服电路6分别与压控晶振1、物理单元4以及综合模块5电连接；该原子频标还包括：实施例一中描述的漂移修复系统7，漂移修复系统7分别与隔离放大器2和物理单元4电连接。

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。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种原子频标漂移修复系统，其特征在于，所述系统包括：

用于检测原子频标的C场线圈（107）当前电流值的电流检测模块（101）；

用于根据所述原子频标的输出频率，测量所述原子频标的频率稳定度的稳定度检测模块（102），所述频率稳定度是指所述输出频率与额定频率的差值与额定频率的比值；

数模转换器（103）、恒流源驱动模块（105）；

用于根据频率稳定度与电流变化值的对应关系，获得与所述稳定度检测模块（102）检测到的所述频率稳定度对应的电流变化值，将所述电流变化值除以n得到第一电流值，依次取第一电流值的1至n倍与所述电流检测模块（101）检测到的所述当前电流值求和，并将每次求和后的电流值转换为对应的电压值，通过所述数模转换器（103）将所述对应的电压值输出至所述恒流源驱动模块（105）的调整端的处理模块（104），其中n≥2；

其中，所述稳定度检测模块（102）分别与所述原子频标的隔离放大器（106）和所述处理模块（104）电连接，所述数模转换器（103）分别与所述处理模块（104）和所述恒流源驱动模块（105）电连接，所述电流检测模块（101）分别与所述处理模块（104）和所述恒流源驱动模块（105）电连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述稳定度检测模块（102）为频率稳定度测试仪。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述恒流源驱动模块（105）为电压控制电流源。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述恒流源驱动模块（105）包括：采样电阻R5、运算放大器U2、差分放大器U3、电压调整器U1、二极管D4和滑动变阻器R11；所述采样电阻R5与所述C场线圈（107）串联且连接在所述运算放大器U2的两输入端之间，所述差分放大器U3的反相输入端与所述运算放大器U2的输出端连接，所述差分放大器U3的同相输入端与所述数模转换器（103）相连，所述差分放大器U3的输出端与所述电压调整器U1的调整端ADJ相连，所述电压调整器U1的输入端与电源相连，所述电压调整器U1的输出端与所述C场线圈（107）相连；所述滑动变阻器R11连接在所述运算放大器U2反相输入端和输出端之间；所述二极管D4与所述C场线圈（107）并联，且所述二极管D4的负极与所述电压调整器U1电连接。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电流检测模块（101）包括：用于检测所述采样电阻R5两端电压的模数转换器，以及用于根据采样电阻R5的电阻值和所述采样到的电压计算所述C场线圈（107）的当前电流值的计算单元，所述模数转换器分别与所述采样电阻R5和所述计算单元电连接，所述计算单元与所述处理模块（104）电连接。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述处理模块（104）包括：

用于根据频率稳定度与电流变化值的对应关系，获得与所述稳定度检测模块（102）检测到的所述频率稳定度对应的电流变化值的查找单元；

用于将所述电流变化值除以n得到第一电流值，依次取第一电流值的1至n倍与所述电流检测模块（101）检测到的所述当前电流值求和，并将每次求和后的电流值转换为对应的电压值的求和单元，其中n≥2；

用于通过所述数模转换器（103）将所述对应的电压值输出至所述恒流源驱动模块（105）的调整端的输出单元；

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理模块（104）为微控制器或可编程逻辑控制器。

8.一种具有漂移修复系统的原子频标，所述原子频标包括：压控晶振（1）、隔离放大器（2）、倍混频模块（3）、物理单元（4）、综合模块（5）和伺服电路（6），所述隔离放大器（2）分别与所述压控晶振（1）、所述倍混频模块（3）以及所述综合模块（5）电连接，所述倍混频模块（3）分别与所述物理单元（4）和所述综合模块（5）电连接，所述伺服电路（6）分别与所述压控晶振（1）、所述物理单元（4）以及所述综合模块（5）电连接，其特征在于，所述原子频标还包括：如权利要求1-7任一项所述的漂移修复系统（7），所述漂移修复系统（7）分别与所述隔离放大器（2）和所述物理单元（4）电连接。