CN203387498U - 原子频标伺服锁定装置及原子频标 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种原子频标伺服锁定装置及原子频标，属于原子频标技术领域，所述装置包括：用于对原子频标的物理单元输出的量子鉴频信号和参考信号进行同步鉴相，产生电压差，并根据电压差和频率稳定度范围计算程控增益值的处理单元；用于采用程控增益值，对处理单元产生的电压差进行程控放大，得到纠偏电压，并采用纠偏电压对原子频标的压控晶振进行电压控制的程控增益单元；处理单元分别与程控增益单元和原子频标的物理单元电连接，程控增益单元与压控晶振电连接。本实用新型提供的技术方案，能够使原子频标输出在短时间内锁定原子基态超精细0-0跃迁中心频率，缩短了锁定所需的时间。

Description

原子频标伺服锁定装置及原子频标

技术领域

本实用新型涉及原子频标技术领域，特别涉及一种原子频标伺服锁定装置及原子频标。

背景技术

为获得大自然中比较稳定的时间频率，人们通过对铷、铯、氢等原子施加弱磁场，使其原子能级由基态转变为激发态，利用不受外界磁场干扰的基态超精细结构0-0跃迁中心频率作为参照时间频率值。

利用上述原理制成的原子频标主要包括以下部分：压控晶振、隔离放大器、射频倍频模块、微波倍混频模块、物理单元、伺服模块和综合模块；隔离放大器对压控晶振的输出信号进行隔离和放大，隔离放大器的输出信号经过射频倍频模块输出至微波倍混频模块，综合模块用于产生一路综合调制信号，微波倍混频模块对射频倍频模块的输出信号和综合调制信号进行倍频和混频，以产生微波探询信号；物理单元对微波探询信号进行鉴频，产生量子鉴频信号；伺服模块对量子鉴频信号进行选频放大后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跃迁中心频率上。

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：

当微波探寻信号与原子基态超精细0-0跃迁中心频率偏离较大时，直接将伺服模块输出的纠偏电压作用于压控晶振，使得压控晶振的输出频率改变很小，从而导致原子频标锁定原子基态超精细0-0跃迁中心频率所需的时间长。

实用新型内容

为了解决现有技术中原子频标锁定原子基态超精细0-0跃迁中心频率所需的时间长的问题，本实用新型实施例提供了原子频标伺服锁定装置及原子频标。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伺服锁定装置，所述装置包括:

用于对原子频标的物理单元输出的量子鉴频信号和参考信号进行同步鉴相，产生电压差，并根据所述电压差和频率稳定度范围计算程控增益值的处理单元；

用于采用所述程控增益值，对所述处理单元产生的所述电压差进行程控放大，得到纠偏电压，并采用所述纠偏电压对所述原子频标的压控晶振进行电压控制的程控增益单元

所述处理单元分别与所述程控增益单元和所述原子频标的物理单元电连接，所述程控增益单元与所述压控晶振电连接。

在本实用新型实施例的一种实现方式中，所述程控增益单元包括运算放大器。

在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述处理单元包括单片机。

在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括：

用于对所述量子鉴频信号进行选频放大后，输出到所述处理单元的选放单元，所述选放单元连接在所述物理单元和所述处理单元之间。

在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括：

连接在所述程控增益单元和所述压控晶振之间的数模转换器。

另一方面，本实用新型实施例还提供了一种原子频标，所述原子频标包括：

压控晶振；

用于产生综合调制信号的综合模块；

用于对所述压控晶振的输出信号进行倍频，得到倍频信号的射频倍频模块；

用于将所述综合模块产生的所述综合调制信号与所述射频倍频模块产生的所述倍频信号倍混频，产生微波探寻信号的微波倍混频模块；

用于对所述微波倍混频模块产生的所述微波探寻信号进行量子鉴频，产生量子鉴频信号的物理单元；

如上所述的伺服锁定装置；

所述压控晶振分别与所述综合模块、所述射频倍频模块和所述伺服锁定装置电连接，所述微波倍混频模块分别与所述射频倍频模块、所述综合模块和所述物理单元电连接，所述物理单元与所述伺服锁定装置电连接。

在本实用新型实施例的一种实现方式中，所述综合模块包括：直接数字式频率合成器，所述直接数字式频率合成器的主时钟引脚接所述压控晶振，所述直接数字式频率合成器的控制位引脚接所述伺服锁定装置。

在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述原子频标还包括：

连接在所述压控晶振和所述射频倍频模块之间的隔离放大器。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过根据电压差和频率稳定度范围计算程控增益值，并采用程控增益值，对处理单元产生的电压差进行程控放大，当微波探寻信号与原子基态超精细0-0跃迁中心频率偏离较大时，能够使原子频标输出在短时间内锁定原子基态超精细0-0跃迁中心频率，缩短了锁定所需的时间。

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伺服锁定装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例二提供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伺服锁定装置，参见图1，该装置包括：

