CN203166873U

CN203166873U - 一种原子频标

Info

Publication number: CN203166873U
Application number: CN 201320062878
Authority: CN
Inventors: 雷海东
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2023-02-04

Abstract

本实用新型公开了一种原子频标，属于电子技术领域。所述原子频标包括晶体振荡模块、隔离放大器、综合模块、微波倍混频模块、量子系统、以及伺服模块，所述原子频标还包括用于接收全球定位信号的GPS接收模块、用于将隔离放大器输出信号分频为与全球定位信号频率相等的频率信号的DDS分频模块、以及用于比较全球定位信号和DDS分频模块输出信号的鉴相器；隔离放大器、DDS分频模块、鉴相器、晶体振荡模块依次电连接；GPS接收模块与鉴相器电连接。本实用新型使晶体振动模块输出信号的频率不会由于温度变化而出现大范围改变，从而将晶体振荡模块的输出频率锁定在原子基态超精细0-0中心频率上。

Description

一种原子频标

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，特别涉及一种原子频标。

背景技术

原子频标是提供标准频率和时间的设备。铷原子频标因其具有体积小、低功耗和较好的抗恶劣环境的能力，而成为应用最广泛的一种原子频标。它同时具有较好的指标，能满足绝大多数军用和民用工程的需要，具体可用于预警机、战机、电子对抗、第三代移动通信技术网络和电力监控等工程领域。

现有的原子频标包括压控晶振、隔离放大器、微波倍混频模块、量子系统、综合模块以及伺服模块。其中，压控晶振用于输出原始频率信号；隔离放大器用于将压控晶振输出的原始频率信号进行隔离和放大；综合模块用于产生综合调制信号和参考信号；微波倍混频模块用于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；量子系统用于对微波探询信号进行鉴频，产生光检信号；伺服模块用于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；通过上述结构单元，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：

由于压控晶振很容易受到温度变化的影响，而且微波倍混频模块、综合模块、伺服模块与压控晶振的性能指标是相配的，因此，当温度发生变化时，压控晶振的输出信号频率会发生大范围的改变，进而导致无法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。

实用新型内容

为了解决现有技术无法将压控晶振的输出频率锁定在原子基态超精细0-0中心频率上的问题，本实用新型实施例提供了一种原子频标。所述技术方案如下：

本实用新型实施例提供了一种原子频标，所述原子频标包括：

用于输出原始频率信号的晶体振荡模块；

用于隔离和放大所述原始频率信号的隔离放大器；

用于产生综合调制信号和参考信号的综合模块；

用于对所述隔离放大器的输出信号和所述综合调制信号同时进行倍频和混频并产生微波探询信号的微波倍混频模块；

用于对所述微波探询信号进行鉴频并产生光检信号的量子系统；以及

用于对所述光检信号进行选频放大，并将选频放大后的光检信号与所述参考信号进行同步鉴相，以产生纠偏电压的伺服模块；

所述晶体振荡模块分别与所述隔离放大器、所述伺服模块电连接，所述隔离放大器通过所述微波倍混频模块与所述量子系统电连接，所述隔离放大器通过所述综合模块与所述伺服模块电连接，所述微波倍混频模块与所述综合模块电连接，所述量子系统与所述伺服模块电连接，

所述原子频标还包括：

用于接收全球定位信号的全球定位系统接收模块；

用于将所述隔离放大器输出信号分频为与所述全球定位信号频率相等的频率信号的直接数字式频率合成器分频模块；以及

用于比较所述全球定位信号和所述直接数字式频率合成器分频模块输出信号的鉴相器；

所述隔离放大器、所述直接数字式频率合成器分频模块、所述鉴相器、所述晶体振荡模块依次电连接；所述全球定位系统接收模块与所述鉴相器电连接。

具体地，所述晶体振荡模块包括振荡电路、第一热敏电阻、第一变容二极管、以及第二变容二极管；所述第一热敏电阻与所述振荡电路电连接；所述第一变容二极管的负极和所述第二变容二极管的负极分别接所述振荡电路，所述第一变容二极管的正极接所述直接数字式频率合成器分频模块，所述第二变容二极管的正极接所述伺服模块。

进一步地，所述原子频标还包括用于根据所述晶体振荡模块周围温度变化控制所述晶体振荡模块的温度补偿电路，所述晶体振荡模块还包括第三变容二极管；所述温度补偿电路分别与所述第三变容二极管的正极、所述综合模块电连接，所述第三变容二极管的负极接所述振荡电路。

具体地，所述温度补偿电路包括用于比较所述晶体振荡模块周围温度和所设温度的温度比较电桥、用于稳定比较结果的电压跟随单元、用于放大比较结果的放大单元、以及用于对放大后的信号进行增益线性调节的调节单元；所述温度比较电桥、所述电压跟随单元、所述放大单元、所述调节单元依次电连接。

