JP2002271197A - ルビジウム原子発振器 - Google Patents

ルビジウム原子発振器

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JP2002271197A JP2001064261A JP2001064261A JP2002271197A JP 2002271197 A JP2002271197 A JP 2002271197A JP 2001064261 A JP2001064261 A JP 2001064261A JP 2001064261 A JP2001064261 A JP 2001064261A JP 2002271197 A JP2002271197 A JP 2002271197A
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    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
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    • H03L7/26Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference

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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明はルビジウム原子発振器に関し,周囲雑
音等の影響を受けず,短期安定度や位相雑音特性の優れ
た,且つ周波数アンロック状態における周波数安定度の
劣化を最小限に抑えることを目的とする。 【解決手段】原子共鳴周波数として固定周波数を発生す
る水晶発振器と,水晶発振器の出力をシステムクロック
として入力すると共に共鳴周波数に応じて発生する誤差
信号に対応する同調データとを入力して出力周波数を可
変制御する直接ディジタルシンセサイザ(DDS)とを
設け,DDSの出力を合成・逓倍すると共に低周波信号
で位相変調を加える周波数合成器,周波数合成器の出力
を入力してルビジウム原子の共鳴周波数との誤差信号を
検出する原子共鳴器と,原子共鳴器からの信号を入力し
て対応する同調データを発生する同調データ発生回路と
を備え,前記DDSから発振器出力を発生するよう構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は放送用基準周波数
源,ディジタル同期網を構成する主局の下部の従属局に
設けられるクロック源,移動体通信の基地局に設けられ
るクロック源等に使用されるルビジウム原子発振器に関
する。
【0002】近年,基準周波数源の市場では小型,低価
格で且つ高性能なルビジウム原子発振器が要求されてお
り,これを実現するため回路構成の簡略化や低コストな
部品の選択が進められている。その結果,スレーブ発振
器となるVCXO(VoltageControl Crystal Oscilato
r:電圧制御水晶発振器)は,価格,大きさの面から,出
力周波数の製造偏差や経時変化量が大きい小型汎用品が
用いられるようになっており,周波数の安定度や周囲雑
音の影響を受ける等の点で改善が望まれている。
【0003】
【従来の技術】図9は従来のルビジウム原子発振器の構
成を示す。図中,80は約10MHzの周波数を発振す
る電圧制御水晶発振器(VCXOで表す:VoltageL Con
trol Crystal Oscilator) ,81は周波数合成部,82
は低周波発振器,83はルビジウム原子を用いた原子共
鳴器,84はプリアンプ,85は同期検波器,86はプ
リアンプ84から出力される共鳴信号が検出されない時
アラームを発生するアラーム(ALM)回路,87はV
CXO80に対してスイープ(掃引)波形を発生するス
イープ回路,88はアラーム回路86の出力により制御
され,アラーム出力が検出されると同期検波器85から
