CN204216881U - 被动型原子频标工作环境适应性改善装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及原子频标领域，主要适用于原子频标工作环境温度的测量及反馈控制领域，公开了一种被动型原子频标工作环境适应性改善装置，包括微处理器，微处理器与原子频标连接，还包括测温模块、信息采集模块、温度系数补偿模块；原子频标还通过电桥测温模块经信息采集模块与微处理器连接，温度系数补偿模块分别连接原子频标、微处理器。本实用新型提供了一种利用温度检测反馈网络来减小原子频标温度系数的方法，能够适用于野外工作环境，为本领域研究工作提供了一种新的参考。

Description

被动型原子频标工作环境适应性改善装置

技术领域

本实用新型涉及原子频标领域，主要适用于原子频标工作环境温度的测量及反馈控制领域。

背景技术

原子频率标准以其超高的稳定度指标，已经应用在诸如卫星导航、时基授时、时间同步、国防军事等许多时频分析技术领域。上述应用领域的具体要求，尤其是野外作业对环境的苛刻要求，原子频标多变的外界环境，尤其是工作过程中的温度环境，使得原子频标温度系数的存在一直都是本领域科研工作者研究的课题。外界环境温度的变化将会引起原子频标内部灯温、腔温等核心部件工作温度的变化，进一步造成原子超精细结构0-0跃迁频率的不稳定，最终影响系统频率输出的稳定性。为克服系统温度系数对频率稳定度指标的影响，现有技术中大多采用将原子频标置入恒温的环境中，其温度控制范围可以小于0.10C，这样可以改善外界环境温度的变化对系统指标的影响，可是在野外工作不可能提供这样的恒温环境。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种被动型原子频标工作环境适应性改善装置，它具有通过信息采集模块、测温模块、微处理器、温度系数补偿模块,与原子频标构建成一个温度检测反馈网络，从而来减小原子频标温度系数，以降低原子频标在野外环境工作时由环境温度产生误差的特点。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种被动型原子频标工作环境适应性改善装置，包括：微处理器，所述微处理器与原子频标连接，还包括：测温模块、信息采集模块、温度系数补偿模块；

所述原子频标还通过所述电桥测温模块经所述信息采集模块与所述微处理器连接，所述温度系数补偿模块分别连接所述原子频标、所述微处理器。

对上述基础结构进行优选的技术方案为，所述测温模块为电桥测温模块。

对上述方案作出进一步优选的技术方案为，所述电桥测温模块包括：惠斯通电桥；

所述惠斯通电桥的四个桥臂分别为数控电位器、热敏电阻、第一桥臂参考电阻、第二桥臂参考电阻，所述数控电位计与所述第一桥臂参考电阻串联，所述热敏电阻与所述第二桥臂参考电阻串联；热敏电阻设置于所述原子频标外壳的内壁上；

所述信息采集模块采集数控电位计与第一桥臂参考电阻之间的电位信号、热敏电阻与第二桥臂参考电阻之间的电位信号。

再进一步优选的技术方案为，述惠斯通电桥的四个桥臂之间的阻值差不超过10%；所述第一桥臂参考电阻R1与所述第二桥臂参考电阻R2，这两者的型号、生产厂商、批次、温度系数均一致。

更加优选的技术方案为，所述惠斯通电桥为多个，各个惠斯通电桥中的热敏电阻分布于所述原子频标外壳的各个面的内壁上。

对上述方案作出进一步改进的技术方案为，还包括：隔离放大器；所述原子频标经所述隔离放大器与所述温度补偿模块连接。

更加优选的技术方案为，所述温度系数补偿模块为直接数字式频率合成器DDS。

本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型由测温模块对原子频标的工作环境温度进行检测，微处理器通过信息采集模块对测温模块的检测数据进行采集，并据此判断原子频标的工作环境温度是否发生了变化，发生变化时，根据变化值控制温度系数补偿模块将补偿后的频率信号输送至用户端。能够适用于野外工作环境，解决了现有技术中在野外工作无法为原子频标提供恒温环境，使得原子频标的系统指标受影响的问题。

2.本实用新型中的测温模块通过贴于原子频标外壳内壁上的热敏电阻测量原子频标工作时的外界温度。可以通过增加热敏电阻的数量来提高测量精度。

本实用新型提供了一种利用温度检测反馈网络来减小原子频标温度系数的方法，为本领域研究工作提供了一种新的参考。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