更具体地，所述温度比较电桥包括用于设定温度的热敏电阻传感器、用于测量温度的第二热敏电阻、第一电阻、以及第二电阻；所述热敏电阻传感器的一端与所述第一电阻的一端相连，所述热敏电阻传感器的另一端接地，所述第一电阻的另一端接电源；所述第二热敏电阻的一端与所述第二电阻的一端相连，所述第二热敏电阻的另一端接地，所述第二电阻的另一端接电源。

更具体地，所述电压跟随单元包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三电阻、以及第四电阻；所述热敏电阻传感器和所述第一电阻的连接点与所述第一运算放大器的同相输入端相连，所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端相连；所述第二热敏电阻和所述第二电阻的连接点与所述第二运算放大器的同相输入端相连，所述第二运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的输出端相连；所述第三电阻的一端与所述第一运算放大器的输出端相连，所述第四电阻的一端与所述第二运算放大器的输出端相连。

更具体地，所述放大单元包括第三运算放大器和第五电阻；所述第三运算放大器的反相输入端通过所述第三电阻与所述第一运算放大器的输出端相连，所述第三运算放大器的同相输入端通过所述第四电阻与所述第二运算放大器的输出端相连；所述第五电阻的一端接所述第三运算放大器的反相输入端，所述第五电阻的另一端接地。

更具体地，所述调节单元包括可变电阻、第四运算放大器、第六电阻、以及第七电阻；所述可变电阻的一端与所述第三运算放大器的输出端相连，所述可变电阻的另一端与所述第四运算放大器的反相输入端相连；所述第四运算放大器的反相输入端通过所述第七电阻与所述第四运算放大器的输出端相连，所述第四运算放大器的同相输入端接地；所述第六电阻的一端接所述第四运算放大器的输出端，所述第六电阻的另一端接所述第三运算放大器的同相输入端。

另外，所述原子频标还包括用于对所述晶体振荡电路输出信号进行选频放大的选频放大电路、用于对所述选频放大电路输出信号进行整形的信号整形电路、以及用于对所述鉴相器输出信号进行滤波的环路滤波电路，所述晶体振荡模块依次通过所述选频放大电路、所述信号整形电路与所述隔离放大器电连接，所述鉴相器通过所述环路滤波电路与所述晶体振荡模块电连接。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过将接收的全球定位信号与晶体振荡模块产生并进行分频处理的频率信号进行对比，根据对比后的结果对晶体振荡模块进行控制，使晶体振动模块输出信号的频率不会由于温度变化而出现大范围改变，从而将晶体振荡模块的输出频率锁定在原子基态超精细0-0中心频率上。

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提供的一种原子频标的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的晶体振荡模块的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的温度补偿电路的电路图。

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

本实用新型实施例提供了一种原子频标，参见图1，该原子频标包括晶体振荡模块1、隔离放大器2、综合模块3、微波倍混频模块4、量子系统5、伺服模块6、GPS(Global Positioning System，全球定位系统)接收模块7、DDS（Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器）分频模块8、以及鉴相器9。

其中，晶体振荡模块1用于输出原始频率信号。隔离放大器2与晶体振荡模块1电连接，用于隔离和放大原始频率信号。综合模块3与隔离放大器2电连接，用于产生综合调制信号和参考信号。微波倍混频模块4分别与隔离放大器2、综合模块3电连接，用于对隔离放大器2的输出信号和综合调制信号同时进行倍频和混频并产生微波探询信号。量子系统5与微波倍混频模块4电连接，用于对微波探询信号进行鉴频并产生光检信号。伺服模块6分别与综合模块3、量子系统5、晶体振荡模块1电连接，用于对光检信号进行选频放大，并将选频放大后的光检信号与参考信号进行同步鉴相，以产生纠偏电压。GPS接收模块7，用于接收全球定位信号。DDS分频模块与隔离放大器2电连接，用于将隔离放大器2输出信号分频为与全球定位信号频率相等的频率信号。鉴相器9分别与GPS接收模块7、DDS分频模块8、晶体振荡模块1电连接，用于比较全球定位信号和DDS分频模块8输出信号。

优选地，参见图2，晶体振荡模块1包括振荡电路11、第一热敏电阻Ri、第一变容二极管D1、以及第二变容二极管D2。第一热敏电阻Ri与振荡电路11电连接。第一变容二极管D1的负极和第二变容二极管D2的负极分别接振荡电路11，第一变容二极管D1的正极接DDS分频模块8，第二变容二极管D2的正极接伺服模块6。