の同期信号を選択し,アラーム出力が検出されないとス
イープ回路87からのスイープ信号を選択するよう切替
えられる切替回路,89は切替回路88の出力を積分し
てVCXO80の制御電圧を発生する積分器である。
【0004】動作を説明すると,VCXO80の出力は
ルビジウム原子発振器の出力(Rb−OSCの出力と表
示)として外部に供給されると共に,周波数合成器81
に入力される。周波数合成器81では,原子共鳴周波数
(6.8346282 ……GHz)を発生するよう,VCXO8
0の出力周波数を合成・逓倍すると共に低周波発振器8
2の出力信号で位相変調を加える。低周波発振器82は
100〜200Hzの周波数で発振している。周波数合
成器81の出力は原子共鳴器83に入力される。
【0005】図10に原子共鳴器の内部構成を示す。図
中,83’は原子共鳴器を内蔵する磁気シールドケー
ス,830はルビジウムランプを収納するランプハウ
ス,831は高周波源,832はルビジウムランプ,8
33は空洞共振器を構成するキャビティ(空洞),83
4はルビジウム原子(気体)が封入された共鳴セル,8
35はルビジウムの光を検出するフォトダイオード,8
36はマイクロ波励振アンテナである。
【0006】図10において,原子共鳴器は,磁気シー
ルドケース83’に収納され,ランプハウス830は9
0°Cに,キャビティ833は70°Cにそれぞれ温度
制御されている。ランプハウス830の内部に設けられ
たルビジウムランプ832は,ルビジウム原子(気体)
が高周波源831により高周波励振されて,無電極放電
により発光する。キャビティ833は,原子共鳴周波数
(=6.8346…GHz)に同調すると共に,周波数合成部
(図9の81)から出力されるマイクロ波がマイクロ波
励振アンテナ836から発生する。これにより,共鳴セ
ル834内に封入されたルビジウム原子には,このマイ
クロ波が照射される。フォトダイオード835は,共鳴
セル834を通過したルビジウムランプ832の光を検
出している。ルビジウム原子に照射されるマイクロ波周
波数がルビジウム原子の共鳴周波数に一致すると,光・
マイクロ波二重共鳴によりフォトダイオードの受光量が
減少し,これにより共鳴信号が発生する(受光量の減少
を共鳴信号検出とする)。
【0007】図9に戻って,プリアンプ84はフォトダ
イオード835の出力を増幅し,この出力は原子共鳴出
力として同期検波器85に入力すると共にアラーム回路
86に供給される。アラーム回路86は原子共鳴器83
の出力における共鳴信号の有無により,周波数ロック,
アンロックの状態を判別し,外部へアラーム信号を出力
する。切替回路88は,アラーム信号に応じて,積分器
89に入力する信号を切り替える。すなわち,切替回路
88は,共鳴信号が検出された非アラーム時には同期検
波器85の出力を,共鳴信号が未検出のアラーム状態で
はVCXO80の出力周波数を掃引する電圧を発生する
スイープ回路87の出力を選択する。切替回路88の出
力は積分器89に入力され,積分器89は入力する信号
を積分して制御信号に変換する。
【0008】同期検波器85では原子共鳴器83で発生
した共鳴信号を,低周波発振器82の出力周波数,すな
わち周波数合成器81における位相変調と同じ周波数で
同期検波する。積分器89は切替回路88の出力を直流
信号に平滑して誤差信号として出力する。この積分器8
9からの誤差信号出力をVCXO80に周波数制御電圧
として印加することにより,VCXO80の出力周波数
をルビジウム原子の共鳴周波数安定度と同等に保つ(周
波数ロックする)ようになっている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】従来のルビジウム原子
発振器は,上記したようにVCXOを用いた構成になっ
ており,VCXOは外部制御電圧により周波数可変を可
能にしているために,固定周波数出力の水晶発振器(X
Oで表す:Crystal Oscitator)に比べると温度・電源・
雑音等の外部環境や経年変化に対する周波数変化が大き
い。
