CN207801905U - 一种频率信号源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种频率信号源装置。它包括晶体振荡器、温度采集模块、共振探测信号源、功率放大器、微处理器、增益控制模块和激光器，温度采集模块的两个输出端分别连接增益控制模块的两个电压输入端，增益控制模块的输出端连接微处理器的电压输入端，微处理器的电压控制端连接晶体振荡器的补偿电压输入端；晶体振荡器的信号输出端连接共振探测信号源的输入端，共振探测信号源的控制端连接微处理器的控制端，共振探测信号源的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接激光器的输入端，激光器的输出端连接微处理器的检测输入端。本实用新型采用温度采集模块和增益控制模块得到的控制电压更准确，提高了整个装置的频率输出精度。

Description

一种频率信号源装置

技术领域

本实用新型属于原子频标技术领域，具体涉及一种频率信号源装置。

背景技术

激光频率标准是将激光频率锁定于原子或分子的超精细能级间的稳定跃迀频率，从而获得高精度的激光频率输出的高精度设备。

现有的激光频率标准主要包括半导体激光器、声光调制器、物理部分以及电子线路。由于声光调制器的体积较大、功耗较高，限制了激光频率标准向微型化和低功耗方向的发展。同时现有设备激光频率调节精度交差，无法实现原子频标高精度工作的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种频率信号源装置。

本实用新型采用的技术方案是：一种频率信号源装置，包括用于输出初始频率信号的晶体振荡器、用于采集晶体振荡器的工作温度并将采集到的工作温度与参考工作温度的差值转换为电压差的温度采集模块、用于根据初始频率信号和反馈信号生成光探测共振信号的共振探测信号源、用于对光探测共振信号进行功率放大并输出共振信号至激光器的功率放大器、用于根据激光器输出功率产生对应控制电压和反馈信号的微处理器、增益控制模块和激光器，

所述温度采集模块安装于晶体振荡器上，温度采集模块的两个输出端分别连接增益控制模块的两个电压输入端，增益控制模块的输出端连接微处理器的电压输入端，微处理器的电压控制端连接晶体振荡器的补偿电压输入端；晶体振荡器的信号输出端连接共振探测信号源的输入端，共振探测信号源的控制端连接微处理器的控制端，共振探测信号源的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接激光器的输入端，激光器的输出端连接微处理器的检测输入端；

所述增益控制模块包括第一电压跟随器、第二电压跟随器、差分放大器和增益线性调节电路，所述第一电压跟随器、第二电压跟随器的输入端分别连接温度采集电路的两个输出端，第一电压跟随器、第二电压跟随器的输出端分别连接差分放大器的反向输入端和同向输入端，差分放大器的输出端连接微处理器的电压输入端，增益线性调节电路连接在差分放大器的同向输入端与输出端之间。

进一步地，所述温度采集模块为电桥电路，所述电桥电路包括依次首尾连接的热敏电阻Rk、电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述电阻R1与电阻R2之间的连接点作为温度采集模块的一输出端连接第一电压跟随器的输入端，所述热敏电阻Rk与电阻R3之间的连接点作为温度采集模块的另一输出端连接第二电压跟随器的输入端，所述热敏电阻Rk与电阻R1之间的连接点接地，所述电阻R2与电阻R3之间的连接点连接电源。

进一步地，所述增益线性调节电路包括电阻R8、可变电阻R9和运算放大器，所述电阻R8和可变电阻R9串联，电阻R8另一端与差分放大器的同向输入端连接，可变电阻R9另一端与差分放大器的输出端连接，所述运算放大器的同向输入端接地、反向输入端连接在电阻R8与可变电阻R9之间、输出端连接差分放大器的同向输入端。

进一步地，所述共振探测信号源包括第一DDS模块、第二DDS模块、PLL模块、倍混频腔滤波模块和用于对脉冲信号进行补偿的衰减匹配网络，所述第一DDS模块的输入端连接晶体振荡器的信号输出端、控制端连接微处理器的控制端、输出端连接倍混频腔滤波模块的第一信号输入端，所述第二DDS模块的输入端连接微处理器的控制端、输出端连接PLL模块的参考输入端，PLL模块的控制端连接微处理器的控制端、输出端连接衰减匹配网络的输入端，衰减匹配网络的输出端连接混频腔滤波模块的第二信号输入端，混频腔滤波模块的输出端连接功率放大器的输入端。