处理单元102和程控增益单元103；

处理单元102用于对原子频标的物理单元输出的量子鉴频信号和参考信号进行同步鉴相，产生电压差，并根据电压差和频率稳定度范围计算程控增益值；

程控增益单元103用于采用程控增益值，对处理单元102产生的电压差进行程控放大，得到纠偏电压，并采用纠偏电压对原子频标的压控晶振进行电压控制；

处理单元102分别与程控增益单元103和原子频标的物理单元电连接，程控增益单元103与压控晶振电连接。

进一步地，该装置还包括，选放单元101，选放单元101用于对量子鉴频信号进行选频放大；选放单元101连接在物理单元和处理单元102之间。

进一步地，该装置还包括，连接在程控增益单元103和压控晶振之间的数模转换器104。

其中，处理单元102可以包括单片机。

优选地，程控增益单元103可以包括运算放大器。

具体地，为了实现同步鉴相，处理单元102需要产生相互之间相位关系明确可调的键控调频信号和参考信号，键控调频信号和参考信号的频率优选为79Hz。这些信号的产生由处理单元102通过相应的时钟中断或硬件分频技术来实现的。键控调频信号和参考信号可以是占空比为1:1的方波信号。

值得说明的是，来自物理单元的量子鉴频信号经选频放大后获得一个类似方波，处理单元根据同步采样时序对上述经处理后的量子鉴频信号，以及同步参考信号进行采样，分别获得相应的电压值U1、U2，得到电压差U=U2-U1。

程控增益单元根据电压差U和程控增益值A计算纠偏电压V，即：

V=A*U      公式①

其中，A的大小由频率稳定度范围决定，即使A*U产生的纠偏电压作用到压控晶振后，压控晶振输出信号频率发生变化在原子频标稳定度要求范围内。

其中，原子频标中压控晶振的压控斜率k定义了纠偏电压V与输出频率f之间的关系：

f=kV      公式②

假如连续两次纠偏电压（V1，V2）作用于压控晶振获得输出信号频率（f1，f2），根据公式②可得：f1=kV1，f2=kV2，两次纠偏电压作用使压控晶振输出的频率变化a为：

a=（f2-f1）/[(f2+f1)/2]      公式③

由于，两次作用使压控晶振输出的频率变化a要满足频率稳定度范围：小于等于频率稳定度b，即：

a≤b      公式④

其中，b为原子频标频率稳定度。

将公式③代入④可得到，

（f2-f1）/[(f2+f1)/2]≤b      公式⑤

其中，f1=kV1，f2=kV2，

所以上述公式⑤可转化为：

（kV2–kV1）/[(kV2+kV1)/2]≤b，

k（V2–V1）/[k(V2+V1)/2]≤b，

（V2–V1）/[(V2+V1)/2]≤b，

V2–V1≤b(V2+V1)/2，

V2–V1≤（bV2）/2+（bV1）/2，

（1-b/2）V2≤（1+b/2）V1，

V2≤（1+b/2）V1/（1-b/2）      公式⑥

V2是根据电压差U和程控增益值A计算出的当前纠偏电压，因此可将公式①写为：V2=A*U，并代入公式⑥可得到，

A U≤（2+b）V1/（2-b），

A≤（2+b）V1/[（2-b）U]。

综上，A≤（2+b）V1/[（2-b）U]，其中，U为当前电压差，V1为上次输出的纠偏电压。

因此，程控增益单元103可以根据A≤（2+b）V1/[（2-b）U]计算A的值。

在一种实现方式中，要求在锁定时满足频率稳定度为5E-12，在非锁定时满足频率稳定度5E-10，从而可以计算出锁定时和非锁定时A的范围，A的值可以根据锁定和非锁定进行选择。对于原子频标的锁定判断为现有成熟技术，这里不再赘述。

在另一种方式中，只根据需要满足的频率稳定度为5E-12，计算出A的范围，取其中的最大值作为A的值。

下面对程控增益单元的作用进行简单说明：当微波探询信号远离物理单元中的原子基态超精细0-0跃迁中心频率时（非锁定，无论是偏小还是偏大），从理论上讲，我们希望压控晶振大幅度变化，从而使微波探询信号更快的接近物理单元中的原子基态超精细0-0跃迁中心频率。此时U=U2-U1的差值绝对值将很大，程控增益单元获得的纠偏电压A*U也很大，经数模转换输出电压作用到压控晶振后使其输出信号频率发生大幅变化。当微波探询信号接近物理单元中的原子基态超精细0-0跃迁中心频率时（锁定，无论是偏小还是偏大），如果这时再用大幅的增益纠偏使压控晶振产生大幅度变化的话，将不利于锁定原子基态超精细0-0跃迁中心频率，此时我们希望压控晶振进行小幅变化纠偏，从而使微波探询信号更精确的接近物理单元中的原子基态超精细0-0跃迁中心频率。因为此时U的绝对值很小，程控增益单元获得的纠偏电压A*U也很小，所以经数模转换输出电压作用到压控晶振后使其输出信号频率发生小幅变化。