【0010】近年用いられるようになった汎用の小型の
VCXOは特にこれらの特性変化が大きく,図11にV
CXOとXOの経時変化を示す。図中,横軸は経過日数
(day)を,縦軸は周波数変動率Δf/f0 (Δfは周波
数の変化分,f0 は水晶発振器の基本周波数)であり,
VCXOの経時変化が大きいことが分かる。
【0011】このようなVCXOに対し,その周波数偏
差や経時変化をカバーするため,一般により急峻な周波
数可変特性を持たせている。このため,その周波数安定
度は周囲雑音等の影響を受けやすく,VCXOを使用し
てルビジウム原子発振器を構成した場合,ルビジウム原
子発振器は短期安定度(短期間で安定化する率)や,位
相雑音劣化(位相の変化による周波数の不安定化)の主
要因になるという問題があった。
【0012】更に,経時変化量が大きいことから,立ち
上げ時において周波数ロックするまでの間(10〜30
分程度)や何らかの故障により共鳴信号が検出できなく
なった場合,すなわち周波数アンロックのアラーム時に
は,VCXOの周波数は掃引(スイープ)されている。
図12はアラーム時と周波数ロック時の周波数変動を示
す。図において横軸は時間,縦軸は周波数変動率Δf/
0 を示し,図に示すように,立ち上げ時と,故障発生
時はアラーム状態(共鳴信号の非検出状態)でスイープ
電圧に対するVCXOの変調感度が大きいので周波数が
大きく変動し,非アラーム状態(共鳴信号の検出状態)
では周波数がロックされている。このように,アラーム
時はルビジウム原子発振器の周波数安定度が著しく劣化
するという問題があった。
【0013】本発明は周囲雑音等の影響を受けず,短期
安定度や位相雑音特性の優れた,且つ周波数アンロック
状態における周波数安定度の劣化を最小限に抑えたルビ
ジウム原子発振器を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は出力周波数が周
囲雑音の影響を受けにくく,また周波数偏差や周波数経
時変化がVCXOよりも優れている固定出力周波数の水
晶発振器(XO)とDDS(Direct Digital Synythesi
zer:直接ディジタルシンセサイザ)を用いて,短期安定
度や位相雑音特性を改善し,且つ周波数アンロック状態
における周波数安定度劣化を最小限に抑制するものであ
る。
【0015】図1は本発明の基本構成を示す。図中,1
は固定出力周波数の水晶発振器(XOで表す),2はX
O1から出力される周波数Fc を入力し,後述する同調
データ発生回路11からのディジタル信号Δφとから出
力周波数Fo を発生するDDS(Direct Digital Synyt
hesizer:直接ディジタルシンセサイザを表し,以下DD
Sという),3はDDS2から出力されるアナログの周
波数Fo と低周波発振器6の出力が入力されて周波数合
成を行う周波数合成器,4は原子共鳴器,5はプリアン
プ,6は低周波発振器,7は同期検波器,8はアラーム
(ALM)回路,9は積分器,10はAD変換器,11
は同調データ発生回路である。
【0016】図1において,XO1から出力される固定
の周波数Fc がDDS2に対しシステムクロックとして
供給される。DDS2は同調データ発生回路11から他
の入力として同調データ(ディジタル信号)Δφが供給
されて,次の関係に従うアナログの周波数Fo の信号を
発生し,ルビジウム原子発振器の出力信号として出力す
ると共に,周波数合成器3へ供給する。但し,nはDD
S2の固有の同調データのビット数(例えば,32ビッ
ト)である。周波数合成器3では,原子共鳴周波数を発
生するよう,周波数Fo を合成・逓倍すると共に低周波
発振器6の出力信号で位相変調を加える。低周波発振器
6は100〜200Hzの周波数で発振している。周波
数合成器3の出力は原子共鳴器4に入力されると,原子
共鳴器4は従来と同様の構成により動作し,共鳴信号を
出力してプリアンプ5に入力する。プリアンプ5は共鳴
信号を増幅し,同期検波器7とアラーム(ALM)回路
8に供給する。アラーム回路8は共鳴信号が無いことを