更进一步地，所述衰减匹配网络包括串联的电阻R10、可变电容CK、电阻R12、电阻R13和电容C1，衰减匹配网络还包括电阻R11、电阻R14、电阻R15和电容C2，所述电阻R11一端连接在电阻R10与可变电容CK之间、另一端连接在电阻R12与电阻R13之间，所述电阻R14、电阻R15和电容C2串联后与电阻R13并联，所述电阻R13与电容C1之间接地，所述电阻R10与可变电容CK之间的连接点作为衰减匹配网络的输入端，电阻R14与电阻R15之间的连接点作为衰减匹配网络的输出端。

本实用新型的有益效果是：通过采用晶体振荡器提供初始频率信号作为參考信号，然后采用共振探测信号源生成光探测共振信号，由微处理器控制、功率放大器进行放大，使用上述器件产生光探测共振信号，避免了采用声光调制器导致激光频率标准体积过大、功耗过高，使得激光频率标准体积小、功耗低；同时采用温度采集模块和增益控制模块根据晶体振荡器的温度调控晶体振荡器的工作电压，从而调节晶体振荡器输出的初始频率信号大小，进而提高整个装置的频率输出精度。增益控制模块采用电压跟随器、差分放大器和增益线性调节电路对采用温度采集模块输出的电压差进行精细调节处理，得到的控制电压更准确。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型温度采集模块和增益控制模块的电路图。

图3为本实用新型共振探测信号源的示意图。

图4为本实用新型衰减匹配网络的电路图。

图中：1-晶体振荡器；2-温度采集模块；3-共振探测信号源；4-微处理器；5-增益控制模块；6-功率放大器；7-激光器；8-增益线性调节电路；9-第一DDS模块；10-第二DDS模块；11-PLL模块；12-倍混频腔滤波模块；13-衰减匹配网络。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明，便于清楚地了解本实用新型，但它们不对本实用新型构成限定。

如图1-4所示，本实用新型包括用于输出初始频率信号的晶体振荡器1、用于采集晶体振荡器的工作温度并将采集到的工作温度与参考工作温度的差值转换为电压差的温度采集模块2、用于根据初始频率信号和反馈信号生成光探测共振信号的共振探测信号源3、用于对光探测共振信号进行功率放大并输出共振信号至激光器的功率放大器6、用于根据激光器输出功率产生对应控制电压和反馈信号的微处理器4、增益控制模块5和激光器7，晶体振荡器4为高稳时钟压控晶体振荡器，微处理器4可以是C51系列单片机。

所述温度采集模块5安装于晶体振荡器上，温度采集模块5的两个输出端A和B分别连接增益控制模块5的两个电压输入端，增益控制模块5的输出端连接微处理器4的电压输入端，微处理器4的电压控制端连接晶体振荡器1的补偿电压输入端；晶体振荡器1的信号输出端连接共振探测信号源3的输入端，共振探测信号源3的控制端连接微处理器4的控制端，共振探测信号源3的输出端连接功率放大器6的输入端，功率放大器6的输出端连接激光器7的输入端，激光器7的输出端连接微处理器4的检测输入端。

上述方案中，温度采集模块2为电桥电路，所述电桥电路包括依次首尾连接的热敏电阻Rk、电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述电阻R1与电阻R2之间的连接点作为温度采集模块的一输出端连接第一电压跟随器的输入端，所述热敏电阻Rk与电阻R3之间的连接点作为温度采集模块的另一输出端连接第二电压跟随器的输入端，所述热敏电阻Rk与电阻R1之间的连接点接地，所述电阻R2与电阻R3之间的连接点连接电源。

电阻R1为控温用电阻，热敏电阻Rk是测温用电阻，由于整个温度控制模块设置安装于晶体振荡器上，微处理器可以设置对应的工作环境温度、以及获得晶体振荡器实际的工作环境温度信息。其中电阻R2和R3以及R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值应该选择与Rk相当。当工作环境温度无变化时，图2中电桥处于平衡，输送至增益控制模块的温度补偿电压值为0；一旦工作环境温度发生变化，则热敏电阻Rk的阻值将变小(温度升高)或变大(温度降低)，那么电桥两端存在电压差，输送至增益控制模块。