本实用新型实施例通过根据电压差和频率稳定度范围计算程控增益值，并采用程控增益值，对处理单元产生的电压差进行程控放大，当微波探寻信号与原子基态超精细0-0跃迁中心频率偏离较大时，能够使原子频标输出在短时间内锁定原子基态超精细0-0跃迁中心频率，缩短了锁定所需的时间。

实施例二

本实用新型实施例提供了一种原子频标，参见图2，该原子频标包括：

压控晶振201、射频倍频模块203、综合模块204、微波倍混频模块205、物理单元206和实施例一描述的伺服锁定装置207；

综合模块204用于产生综合调制信号；射频倍频模块203用于对压控晶振的输出信号进行倍频，得到倍频信号；微波倍混频模块205用于将综合模块产生的综合调制信号与射频倍频模块产生的倍频信号倍混频，产生微波探寻信号；物理单元206用于对微波倍混频模块产生的微波探寻信号进行量子鉴频，产生量子鉴频信号。

压控晶振201分别与综合模块204、射频倍频模块203和伺服锁定装置207电连接，微波倍混频模块205分别与射频倍频模块203、综合模块204和物理单元206电连接，物理单元206与伺服锁定装置207电连接。

优选地，综合模块204包括DDS（Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器）。DDS可采用AD9832芯片和外围电路组成。DDS的主时钟引脚接压控晶振201，DDS的控制位引脚接伺服锁定装置207。在另一种实现方式中，综合模块204可以采用电容二极管电路实现

具体地，AD9832芯片的MCLK（主时钟）引脚接外部时钟源（如压控晶振），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（由伺服锁定装置207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F0、F1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F0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F1、在低电平输出F0。DDS还包括调节两路信号频率F1、F0的相位的PSEL0（相位控制位）、PSEL1，而为了保持F1、F0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F0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F0、F1的频率值）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：

$\frac{20\mathrm{MHz}}{2^{32}}=4.66\mathrm{mHz}(\≈5\mathrm{mHz}).$

因此，DATA中F0的值为（F0/20MHz）*2³²，将所得到的十进制值转化为二进制，得到F0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，该原子频标还包括：隔离放大器202，该隔离放大器202设于压控晶振201和射频倍频模块203之间。

具体地，为了实现同步鉴相，伺服锁定装置207需要产生相互之间相位关系明确可调的键控调频信号和参考信号，键控调频信号和参考信号的频率优选为79Hz。这些信号的产生由伺服锁定装置207通过相应的时钟中断或硬件分频技术来实现的。键控调频信号和参考信号可以是占空比为1:1的方波信号。

本实用新型实施例通过根据电压差和频率稳定度范围计算程控增益值，并采用程控增益值，对处理单元产生的电压差进行程控放大，当微波探寻信号与原子基态超精细0-0跃迁中心频率偏离较大时，能够使原子频标输出在短时间内锁定原子基态超精细0-0跃迁中心频率，缩短了锁定所需的时间。

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 (8)

1.一种原子频标伺服锁定装置，其特征在于，所述装置包括: 

用于对原子频标的物理单元输出的量子鉴频信号和参考信号进行同步鉴相，产生电压差，并根据所述电压差和频率稳定度范围计算程控增益值的处理单元； 

用于采用所述程控增益值，对所述处理单元产生的所述电压差进行程控放大，得到纠偏电压，并采用所述纠偏电压对所述原子频标的压控晶振进行电压控制的程控增益单元； 

所述处理单元分别与所述程控增益单元和所述原子频标的物理单元电连接，所述程控增益单元与所述压控晶振电连接。 

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述程控增益单元包括运算放大器。 

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理单元包括单片机。 

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括： 

用于对所述量子鉴频信号进行选频放大的选放单元，所述选放单元连接在所述物理单元和所述处理单元之间。 

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括： 

连接在所述程控增益单元和所述压控晶振之间的数模转换器。 

6.一种原子频标，其特征在于，所述原子频标包括： 

压控晶振； 

用于产生综合调制信号的综合模块； 

用于对所述压控晶振的输出信号进行倍频，得到倍频信号的射频倍频模块； 

用于将所述综合模块产生的所述综合调制信号与所述射频倍频模块产生的所述倍频信号倍混频，产生微波探寻信号的微波倍混频模块； 

用于对所述微波倍混频模块产生的所述微波探寻信号进行量子鉴频，产生量子鉴频信号的物理单元； 

如权利要求1～5任一项所述的伺服锁定装置； 

所述压控晶振分别与所述综合模块、所述射频倍频模块和所述伺服锁定装置电连接，所述微波倍混频模块分别与所述射频倍频模块、所述综合模块和所 述物理单元电连接，所述物理单元与所述伺服锁定装置电连接。 

7.如权利要求6所述的原子频标，其特征在于，所述综合模块包括：直接数字式频率合成器，所述直接数字式频率合成器的主时钟引脚接所述压控晶振，所述直接数字式频率合成器的控制位引脚接所述伺服锁定装置。 

8.如权利要求6所述的原子频标，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射频倍频模块之间的隔离放大器。 

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