検出すると外部へアラーム信号を出力する。
【0017】同期検波器7は同期信号を検出すると積分
器9へ入力して,積分器9で積分された信号は共鳴時の
信号との誤差信号としてAD変換器10へ供給されて,
ディジタル信号に変換される。このディジタル信号は同
調データ発生回路11に供給されて温度補償を行った同
調データΔφに変換されてDDS2へ供給される。これ
により,DDS2の出力周波数は原子共鳴周波数で安定
化される。この構成において,XO1は周波数可変要素
を備えていないことから出力周波数偏差や経時変化が小
さいため,周波数アンロック時に原子共鳴器4への入力
周波数を掃引することなく共鳴信号を検出することが可
能である。
【0018】このように,本発明では安価で小型の固定
水晶発振器(XO)を用い,この出力をDDSへ供給す
ると共に誤差信号を同調データとしてDDSに加えると
いう構成を設けたことにより原子共鳴器の小型化を実現
すると共に短期安定度や位相雑音特性を改善し,且つ周
波数アンロック状態における周波数安定度劣化を最小限
に抑制することができる。
【0019】なお,上記の説明では,DDS2に対し水
晶発振器(XO)1の出力が入力されると同時に同調デ
ータ発生回路11からの同調データが,DDS2の制御
データとして供給されていることから,「同調データ」
を「制御データ」と言うことができのは明らかであり,
従って「制御データ」を発生する回路の「同調データ発
生回路」を「制御データ発生回路」ということができる
のは明らかである。
【0020】本発明では,原子共鳴器としてルビジウム
原子を用いる場合に適用できるが,他の原子,例えばセ
シウム原子を用いる場合にも適用することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】上述のとおり図1は基本構成を示
す。また,図2はDDSシステムの構成例を示す。図
中,20は選択ワードMとnビットキャリーとを加算す
る加算器,21はnビットの信号に対してPROMから
対応する位相信号を発生する位相レジスタ,22は位相
レジスタ21の出力を振幅に変換する位相−振幅変換
器,23は位相−振幅変換器22からのディジタル信号
をアナログ信号に変換するD・A変換器であり,加算器
20と位相レジスタ21で位相計算器(Phase Accumula
tor)を構成する。
【0022】また, 図中のFo はDDSの出力周波数,
Mはバイナリー選択ワード,Rfはシステムクロック,
nは位相計算器のビット長である。この構成では,Fo
=(M・Rf)/2n の式の関係による出力周波数Fo
が発生する。この図2のDDSを図1のDDS2として
使用する場合,加算器20の選択ワードMとして同調デ
ータ発生回路11からのディジタル信号Δφが入力さ
れ,位相レジスタ21とD・A変換器23へのシステム
クロックとしてXO1で発生する周波数Fc が入力され
る。
【0023】具体的には,XO1で発生する周波数Fc
が50MHz,DDS2の同調データビット数が32ビ
ット(nビット),同調データが858993459 とすると,
出力周波数Fo は次のような値となる。
【0024】 Fo =50MHz×858993459 /232=10MHz 図1に示す基本構成においてDDS2に原子共鳴周波数
との誤差を表す同調データ(または制御データ)Δφを
発生する同調データ発生回路(または制御データ発生回
路)11の実施例の構成を以下に説明する。
【0025】図3は同調データ発生回路の実施例1の構
成である。図中,11aはデータ加算器,11bはEP
ROM(Erasable Programable ROM)である。
【0026】EPROM11bには予めルビジウム原子
発振器の出力周波数を発生するDDSの同調データ(Δ
φo とする)を記憶しておく。データ加算器11aは,
EPROM11bから出力されたデータと誤差情報を持
つAD変換器(図1の10)の出力(Δφc とする)を
加算し,これをDDSの同調データとして出力する。こ