具体地，DDS分频模块8可以包括DDS和用于提供串行通讯时序的处理器。DDS分别与隔离放大器2、处理器、鉴相器9电连接。

具体地，GPS接收模块7可以包括GPS天线和GPS接收机。GPS接收机分别与GPS天线、鉴相器9电连接。

在具体实现中，全球定位信号的频率为10KHz，DDS分频模块8对频率为10MHz的原始频率信号进行1/1000分频得到频率为10KHz的信号。

更具体地，GPS接收模块7可以选用Jupiter12系列TU35-D4101-021。

更具体地，鉴相器9可以选用74HCT9046A芯片。

另外，参见图3，该原子频标还包括用于根据晶体振荡模块1周围温度变化控制晶体振荡模块1的温度补偿电路。相对地，晶体振荡模块1还包括第三变容二极管。温度补偿电路分别与第三变容二极管的正极、综合模块3电连接，第三变容二极管的负极接振荡电路11。

具体地，温度补偿电路包括用于比较晶体振荡模块1周围温度和所设温度的温度比较电桥a、用于稳定比较结果的电压跟随单元b、用于放大比较结果的放大单元c、以及用于对放大后的信号进行增益线性调节的调节单元d。温度比较电桥a、电压跟随单元b、放大单元c、调节单元d依次电连接。

更具体地，温度比较电桥a包括用于设定温度的热敏电阻传感器R0、用于测量温度的第二热敏电阻Rk、第一电阻R1、以及第二电阻R2。热敏电阻传感器R0的一端与第一电阻R1的一端相连，热敏电阻传感器R0的另一端接地，第一电阻R1的另一端接电源。第二热敏电阻Rk的一端与第二电阻R2的一端相连，第二热敏电阻Rk的另一端接地，第二电阻R2的另一端接电源。

更具体地，电压跟随单元02包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第三电阻R3、以及第四电阻R4。热敏电阻传感器R0和第一电阻R1的连接点与第一运算放大器A1的同相输入端相连，第一运算放大器A1的反相输入端与第一运算放大器A1的输出端相连。第二热敏电阻Rk和第二电阻R2的连接点与第二运算放大器A2的同相输入端相连，第二运算放大器A2的反相输入端与第二运算放大器A2的输出端相连。第三电阻R3的一端与第一运算放大器A1的输出端相连，第四电阻R4的一端与第二运算放大器A2的输出端相连。

更具体地，放大单元03包括第三运算放大器A3和第五电阻R5。第三运算放大器A3的反相输入端通过第三电阻R3与第一运算放大器A1的输出端相连，第三运算放大器A3的同相输入端通过第四电阻R4与第二运算放大器A2的输出端相连。第五电阻R5的一端接第三运算放大器A3的反相输入端，第五电阻R5的另一端接地。

更具体地，调节单元54包括可变电阻Rj、第四运算放大器A4、第六电阻R6、以及第七电阻R7。可变电阻Rj的一端与第三运算放大器A3的输出端相连，可变电阻Rj的另一端与第四运算放大器A4的反相输入端相连。第四运算放大器A4的反相输入端通过第七电阻R7与第四运算放大器A4的输出端相连，第四运算放大器A4的同相输入端接地。第六电阻R6的一端接第四运算放大器A4的输出端，第六电阻R6的另一端接第三运算放大器A3的同相输入端。

另外，该原子频标还包括用于对晶体振荡电路1输出信号进行选频放大的选频放大电路、用于对选频放大电路输出信号进行整形的信号整形电路、以及用于对鉴相器9输出信号进行滤波的环路滤波电路。晶体振荡模块1依次通过选频放大电路、信号整形电路与隔离放大器2电连接。鉴相器9通过环路滤波电路与晶体振荡模块1电连接。

下面简单介绍一下本实用新型提供的原子频标的工作原理：

晶体振荡模块1中的振荡电路11起振后，晶体振荡模块1的输出信号依次通过选频放大电路、信号整形电路、隔离放大器2的处理后，分成三路输出。一路向外输出。另一路传输到微波倍混频模块4与综合模块3的输出信号同时进行处理，输出信号作用在量子系统5中的铷原子上，使原子发生跃迁。原子跃迁后，输出的光检信号经过伺服模块6的处理，产生纠偏电压，纠偏电压通过第二变容二极管D2控制振荡电路11输出信号的频率。又一路传输到DDS分频模块8进行分频处理，分频后的信号与GPS接收模块7接收的信号在鉴相器9中进行对比。若两个信号的瞬时相位差为一常数时，则两信号的频率相等，否则两信号的频率不相等。对比后的结果通过第一变容二极管D1调节振荡电路11输出信号的频率。