图2为本实用新型实施例中电桥测温模块的电路结构示意图。

图3为本实用新型实施例中电桥测温模块中热敏电阻设置方位示意图。

图4为本实用新型实施例中温度系数补偿模块工作状态示意图。

其中，1-热敏电阻，2-原子频标，Ro-数控电位器，Rk-热敏电阻，R1-第一桥臂参考电阻，R2第二桥臂参考电阻，t-原子频标工作温度设定值，t’-原子频标工作温度实际测量值，fo-原子频标输出信号，f1-补偿后的频率信号。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的被动型原子频标工作环境适应性改善装置的具体实施方式及工作原理进行详细说明。

由图1所示的本实用新型实施例结构示意图可知，本实施例包括：信息采集模块、电桥测温模块、微处理器、温度系数补偿模块。其中，原子频标与微处理器连接，原子频标为传统熟知的技术，现有原子频标闭环正常工作的同时依赖传统技术中的微处理器模块对系统进行控制，本实施例中原子频标传送给微处理器的频率信号亦为传统意义上用作时钟频率基准信号。本实施例中的微处理器除完成现有原子频标相关技术功能以外，还兼顾电桥测温模块输出的电压信号至信息采集模块的环境温度信息处理，以及对温度系数补偿模块的控制功能。具体实现方式为：原子频标除将频率信号发送给微处理器之外，还通过电桥测温模块经信息采集模块与微处理器连接，原子频标温度补偿模块连接，温度补偿模块还与微处理器连接。为增加系统适用性和现场环境的可靠度，可以在原子频标与温度系数补偿模块之间增设隔离放大器。

对于本实施例中的测温模块，优选的，采用电桥测温模块，本实施例中采用的是惠斯通电桥，具体电路结构如图2所示。作为电桥测温模块的惠斯通电桥的四个桥臂分别为数控电位器Ro、热敏电阻Rk、第一桥臂参考电阻R1、第二桥臂参考电阻R2。数控电位器Ro通过人为进行设定，具体值为原子频标工作温度设定值t。其中，数控电位计Ro与第一桥臂参考电阻R1串联，热敏电阻Rk与第二桥臂参考电阻R2串联；热敏电阻Rk设置于图3所示的原子频标外壳的内壁上，以检测原子频标工作温度实际测量值t’。

为提高测量精度，设计时可以适当增加热敏电阻的数量，计算时取其平均值。以6片热敏电阻为例：分别将这6片热敏电阻贴于原子频标结构体外壳的顶部、底部、前部、后部、两侧上，即图3中所示的A、A1、B、B1、C、C1面的内壁上，这6片热敏电阻对应6个不同的惠斯通电桥，每个惠斯通电桥的连接方式如图2所示。信息采集模块采集这6个惠斯通电桥的信息，并交由微处理器进行计算，微处理器将获取到的6个惠斯通电桥测得的原子频标工作温度实际测量值t’取平均值后，与原子频标工作温度设定值t进行比较，从而判断出原子频标工作的外界环境温度是否发生了改变，当原子频标工作的外界环境温度T发生变化时，6片热敏电阻的阻值亦会发生变化，取6片热敏电阻阻值平均值便可得到相应的阻值R，通过热敏电阻生产厂商提供的“温度T——阻值R”特征曲线由微处理器建立数据转换关系，以便进一步对温度系数补偿模块进行控制。

对于第一桥臂参考电阻R1与第二桥臂参考电阻R2，应该满足两个要求：一是R1与R2的型号、生产厂商、批次必须一致，尤其是温度系数应该一致，这样可以保障当温度变化时，两个R的阻值变化一致，这也为本专利进一步提高测量精度提供了保障；二是第一桥臂参考电阻R1与第二桥臂参考电阻R2的阻值应该选择与数控电位器Ro、热敏电阻Rk接近，他们之间的阻值差不小于10%。

如图2所示，信息采集模块采集数控电位器Ro与第一桥臂参考电阻R1之间的电位信号、热敏电阻Rk与第二桥臂参考电阻R2之间的电位信号。由U_AB电位差决定信息采集模块中电压量。