上述方案中，增益控制模块5包括第一电压跟随器A1、第二电压跟随器A2、差分放大器A3和增益线性调节电路8，所述第一电压跟随器A1、第二电压跟随器A2的输入端分别连接温度采集电路2的两个输出端，第一电压跟随器A1、第二电压跟随器A2的输出端分别通过电阻R4和R5连接差分放大器A3的反向输入端和同向输入端，差分放大器A3的输出端连接微处理器4的电压输入端，增益线性调节电路8连接在差分放大器A3的同向输入端与输出端之间。增益线性调节电路8包括电阻R8、可变电阻R9和运算放大器A4，所述电阻R8和可变电阻R9串联，电阻R8另一端通过电阻R7与差分放大器A3的同向输入端连接，可变电阻R9另一端与差分放大器A3的输出端连接，所述运算放大器A4的同向输入端接地、反向输入端连接在电阻R8与可变电阻R9之间、输出端连接差分放大器A3的同向输入端。

当晶体振荡器1工作环境温度发生改变时，则温度采集模块2的A、B端形成一定的电压差，通过第一电压跟随器A1及第二电压跟随器A2的传递送至差分放大器A3进行差分放大，考虑到放大后的电压差能够有效得采集，所以在差分放大A3的输出端增加了一个增益线性调节电路8，得到的压控模块电压差送至微处理器4产生的压控电压再作用到晶体振荡器1。

上述方案中，共振探测信号源3包括第一DDS模块9、第二DDS模块10、PLL模块11、倍混频腔滤波模块12和用于对脉冲信号进行补偿的衰减匹配网络13，所述第一DDS模块9的输入端连接晶体振荡器1的信号输出端、控制端连接微处理器4的控制端、输出端连接倍混频腔滤波模块12的第一信号输入端，所述第二DDS模块10的输入端连接微处理器4的控制端、输出端连接PLL模块11的参考输入端，PLL模块11的控制端连接微处理器4的控制端、输出端连接衰减匹配网络13的输入端，衰减匹配网络13的输出端连接混频腔滤波模块12的第二信号输入端，混频腔滤波模块12的输出端连接功率放大器6的输入端。

第一DDS(数字频率合成器)模块9内含4－20倍频，在使用片内10倍频时，相位噪声要比不使用时大，故在设计时，为减少倍频次数降低附加相噪及考虑得到57.34375MHz频率信号输出需要，拟采用晶体振荡器VCXO出来的10MHz信号经4倍频得到40MHz时钟信号作第一DDS模块参考信号，经片内6倍频得240MHz信号作为系统时钟。第一DDS模块工作的频率比较高，芯片在工作时会发烫，不但影响正常的电路工作状态，甚至会造成芯片的烧毁，故在设计时考虑将散热片安装在第一DDS模块芯片上，其上方与机箱壳相接，以获得更大的散热面。散热片上方通过四个弹簧与盒盖压紧接触，保证长期工作时，第一DDS模块芯片与散热片间的良好接触。

第二DDS模块10在微处理器的脉冲控制下，间隔性的输出10MHz信号或0MHz信号，然后把第二DDS模块输出的信号作为PLL模块的参考信号，微处理器设定PLL模块分频器的分频比，便得到频率为第二DDS模块输出频率10MHz(0MHz)N(N＝12)倍的时钟信号。经衰减、匹配网络实现信号的输出。

第一DDS模块9和第二DDS模块10均可以包括AD9954芯片、以及与AD9954芯片电连接的稳压电源和低通滤波器。

衰减匹配网络13包括串联的电阻R10、可变电容CK、电阻R12、电阻R13和电容C1，衰减匹配网络还包括电阻R11、电阻R14、电阻R15和电容C2，所述电阻R11一端连接在电阻R10与可变电容CK之间、另一端连接在电阻R12与电阻R13之间，所述电阻R14、电阻R15和电容C2串联后与电阻R13并联，所述电阻R13与电容C1之间接地，所述电阻R10与可变电容CK之间的连接点作为衰减匹配网络的输入端，电阻R14与电阻R15之间的连接点作为衰减匹配网络的输出端。

衰减匹配网络的衰减倍数由电阻R11/电阻R13决定。可变电容Ck、电容C2为补偿电容，当满足R11/R13＝C2/Ck时，分压比与频率无关，达到最佳补偿。通过调节可变电容Ck，即可实现最佳补偿。电阻R10和电容C1组成的支路用来补偿输入信号部分布电容的影响。如图1所示，当微处理器检测到激光器输出的光束光强功率变化时，微处理器立即将反馈信号发送至共振探测信号源模块中的第二DDS模块中，经PLL(即锁相环分频器)模块后到达衰减匹配网络，通过调节上述图4中参数来实现输出级信号的稳定。