同时，温度补偿电路比较当前温度是否等于设定温度，若当前温度等于设定温度时，第二热敏电阻Rk和热敏电阻传感器R0相等，温度补偿电路输出为0；若当前温度不等于设定温度时，温度比较单元a两个输出端存在电压差，电压差经过电压跟随单元b的传输、放大单元c的放大、调节单元d的调节、综合模块3中微处理器的处理，作用在第三变容二极管D3上，调节振荡电路11输出信号的频率。另外，第一热敏电阻Ri直接作用于振荡电路11上，调节振荡电路11输出信号的频率。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过将接收的全球定位信号与晶体振荡模块产生并进行分频处理的频率信号进行对比，根据对比后的结果对晶体振荡模块进行控制，使晶体振动模块输出信号的频率不会由于温度变化而出现大范围改变，从而将晶体振荡模块的输出频率锁定在原子基态超精细0-0中心频率上。而且，温度补偿电路进一步补偿了晶体振荡模块由于温度变化而导致的输出信号频率变化。另外，选频放大电路、信号整形电路、环路滤波电路使整个电路的输出信号更加准确。

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，所述原子频标包括：

用于输出原始频率信号的晶体振荡模块；

用于隔离和放大所述原始频率信号的隔离放大器；

用于产生综合调制信号和参考信号的综合模块；

其特征在于，所述原子频标还包括：

用于接收全球定位信号的全球定位系统接收模块；

2.根据权利要求1所述的原子频标，其特征在于，所述晶体振荡模块包括振荡电路、第一热敏电阻、第一变容二极管、以及第二变容二极管；所述第一热敏电阻与所述振荡电路电连接；所述第一变容二极管的负极和所述第二变容二极管的负极分别接所述振荡电路，所述第一变容二极管的正极接所述直接数字式频率合成器分频模块，所述第二变容二极管的正极接所述伺服模块。

3.根据权利要求2所述的原子频标，其特征在于，所述原子频标还包括用于根据所述晶体振荡模块周围温度变化控制所述晶体振荡模块的温度补偿电路，所述晶体振荡模块还包括第三变容二极管；所述温度补偿电路分别与所述第三变容二极管的正极、所述综合模块电连接，所述第三变容二极管的负极接所述振荡电路。

4.根据权利要求3所述的原子频标，其特征在于，所述温度补偿电路包括用于比较所述晶体振荡模块周围温度和所设温度的温度比较电桥、用于稳定比较结果的电压跟随单元、用于放大比较结果的放大单元、以及用于对放大后的信号进行增益线性调节的调节单元；所述温度比较电桥、所述电压跟随单元、所述放大单元、所述调节单元依次电连接。

5.根据权利要求4所述的原子频标，其特征在于，所述温度比较电桥包括用于设定温度的热敏电阻传感器、用于测量温度的第二热敏电阻、第一电阻、以及第二电阻；所述热敏电阻传感器的一端与所述第一电阻的一端相连，所述热敏电阻传感器的另一端接地，所述第一电阻的另一端接电源；所述第二热敏电阻的一端与所述第二电阻的一端相连，所述第二热敏电阻的另一端接地，所述第二电阻的另一端接电源。

6.根据权利要求5所述的原子频标，其特征在于，所述电压跟随单元包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三电阻、以及第四电阻；所述热敏电阻传感器和所述第一电阻的连接点与所述第一运算放大器的同相输入端相连，所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端相连；所述第二热敏电阻和所述第二电阻的连接点与所述第二运算放大器的同相输入端相连，所述第二运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的输出端相连；所述第三电阻的一端与所述第一运算放大器的输出端相连，所述第四电阻的一端与所述第二运算放大器的输出端相连。

7.根据权利要求6所述的原子频标，其特征在于，所述放大单元包括第三运算放大器和第五电阻；所述第三运算放大器的反相输入端通过所述第三电阻与所述第一运算放大器的输出端相连，所述第三运算放大器的同相输入端通过所述第四电阻与所述第二运算放大器的输出端相连；所述第五电阻的一端接所述第三运算放大器的反相输入端，所述第五电阻的另一端接地。

8.根据权利要求7所述的原子频标，其特征在于，所述调节单元包括可变电阻、第四运算放大器、第六电阻、以及第七电阻；所述可变电阻的一端与所述第三运算放大器的输出端相连，所述可变电阻的另一端与所述第四运算放大器的反相输入端相连；所述第四运算放大器的反相输入端通过所述第七电阻与所述第四运算放大器的输出端相连，所述第四运算放大器的同相输入端接地；所述第六电阻的一端接所述第四运算放大器的输出端，所述第六电阻的另一端接所述第三运算放大器的同相输入端。

9.根据权利要求1所述的原子频标，其特征在于，所述原子频标还包括用于对所述晶体振荡电路输出信号进行选频放大的选频放大电路、用于对所述选频放大电路输出信号进行整形的信号整形电路、以及用于对所述鉴相器输出信号进行滤波的环路滤波电路，所述晶体振荡模块依次通过所述选频放大电路、所述信号整形电路与所述隔离放大器电连接，所述鉴相器通过所述环路滤波电路与所述晶体振荡模块电连接。