CN204721334U - 原子频标伺服电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种原子频标伺服电路，属于原子钟领域。所述伺服电路包括：光开关、分光片和光电检测单元，所述光开关和所述分光片依次设置在所述原子频标的物理系统中的激光器和吸收泡之间，所述吸收泡和所述光电检测单元分别设于所述分光片分出的两束激光的光路上；与运算单元、奇数级逻辑门阵列、控制单元和计算单元，根据所述整机闭环时间产生一路频率等于所述整机闭环时间的倒数的正整数倍的时序信号的信号产生单元及采用所述时序信号控制所述同步鉴相单元工作的处理单元，所述信号产生单元的输入端与所述计算单元的输出端电连接，所述信号产生单元的输出端与所述处理单元的输入端电连接，所述处理单元的输出端与所述同步鉴相单元电连接。

Description

原子频标伺服电路

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伺服电路。

背景技术

相干布居囚禁(英文：Coherent Population Trapping，简称：CPT)原子频标原理是采用双色相干激光激励碱金属蒸汽腔，当双色相干激光的频率差值与碱金属基态两个超精细能级频率差时，原子被制备成CPT态而对光的吸收减弱，将呈现电磁感应透明(英文：Electromagnetically Induced Transparency，简称：EIT)现象，将此时产生的窄线宽电磁感应透明谱线作为鉴频信号去锁定压控晶振。

而随着对于CPT原子频标的研究逐步深入，如何进一步提高CPT原子频标的频率稳定度成为了目前的一个重要课题。

实用新型内容

为了解决现有技术的问题，本实用新型实施例提供了一种原子频标伺服电路。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伺服电路，包括同步鉴相单元，所述伺服电路还包括：

光开关、分光片和光电检测单元，所述光开关和所述分光片依次设置在所述原子频标的物理系统中的激光器和吸收泡之间，所述吸收泡和所述光电检测单元分别设于所述分光片分出的两束激光的光路上；

与运算单元、奇数级逻辑门阵列、控制所述光开关的开关动作的控制单元、检测所述原子频标整机振荡周期的检测单元和计算所述原子频标整机闭环时间的计算单元，所述与运算单元的两输入端分别与所述同步鉴相单元及所述光电检测单元电连接，所述与运算单元的输出端与所述奇数级逻辑门阵列的输入端电连接，所述控制单元的输入端与所述奇数级逻辑门阵列的输出端电连接，所述控制单元的输出端与所述光开关的控制端电连接，所述检测单元的输入端与所述奇数级逻辑门阵列的输出端电连接，所述计算单元的输入端与所述检测单元的输出端电连接；

根据所述整机闭环时间产生一路频率等于所述整机闭环时间的倒数的正整数倍的时序信号的信号产生单元及采用所述时序信号控制所述同步鉴相单元工作的处理单元，所述信号产生单元的输入端与所述计算单元的输出端电连接，所述信号产生单元的输出端与所述处理单元的输入端电连接，所述处理单元的输出端与所述同步鉴相单元电连接。

在本实用新型实施例的一种实现方式中，所述奇数级逻辑门阵列由奇数个非门构成。

在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述非门至少为3个。

在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述光开关为光隔离器或高速快门Shutter。

在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述光电检测单元为光电池。

在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述处理单元为微处理器或者可编程逻辑控制器。

在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述伺服电路还包括：对所述原子频标的压控晶振的输出信号进行处理并输出两路第一频率信号的隔离放大器、采用其中一路所述第一频率信号作为参考并在所述同步鉴相单元产生的纠偏电压的作用下产生一路第二频率信号的信号源单元、根据所述第二频率信号得到频率为所述第二频率信号正数倍的第三频率信号的DDS电路、根据所述第一频率信号得到频率为所述第一频率信号正数倍的第四频率信号的倍频单元、对所述第三频率信号和所述第四频率信号进行混频得到微波调制信号的混频单元；

所述隔离放大器的输入端与所述压控晶振电连接，所述隔离放大器的两个输出端分别与所述信号源单元的输入端及所述倍频单元的输入端电连接，所述信号源单元的输出端与所述DDS电路的输入端电连接，所述DDS电路的输出端与所述混频单元的输入端电连接，所述倍频单元的输出端与所述混频单元的输入端电连接，所述同步鉴相单元的输出端与所述信号源单元的控制端连接。