れにより,図1に示すDDS2の出力周波数は原子共鳴
周波数に追従するよう同調データが制御され,安定化す
ることができる。
【0027】図1の原子共鳴器4はルビジウム原子を用
いる場合,上記図11に示すように,ルビジウムランプ
を内蔵するランプハウスは90°Cに,共鳴セルを含む
空洞共振器(キャビティ)は70°Cを維持するよう温
度制御されるが,電子共鳴器を配置する周囲温度の変化
に応じて内部の各部の温度も追従して変化して,共鳴周
波数が変動する。また,原子共鳴器の出力周波数は上記
したように経時変化するが,その主要因はルビジウムラ
ンプの光量低下であり,本発明ではこのような周囲温度
の変化や,経時変化による出力周波数の変動を防止する
手段を同調データ発生回路に設けることにした。また,
ルビジウム原子発振器の出力周波数を外部から可変制御
できることが望まれており,本発明ではそのための手段
を同調データ発生回路に設けるようにした。
【0028】図4は上記の周囲温度の変化や経時変化に
よる周波数変動の防止と出力周波数の可変制御すること
を可能とする同調データ発生回路の実施例2の構成であ
る。図中,11a,11bは上記図3の同じ符号と同じ
もので,11aはデータ加算器,11bはEPROM,
11cは原子共鳴器の周囲温度を検出して補正を行う温
度補正回路,11dは原子共鳴器のフォトダイオード
(図11参照)からの共鳴信号が入力されて原子共鳴器
のルビジウム原子の経時変化による光量の変化を検出し
て光量を補正する光量補正回路,11eは周波数を可変
制御するための外部制御電圧が入力されるAD変換器,
点線で示す11fは外部電圧入力がデジタル値の場合の
構成であり,この場合AD変換器11eを使用せず直接
デジタル値が入力される。
【0029】この同調データ発生回路の実施例2では,
AD変換器(図1の10)から出力された誤差に対応す
るデータΔφc とEPROM11bからの同調データΔ
φoをデータ加算器11aに供給する構成(図3に示し
た第1の実施例)に対して温度補正回路11c,光量補
正回路11d,AD変換器11eの何れか一つを付加し
た構成や,温度補正回路11c,光量補正回路11d,
AD変換器11eの中の何れか2つを組合せて付加した
構成またはこれらの全てを付加した構成の何れかを採用
することができる。以下に,温度補正回路11c,光量
補正回路11dのそれぞれの具体的な構成例を説明す
る。
【0030】同調データ発生回路に温度補正回路を設け
た構成 データ加算器11aに誤差情報を持つAD変換器(図1
の10)からのデータΔφc とEPROM11bの同調
データΔφo と共に温度補正回路11cからの周囲温度
により変化するデータΔφT が入力されると,温度補正
回路の出力をルビジウム原子発振器の周波数温度特性を
補正するよう設定しておくことにより,DDSからは温
度変化に対しても安定な周波数が出力される。
【0031】図5は温度補正回路(11c)の構成例1
である。図中,50aは周囲温度検出用のサーミスタ,
50bは電圧変換部,50cはAD変換器である。
【0032】この構成例1では,サーミスタ50aによ
り原子共鳴器の周囲温度を電流として検出し,これを電
圧変換部50bにおいて適正な電圧値,すなわちルビジ
ウム原子発振器の周波数温度変化を補正するようなアナ
ログの電圧VT に変換される。この電圧VT はAD変換
器50cでディジタルデータに変換される。このデータ
は温度補正データΔφT として図4のデータ加算器11
aに供給される。
【0033】図6は温度補正回路(11c)の構成例2
である。図中,51aは周囲温度検出用のサーミスタ,
51bはサーミスタ51aの電流値を電圧に変換する温
度検出回路,51cはヒータトランジスタ,51dは原
子共鳴器のキャビティやランプハウスを加熱するための
ヒータ,51eは電圧変換部,51fはAD変換器であ
り,51a〜51dで温度制御を行い,51e,51f
で温度補正を行う。
【0034】図6のヒータ51dは原子共鳴器内のラン
プハウス及びキャビティを温度制御するのヒータ電流I
