CN203630534U - 一种基于fpga的cpt原子钟激光器的温度校准装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，该装置包括多个模拟信号输入端；多个模拟信号输出端；与所述多个模拟信号输入端连接的模/数转换器；与所述多个模拟信号输出端连接的数/模转换器；与模/数转换器连接的第一数据缓存模块；与数/模转换器连接的第二数据缓存模块；和分别连接在第一数据缓存模块和第二数据缓存模块之间的激光器温度控制模块，用于对来自所述第一数据缓存模块的信号进行校准；所述激光器温度控制模块设置在所述FPGA上。本实用新型所述装置具有操作简单，控制精度高，灵敏度高和可观测性好等有点。

Description

一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置
技术领域
本实用新型涉及一种温度校准装置，特别是一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置。 
背景技术
原子频标可以提供精密的时间基准，在科学研究、实验和工程技术等领域为我们提供必不可少的时基坐标。被动型相干布居囚禁（coherent population trapping，CPT）原子频标是利用双色相干光与原子体系作用产生的CPT现象而实现的一种具有体积与功耗优势的新型频标。CPT频标不需要微波腔，用半导体激光管取代传统被动性铷原子频标的谱灯，配合小体积、低功耗的电子学系统，CPT频标能实现比传统被动性铷频标体积更小，功耗更低。 
CPT半导体采用的是垂直共振腔表面放射激光VCSEL激光器，它的出射光频对温度比较敏感。当垂直共振腔表面放射激光VCSEL的温度波动性较大时，出射光频在一个比较大的范围内波动，该波动会使VCSEL的光频锁定环路无法对其进行锁定，最终导致其无法产生CPT现象。另外，为保证实验条件还需对铷泡进行恒温控制。 
传统的温控电路采用模拟电路实现，利用桥式电路检测热敏电阻与预置电阻的差值提取温度误差，该误差信号经运算放大电路PID电路处理后送至VCSEL驱动电路产生用于TEC加热制冷的电流。在设计中预置电阻等电路元件的精度会对整个系统造成误差。另外，模拟PID电路调试比较复杂，不利用电路的开发，如果系统需要更改工作温度，将会耗费大量时间精力。 
传统模拟控温电路在对温度进行控制时存在调试复杂、精度低及 可控性差等缺点。 
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，以解决目前模拟电路结构复杂、精度低、可控性差问题。 
为解决上述技术问题，本实用新型采用下述技术方案： 
一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，该装置包括 
多个模拟信号输入端； 
多个模拟信号输出端； 
与所述多个模拟信号输入端连接的模/数转换器； 
与所述多个模拟信号输出端连接的数/模转换器； 
与模/数转换器连接的第一数据缓存模块； 
与数/模转换器连接的第二数据缓存模块；和 
分别连接在第一数据缓存模块和第二数据缓存模块之间的激光器温度控制模块，用于对来自所述第一数据缓存模块的信号进行校准； 
所述激光器温度控制模块设置在所述FPGA上。 
优选的，所述多个模拟信号输入端的其中一个模拟信号输入端接收激光温度模拟信号。 
优选的，所述多个模拟信号输出端的其中一个模拟信号输出端输出调整后的激光温度模拟信号。 
优选的，所述第一数据缓存模块和第二数据缓存模块设置在所述FPGA上，所述第一数据缓存模块用于对来自所述模/数转换器的信号进行分帧，所述第二数据缓存模块将经校准的信号进行装帧。 
优选的，所述激光器温度控制模块包括接收来自第一数据缓存模块的激光器温差信号的PID系数校正单元和输出激光器温度调整值 的PID控制单元。 
优选的，所述数/模转换器采用AD7606-4型芯片。 
优选的，该温度校准装置进一步包括连接在所述模/数转换器与所述接收激光器温度模拟信号的多个模拟信号输入端端口之间的电压跟随器。 
优选的，所述模/数转换器采用AD5754R型芯片。 
优选的，所述温度校准装置进一步包括连接在所述数/模转换器和所述输出调整后激光温度模拟信号的多个模拟信号输出端端口之间的驱动器。 
优选的，所述驱动器采用MAX1968型芯片。 
本实用新型所述装置具有操作简单，控制精度高，灵敏度高和可观测性好等有点。 
附图说明
图1示为一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置示意图。 
多路数字信号输入端A1；多路数字信号输出端A2； 
1、FPGA，2、模/数转换器，3、数/模转换器，4、第一数据缓存模块，5、第二数据缓存模块，6、PID系数校正单元，7、PID控制单元，8、驱动器，9、激光器，10、热敏电阻温度调节器TEC。 
具体实施方式
下面根据附图对本实用新型做进一步描述。 
一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，该装置包括多个模拟信号输入端A1；多个模拟信号输出端A2；与模拟信号输入端A1连接的例如AD7606-4型芯片的模/数转换器2，所述模/数转换器2通过电压跟随器经多个模拟信号输入端之一与激光器中的热敏电阻调节器TEC10的输出接口连接；与模拟信号输出端A2连接的例如AD5754R型芯片的数/模转换器3，所述数/模转换器3通过例如 MAX1968型芯片的驱动器8经多个模拟信号输出端之一与激光器中的热敏电阻调节器TEC10的输入接口连接；与模/数转换器2连接的第一数据缓存模块4；与数/模转换器3连接的第二数据缓存模块5；和分别连接在第一数据缓存模块4和第二数据缓存模块5之间的激光器温度控制模块，所述激光器温度控制模块包括接收来自第一数据缓存模块4的激光器温度信号的PID系数校正单元6和输出表示激光器温度调整值校准信号的PID控制单元7。所述第一数据缓存模块4和第二数据缓存模块5设置在FPGA1上，分别用于来自模/数转换器2的信号进行分帧和对校准信号进行装帧；所述激光器温度控制模块设置在FPGA1上。 
本实用新型所述装置的工作流程如下： 
1、所述模/数转换器2对来自CPT原子钟激光器9的温度模拟信号进行提取。通过在线逻辑分析仪CHIPSCOPE对CPT原子钟的激光器9的温度模拟信号进行实时监控，并计算激光温度值。 
2、FPGA1通过第一数据缓存模块4对温度数字信号进行分帧，将数字信号输送到激光器温度控制模块。。 
3、通过激光器温度控制模块中的PID系数校正单元和PID控制单元对激光器温度信号参数进行调整，增强信号稳定度，同时温度信号进行校正。 
4、调整后的激光器温度控制信号通过FPGA1的第二数据缓冲模块5装帧后，送至数/模转换模块3中，激光器温度控制信号进行转换后经驱动器8送去热敏电阻温度调节器TEC中对激光器温度进行校正。在初始时刻调整量比较大，在稳定之后，温度控信号会趋于固定占空比PWM波形。 
本实用新型利用模糊PID算法消除残余温差，并且使温度更加快速的收敛；通过调整FPGA1上温度控制模块中PID控制单元的参数值可以方便的调整收敛温度值；利用FPGA1与在线软件配合完成对 CPT原子钟性能参数的实时监测。本实用新型所述技术方案可提高模拟电路校准精度，提高系统可控性，同时降低了模拟电路的复杂性。 
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细描述说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所述技术领域的普通技术人员来说在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。 