在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述伺服电路还包括：

对所述物理系统产生的光电检测信号进行相位移动的相位移动单元，所述相位移动单元的输入端与所述物理系统电连接，所述相位移动单元的输出端与所述同步鉴相单元电连接。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过设置光开关、分光片和光电检测单元，然后通过将光电检测单元的检测信号输入与运算单元中，与运算单元两输入端分别与同步鉴相单元及光电检测单元电连接，对两路输入信号进行与运算，然后输出到奇数级逻辑门阵列，通过奇数级逻辑门阵列处理后，控制单元采用奇数级逻辑门阵列处理后的信号控制光开关的开关动作，另一方面，检测单元通过奇数级逻辑门阵列的输出端检测原子频标整机振荡周期，计算单元根据原子频标整机振荡周期计算原子频标整机闭环时间，信号产生单元根据整机闭环时间产生一路频率等于整机闭环时间的倒数的正整数倍的时序信号，处理单元采用时序信号控制同步鉴相单元工作，完成同步鉴相。在现有技术中的时序信号为一固定频率的信号，如79Hz信号，所以对于不同的原子频标而言，纠偏的频率可能过高或过低，从而影响了整机的稳定度。而在本实用新型中，时序信号是根据整机闭环时间产生的，系统在每个闭环周期(整机闭环时间)内纠偏固定次数，避免纠偏的频率过高或过低，从而保证了原子频标整机的稳定度。

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伺服电路的结构示意图。

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。

本实用新型实施例提供了一种原子频标伺服电路的结构示意图，参见图1，该伺服电路100包括同步鉴相单元101，同步鉴相单元101用于对物理系统产生的光电检测信号和参考信号进行同步鉴相，产生纠偏信号。该伺服电路100还包括：

光开关102、分光片103和光电检测单元104，光开关102和分光片103依次设置在原子频标的物理系统中的激光器201和吸收泡202之间，吸收泡202和光电检测单元104分别设于分光片103分出的两束激光的光路上。

与运算单元105、奇数级逻辑门阵列106、控制光开关的开关动作的控制单元107、检测原子频标整机振荡周期的检测单元108和计算原子频标整机闭环时间的计算单元109，与运算单元105的两输入端分别与同步鉴相单元101及光电检测单元104电连接，与运算单元105的输出端与奇数级逻辑门阵列106的输入端电连接，控制单元107的输入端与奇数级逻辑门阵列106的输出端电连接，控制单元107的输出端与光开关102的控制端电连接，检测单元108的输入端与奇数级逻辑门阵列106的输出端电连接，计算单元109的输入端与检测单元108的输出端电连接。

根据整机闭环时间产生一路频率等于整机闭环时间的倒数的正整数倍的时序信号的信号产生单元110及采用时序信号控制同步鉴相单元工作的处理单元111，信号产生单元110的输入端与计算单元109的输出端电连接，信号产生单元110的输出端与处理单元111的输入端电连接，处理单元111的输出端与同步鉴相单元101电连接。

具体地，与运算单元105获取同步鉴相单元101产生的同步鉴相信号和光电检测单元104产生的光检信号，将同步鉴相信号与光检信号进行与运算；具体地，将同步鉴相信号与光检信号进行与运算可以采用下述方式实现：当同步鉴相信号或光检信号为高电平时记为1，低电平记为0，然后再进行与运算。奇数级逻辑门阵列106接收并处理与运算单元105的输出结果；控制单元107采用奇数级逻辑门阵列106的输出信号控制光开关102的开关动作；检测单元108检测奇数级逻辑门阵列106的输出信号的频率，获得整机振荡周期；计算单元109根据整机振荡周期及奇数级逻辑门阵列106的振荡周期，计算整机闭环时间，具体可以根据以下公式计算整机闭环时间：Δt＝(T1-T0)/2，其中，Δt为整机闭环时间，T1为整机振荡周期，T0为奇数级逻辑门阵列106的振荡周期。信号产生单元110获取计算单元109测得的整机闭环时间，计算整机闭环时间的倒数得到系统闭环频率，产生一路频率等于系统闭环频率的正整数倍(例如2或4)的时序信号；处理单元111采用时序信号作为同步鉴相时序控制信号进行同步鉴相。在现有技术中的时序信号为一固定频率的信号，如79Hz信号，所以对于不同的原子频标而言，纠偏的频率可能过高或过低，从而影响了整机的稳定度。而在本实用新型中，时序信号是根据整机闭环时间产生的，系统在每个闭环周期(整机闭环时间)内纠偏固定次数，避免纠偏的频率过高或过低，从而保证了原子频标整机的稳定度。