hにより駆動され,ヒータ電流を制御するトランジスタ
51cのコレクタ電位は周囲温度変化に対して図7のよ
うに変化する。図7は周囲温度(°C)の変化に対する
ヒータトランジスタ51cのコレクタ電位(Vc)の変
化を表す。なお,周囲温度としては0°C〜60°C程
度の範囲が想定される。
【0035】この構成例2では,温度補正回路において
温度検出素子を用いず,この原子共鳴器における温度制
御用トランクのコレクタ電位で温度変化を検出する。周
囲温度に対するヒータトランジスタ51cのコレクタ電
位を,電圧変換部51eでルビジウム原子発振器の周波
数温度変化を補正するような電圧に変換する。AD変換
器51fではこの電圧をディジタル信号に変換し温度補
正データΔφT として出力する。
【0036】同調データ発生回路に光量補正回路(図4
の11d)を設けた構成 ルビジウム原子発振器における出力周波数の経時変化の
主要因である原子共鳴器のルビジウムランプの光量低下
に対処するために光量補正回路が用いられる。
【0037】図8は光量補正回路の構成例である。図
中,52aは原子共鳴器のフォトダイオードより入力さ
れる電圧Vp を増幅するプリアンプ,52bは電圧変換
回路,52cはAD変換器である。原子共鳴器にてルビ
ジウムランプの光量を検出するフォトダイオードの出力
を同調データ発生回路内のプリアンプ52aに入力し,
電圧変換回路52bはこのプリアンプ出力電圧すなわち
ルビジウムランプの光量に応じて,周波数変化を補正す
る電圧を発生する。この出力をAD変換器52cでデジ
タル信号に変換後,データ加算器(図4の11a)でD
DS(図1の2)の同調データとして加える。これによ
り,DDSからは,光量変化による周波数変化を伴わな
い安定な出力周波数を発生することができる。
【0038】この光量補正回路(図4の11d)と上記
温度補正回路(図4の11c)の両方をEPROM(図
4の11b)と共にデータ加算器(図4の11a)へ入
力する構成を採ることにより,ルビジウム原子発振器出
力周波数の温度変化及びルビジウムランプの光量低下に
よる経時変化の両方を補正することができる。
【0039】同調データ発生回路に外部からの制御電圧
を加える構成 ルビジウム原子発振器の外部から制御電圧を加えること
により出力周波数を可変可能,すなわち電圧制御型ルビ
ジウム原子発振器(VCRO:Variable Controle Rubi
sium Oscilator) として構成される。外部から入力され
る直流(アナログ)の制御電圧はAD変換器(図4の1
1f)にてデジタル信号に変換後,データ加算器に入力
される。従って,このデータ加算器出力をDDSに同調
ワードとして加えることにより,外部制御電圧によりD
DSの出力周波数を可変にすることができる。
【0040】ルビジウム原子発振器の外部から周波数を
可変制御するための信号としてアナログ信号ではなくデ
ジタル信号(図4の11f)を加えることにより出力周
波数を可変可能,すなわちデジタル制御型ルビジウム原
子発振器(DCRO:Digital Controle Rubisium Osci
lator)を構成することができる。
【0041】外部から入力されるデジタル信号は直接ま
たはデータ変換回路で適切なデータ変換後,データ加算
器(図4の11a)に入力される。従って,このデータ
加算器出力をDDSに同調ワードとして加えることによ
り,外部デジタル信号でDDSの出力周波数が可変とな
る。
【0042】上記の図4に示すように,ルビジウム原子
発振器出力周波数の温度変化,及びルビジウムランプの
光量低下による経時変化を補正し,且つ外部からの制御
電圧で出力周波数を可変可能とすることができる。
【0043】(付記1) 原子共鳴周波数として固定周
波数を発生する水晶発振器と,該水晶発振器の出力をシ
ステムクロックとして入力すると共に共鳴周波数に応じ
て発生する誤差信号に対応する同調データとを入力して
出力周波数を可変制御できる直接ディジタルシンセサイ
ザ(DDS)と,前記DDSの出力を合成・逓倍すると