Claims (10)

1.一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，其特征在于：该装置包括 
多个模拟信号输入端； 
多个模拟信号输出端； 
与所述多个模拟信号输入端连接的模/数转换器； 
与所述多个模拟信号输出端连接的数/模转换器； 
与模/数转换器连接的第一数据缓存模块； 
与数/模转换器连接的第二数据缓存模块；和 
分别连接在第一数据缓存模块和第二数据缓存模块之间的激光器温度控制模块，用于对来自所述第一数据缓存模块的信号进行校准； 
所述激光器温度控制模块设置在所述FPGA上。 
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，其特征在于：所述多个模拟信号输入端的其中一个模拟信号输入端接收激光温度模拟信号。 
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，其特征在于：所述多个模拟信号输出端的其中一个模拟信号输出端输出调整后的激光温度模拟信号。 
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，其特征在于：所述第一数据缓存模块和第二数据缓存模块设置在所述FPGA上，所述第一数据缓存模块用于对来自所述模/数转换器的信号进行分帧，所述第二数据缓存模块将经校准的信号进行装帧。 
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，其特征在于：所述激光器温度控制模块包括接收来自第一数据缓存模块的激光器温差信号的PID系数校正单元和输出激光器温度调整值的PID控制单元。 
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，其特征在于：所述数/模转换器采用AD7606-4型芯片。 
7.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，其特征在于：该温度校准装置进一步包括连接在所述模/数转换器与所述接收激光器温度模拟信号的多个模拟信号输入端端口之间的电压跟随器。 
8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，其特征在于：所述模/数转换器采用AD5754R型芯片。 
9.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，其特征在于：所述温度校准装置进一步包括连接在所述数/模转换器和所述输出调整后激光温度模拟信号的多个模拟信号输出端端口之间的驱动器。 
10.根据权利要求9所述的一种基于FPGA的CPT原子钟激光器的温度校准装置，其特征在于：所述驱动器采用MAX1968型芯片。 
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