其中，奇数级逻辑门阵列106由奇数个非门构成。

进一步地，奇数级逻辑门阵列106的级数可以根据实际需要设定，例如大于3，即非门至少为3个。

其中，光开关102可以是光隔离器或高速快门Shutter，但这里也仅作为举例，本实用新型并不限制如此。

其中，光电检测单元104可以是光电池。

其中，处理单元111可以是微处理器或者可编程逻辑控制器。

容易知道，在本实用新型实施例中，伺服电路还包括隔离放大器、直接数字式频率合成器DDS电路、倍频单元、混频单元等，用于产生微波调制信号输出至物理系统中，其中各个部分的工作过程及作用这里不做赘述。

除了采用传统的方式产生微波调制信号外，本实用新型实施例还提供了另一种微波调制信号产生方式，在该实现方式中伺服电路还包括信号源单元，其中，隔离放大器的输入端与压控晶振电连接，隔离放大器的两个输出端分别与信号源单元的输入端及倍频单元的输入端电连接，信号源单元的输出端与DDS电路的输入端电连接，DDS电路的输出端与混频单元的输入端电连接，倍频单元的输出端与混频单元的输入端电连接，同步鉴相单元的输出端与信号源单元的控制端连接，该信号源单元可以为高精度铷钟。

具体地，隔离放大器对压控晶振的输出信号进行处理并输出两路第一频率信号；信号源单元采用其中一路第一频率信号作为参考，并在同步鉴相单元产生的纠偏电压的作用下产生一路第二频率信号；DDS电路根据第二频率信号得到频率为第二频率信号正数倍的第三频率信号；倍频单元根据第一频率信号得到频率为第一频率信号正数倍的第四频率信号；混频单元对第三频率信号和第四频率信号进行混频得到微波调制信号。

例如，压控晶振输出一路ω1频率信号(如80MHz)。隔离放大器对ω1频率信号进行处理后输出一路至信号源单元，用以作信号源单元的外部时钟基准。信号源单元在以压控晶振输出的ω1固定频率信号作为参考前提下，输出ω2频率信号至DDS电路，因为采用了压控晶振作外部时基参考，故ω2频率信号拥有ω1频率信号一样的频率特性(如稳定度)。DDS电路根据ω2频率信号得到ω2*B频率信号。隔离放大器还用于输出另一路ω1频率信号至倍频单元。倍频单元对另一路ω1频率信号进行处理，得到ω1*A频率信号。混频单元根据DDS电路输出的ω2*B频率信号和倍频单元输出的ω1*A频率信号，处理得到微波调制信号F＝ω1*A-ω2*B。其中，同步鉴相单元101输出纠偏电压控制信号源单元输出信号频率，实现原子能级的动态探测，这里对于信号源单元的纠偏控制与现有的压控晶振纠偏类似，这里不做赘述。

微波调制信号F＝ω1*A-ω2*B由ω1、ω2、A、B组成，其中，A由具体电路所决定，B是用户设置决定的，两者都是固定的，且按照上述方案ω1亦是固定的，变化的只有ω2。由于在F＝ω1*A-ω2*B中，B的值通常较小(如0.7)，A的值相对较大(如42)，而F又是由ω2*B控制的，所以其变化很小。相比传统技术中F主要由ω1*A控制相比，上述技术可以大大缩小原子能级跃迁动态探测的频率范围，使锁定更精确，整机系统的短稳更好。