本实用新型实施例中的温度系数补偿模块完成现有技术中原子频标频率信号输出的修正功能，并将补偿后的频率信号输送至用户端。对于温度系数补偿模块，优选的采用直接数字式频率合成器DDS。如图4所示，来自于原子频标的频率输出信号fo送至DDS的外部参考时钟端，用于为DDS提供时基参考；来自于电桥测温模块的外界环境温度信息Ｔ送至微处理器，用于微处理器对环境温度Ｔ变化进行判断，一旦Ｔ发生变化，微处理器将对DDS进行频率修正，其具体修正的方法如下：假如原子频标的温度系数为+1E-12，即外界环境温度T每升高1℃将引起原子频标输出信号fo频率稳定度发生+1E-12量级的变化。以fo=10MHz为例，T变化1℃，则Δf/fo=+1E-12，即Δf=（+1E-5）Hz=10μHz，微处理器需要对DDS进行负反馈（-1E-5）Hz=-10μHz的修正。

在实施例中我们采用的DDS芯片为AD9854，以10MHz参考时基为例，当不用内部PLL锁相环时，它的最小频率分辨率为10MHz/2⁴⁸≈（4E-8）Hz。微处理器根据DDS的控制时序，输出相应的电平信号作用于DDS使其输出频率发生改变，同时将电桥测温模块测量得到温度Ｔ参数值转化为相应频率修正值，给DDS内部的48位频率寄存器进行□0□、□1□填充，比如某一时刻原子频标输出的频率值为10MHz，该系统的温度系数为+1E-12，电桥测温模块发送至微处理器的环境温度信息为升高1℃，那么此时微处理器需要对DDS进行负反馈处理，即对DDS进行10MHz-10μHz频率控制输出，具体工作过程为：原子频标输出的fo=10MHz输送至DDS的时基参考端，DDS内部对其进行2倍频处理，即DDS实际工作的频率为20MHz，在上述提及的48位频率寄存器中，假如微处理器对其48位全部置□1□，则DDS微处理器的时序控制信号下，将输出20MHz的频率，同理，假如微处理器对其48位全部置‘0’，则DDS微处理器的时序控制信号下，将输出0MHz的频率。此时欲要输出10MHz-10Hz频率信号，则相应的48位频率寄存器的值应为：：（10MHz-10μHz）*2⁴⁸/20MHz≈140737488355187(d)=7FFFFFFFFF73(h)=11111111111111111111111111111111111111101110011(b)，微处理器在DDS时序控制信号下，将48位频率控制字写入DDS中，DDS则相应输出修正后的频率信号，即补偿输出f1至用户端。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种被动型原子频标工作环境适应性改善装置，包括：微处理器，所述微处理器与原子频标连接，其特征在于，还包括：测温模块、信息采集模块、温度系数补偿模块；所述测温模块为电桥测温模块； 

所述原子频标还通过所述电桥测温模块经所述信息采集模块与所述微处理器连接，所述温度系数补偿模块分别连接所述原子频标、所述微处理器。 

2.如权利要求1所述的被动型原子频标工作环境适应性改善装置，其特征在于，所述电桥测温模块包括：惠斯通电桥； 

所述惠斯通电桥的四个桥臂分别为数控电位器、热敏电阻、第一桥臂参考电阻、第二桥臂参考电阻，所述数控电位计与所述第一桥臂参考电阻串联，所述热敏电阻与所述第二桥臂参考电阻串联,热敏电阻设置于所述原子频标外壳的内壁上； 

所述信息采集模块采集数控电位计与第一桥臂参考电阻之间的电位信号、热敏电阻与第二桥臂参考电阻之间的电位信号。 

3.如权利要求2所述的被动型原子频标工作环境适应性改善装置，其特征在于，所述惠斯通电桥的四个桥臂之间的阻值差不超过10％；所述第一桥臂参考电阻R1与所述第二桥臂参考电阻R2，这两者的型号、生产厂商、批次、温度系数均一致。 

4.如权利要求3所述的被动型原子频标工作环境适应性改善装置，其特征在于，所述惠斯通电桥为多个，各个惠斯通电桥中的热敏电阻分布于所述原子频标外壳的各个面的内壁上。 

5.如权利要求1至4中任意一项所述的被动型原子频标工作环境适应性改善装置，其特征在于，还包括：隔离放大器；所述原子频标经所述隔离放大器与所述温度补偿模块连接。 

6.如权利要求1至4中任意一项所述的被动型原子频标工作环境适应性改善装置，其特征在于，所述温度系数补偿模块为直接数字式频率合成器DDS。 

7.如权利要求5所述的被动型原子频标工作环境适应性改善装置，其特征在于，所述温度系数补偿模块为直接数字式频率合成器DDS。