第一DDS模块输出的57.34375MHz±f信号及衰减匹配网络输出的120MHz信号在混频腔滤波模块中按照传统技术完成最终级光探测共振信号的生成：3417.34375MHz±f信号并输出至功率放大器做功率调节。按照图1的原理，功率放大器输出的3417.34375MHz±f信号对激光器进行光调制。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种频率信号源装置，其特征在于：包括用于输出初始频率信号的晶体振荡器(1)、用于采集晶体振荡器的工作温度并将采集到的工作温度与参考工作温度的差值转换为电压差的温度采集模块(2)、用于根据初始频率信号和反馈信号生成光探测共振信号的共振探测信号源(3)、用于对光探测共振信号进行功率放大并输出共振信号至激光器的功率放大器(6)、用于根据激光器输出功率产生对应控制电压和反馈信号的微处理器(4)、增益控制模块(5)和激光器(7)，

所述温度采集模块(2)安装于晶体振荡器(1)上，温度采集模块(2)的两个输出端分别连接增益控制模块(5)的两个电压输入端，增益控制模块(5)的输出端连接微处理器的电压输入端，微处理器(4)的电压控制端连接晶体振荡器(1)的补偿电压输入端；晶体振荡器(1)的信号输出端连接共振探测信号源(3)的输入端，共振探测信号源(3)的控制端连接微处理器(4)的控制端，共振探测信号源(3)的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器(6)的输出端连接激光器(7)的输入端，激光器(7)的输出端连接微处理器(4)的检测输入端；

所述增益控制模块(5)包括第一电压跟随器A1、第二电压跟随器A2、差分放大器A3和增益线性调节电路(8)，所述第一电压跟随器A1、第二电压跟随器A1的输入端分别连接温度采集电路的两个输出端，第一电压跟随器A1、第二电压跟随器A1的输出端分别连接差分放大器A3的反向输入端和同向输入端，差分放大器A3的输出端连接微处理器(4)的电压输入端，增益线性调节电路(8)连接在差分放大器A3的同向输入端与输出端之间。

2.根据权利要求1所述的频率信号源装置，其特征在于：所述温度采集模块2为电桥电路，所述电桥电路包括依次首尾连接的热敏电阻Rk、电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述电阻R1与电阻R2之间的连接点作为温度采集模块的一输出端连接第一电压跟随器的输入端，所述热敏电阻Rk与电阻R3之间的连接点作为温度采集模块的另一输出端连接第二电压跟随器的输入端，所述热敏电阻Rk与电阻R1之间的连接点接地，所述电阻R2与电阻R3之间的连接点连接电源。

3.根据权利要求1所述的频率信号源装置，其特征在于：所述增益线性调节电路(8)包括电阻R8、可变电阻R9和运算放大器A4，所述电阻R8和可变电阻R9串联，电阻R8另一端与差分放大器A3的同向输入端连接，可变电阻R9另一端与差分放大器A3的输出端连接，所述运算放大器A4的同向输入端接地、反向输入端连接在电阻R8与可变电阻R9之间、输出端连接差分放大器A3的同向输入端。

4.根据权利要求1所述的频率信号源装置，其特征在于：所述共振探测信号源(3)包括第一DDS模块(9)、第二DDS模块(10)、PLL模块(11)、倍混频腔滤波模块(12)和用于对脉冲信号进行补偿的衰减匹配网络(13)，所述第一DDS模块(9)的输入端连接晶体振荡器的信号输出端、控制端连接微处理器(4)的控制端、输出端连接倍混频腔滤波模块(12)的第一信号输入端，所述第二DDS模块(10)的输入端连接微处理器的控制端、输出端连接PLL模块(11)的参考输入端，PLL模块(11)的控制端连接微处理器(4)的控制端、输出端连接衰减匹配网络(13)的输入端，衰减匹配网络(13)的输出端连接混频腔滤波模块(12)的第二信号输入端，混频腔滤波模块(12)的输出端连接功率放大器(6)的输入端。

5.根据权利要求4所述的频率信号源装置，其特征在于：所述衰减匹配网络(13)包括串联的电阻R10、可变电容CK、电阻R12、电阻R13和电容C1，衰减匹配网络还包括电阻R11、电阻R14、电阻R15和电容C2，所述电阻R11一端连接在电阻R10与可变电容CK之间、另一端连接在电阻R12与电阻R13之间，所述电阻R14、电阻R15和电容C2串联后与电阻R13并联，所述电阻R13与电容C1之间接地，所述电阻R10与可变电容CK之间的连接点作为衰减匹配网络的输入端，电阻R14与电阻R15之间的连接点作为衰减匹配网络的输出端。