进一步地，伺服电路还包括：

对物理系统产生的光电检测信号进行相位移动的相位移动单元，相位移动单元的输入端与物理系统电连接，相位移动单元的输出端与同步鉴相单元电连接。

具体地，移动时，只要物理系统产生的光电检测信号的平坦区域(高电平或低电平)与参考信号的上升沿(或下降沿)对齐即可。

通过相位移动单元的处理，可以使同步鉴相单元的采样更准确，从而提高了纠偏精度。

容易知道，在本实用新型实施例中部分单元可以集成到同一个电路、模块或处理芯片上，例如将控制单元107、检测单元108和计算单元109集成到同一处理芯片上。

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电路，包括同步鉴相单元，其特征在于，所述伺服电路还包括：

光开关、分光片和光电检测单元，所述光开关和所述分光片依次设置在所述原子频标的物理系统中的激光器和吸收泡之间，所述吸收泡和所述光电检测单元分别设于所述分光片分出的两束激光的光路上；

与运算单元、奇数级逻辑门阵列、控制所述光开关的开关动作的控制单元、检测所述原子频标整机振荡周期的检测单元和计算所述原子频标整机闭环时间的计算单元，所述与运算单元的两输入端分别与所述同步鉴相单元及所述光电检测单元电连接，所述与运算单元的输出端与所述奇数级逻辑门阵列的输入端电连接，所述控制单元的输入端与所述奇数级逻辑门阵列的输出端电连接，所述控制单元的输出端与所述光开关的控制端电连接，所述检测单元的输入端与所述奇数级逻辑门阵列的输出端电连接，所述计算单元的输入端与所述检测单元的输出端电连接；

根据所述整机闭环时间产生一路频率等于所述整机闭环时间的倒数的正整数倍的时序信号的信号产生单元及采用所述时序信号控制所述同步鉴相单元工作的处理单元，所述信号产生单元的输入端与所述计算单元的输出端电连接，所述信号产生单元的输出端与所述处理单元的输入端电连接，所述处理单元的输出端与所述同步鉴相单元电连接。

2.根据权利要求1所述的原子频标伺服电路，其特征在于，所述奇数级逻辑门阵列由奇数个非门构成。

3.根据权利要求2所述的原子频标伺服电路，其特征在于，所述非门至少为3个。

4.根据权利要求1所述的原子频标伺服电路，其特征在于，所述光开关为光隔离器或高速快门Shutter。

5.根据权利要求1所述的原子频标伺服电路，其特征在于，所述光电检测单元为光电池。

6.根据权利要求1所述的原子频标伺服电路，其特征在于，所述处理单元为微处理器或者可编程逻辑控制器。

7.根据权利要求1-6任一项所述的原子频标伺服电路，其特征在于，所述伺服电路还包括：对所述原子频标的压控晶振的输出信号进行处理并输出两路第一频率信号的隔离放大器、采用其中一路所述第一频率信号作为参考并在所述同步鉴相单元产生的纠偏电压的作用下产生一路第二频率信号的信号源单元、根据所述第二频率信号得到频率为所述第二频率信号正数倍的第三频率信号的直接数字式频率合成器DDS电路、根据所述第一频率信号得到频率为所述第一频率信号正数倍的第四频率信号的倍频单元、对所述第三频率信号和所述第四频率信号进行混频得到微波调制信号的混频单元；

所述隔离放大器的输入端与所述压控晶振电连接，所述隔离放大器的两个输出端分别与所述信号源单元的输入端及所述倍频单元的输入端电连接，所述信号源单元的输出端与所述DDS电路的输入端电连接，所述DDS电路的输出端与所述混频单元的输入端电连接，所述倍频单元的输出端与所述混频单元的输入端电连接，所述同步鉴相单元的输出端与所述信号源单元的控制端连接。

8.根据权利要求1-6任一项所述的原子频标伺服电路，其特征在于，所述伺服电路还包括：

对所述物理系统产生的光电检测信号进行相位移动的相位移动单元，所述相位移动单元的输入端与所述物理系统电连接，所述相位移动单元的输出端与所述同步鉴相单元电连接。