共に低周波信号で位相変調を加える周波数合成器,該周
波数合成器の出力を入力してルビジウム原子の共鳴周波
数との誤差信号を検出する原子共鳴器と,該原子共鳴器
からの信号を入力して対応する同調データを発生する同
調データ発生回路とを備え,前記DDSから発振器出力
を発生することを特徴とするルビジウム原子発振器。
【0044】(付記2) 付記1において,前記同調デ
ータ発生回路は,前記原子共鳴器からの誤差を表すデジ
タル信号と,ルビジウム原子発振器の出力周波数を発生
する前記DDSの同調データを記憶するEPROMの出
力信号とを入力して加算を行うデータ加算器とを備え,
データ加算器から同調データを発生することを特徴とす
るルビジウム原子発振器。
【0045】(付記3)付記2において,前記原子共鳴
器の周囲温度の検出信号を入力して周囲温度に伴って変
化する周波数変化を補正する信号を発生する温度補正回
路を設け,前記同調データ発生回路のデータ加算器に前
記温度補正回路の出力を入力することを特徴とするルビ
ジウム原子発振器。
【0046】(付記4) 付記3において,前記原子共
鳴器におけるヒータ電流を制御するトランジスタのコレ
クタ電位により温度変化を検出し,前記コレクタ電位を
電圧変換して温度補正信号を発生する温度補正回路を設
けたことを特徴とするルビジウム原子発振器。
【0047】(付記5) 付記2において,前記原子共
鳴器のルビジウム原子の経時変化による光量変化を検出
し,光量変化に対応した周波数変化を補正する電圧を発
生する光量補正回路を設け,該光量補正回路の出力を,
前記同調データ発生回路のデータ加算器に入力すること
を特徴とするルビジウム原子発振器。
【0048】(付記6) 付記2において,外部からの
可変の制御電圧を表す信号を前記データ加算器へ入力し
て前記同調データ発生回路からの出力を外部から可変と
し,ルビジウム原子発振器の発振周波数を可変制御する
ことを特徴とするルビジウム原子発振器。
【0049】(付記7) 付記6において,外部からの
可変の制御電圧を表す入力をAD変換器でデジタル信号
に変換して前記データ加算器へ入力し,前記同調データ
発生回路からの出力を外部から可変とし,ルビジウム原
子発振器の発振周波数を可変制御することを特徴とする
ルビジウム原子発振器。
【0050】(付記8) 付記6において,外部からの
可変の制御電圧に対応するデジタル信号の入力を前記加
算器に入力し,前記同調データ発生回路からの出力を外
部から可変とし,ルビジウム原子発振器の発振周波数を
可変制御することを特徴とするルビジウム原子発振器。
【0051】(付記9) 原子共鳴周波数として固定周
波数を発生する水晶発振器と,該水晶発振器の出力をシ
ステムクロックとして入力すると共に共鳴周波数に応じ
て発生する誤差信号に対応する制御データとを入力して
出力周波数を可変制御できる直接ディジタルシンセサイ
ザ(DDS)と,前記DDSの出力に所定の処理をほど
こして入力してルビジウム原子の共鳴周波数との誤差信
号を検出する原子共鳴器と,該原子共鳴器からの信号を
入力して対応する制御データを発生する制御データ発生
回路とを備え,前記DDSから発振器出力を発生するこ
とを特徴とするルビジウム原子発振器。
【0052】
【発明の効果】本発明によれば,原子共鳴周波数の発生
源として周囲雑音等の影響を受けにくい固定周波数出力
の水晶発振器(XO)を用いてルビジウム原子発振器を
構成することができる。これにより,出力の位相雑音特
性,及び周波数短期安定度が優れたルビジウム原子発振
器を実現することができる。
【0053】また,XOは周波数可変要素を備えていな
いことから出力周波数偏差や経時変化が小さいので,周
波数アンロック時に原子共鳴器への入力周波数を掃引す
ることなく共鳴信号を検出することが可能である。従っ
て,アラーム時における周波数安定度の劣化が従来より
も抑止され,且つスイープ回路が削減されることにより
小型化・低コスト化を実現することができる。
【0054】また,周囲温度変動及びルビジウムランプ
の光量変化に応じてDDSの同調データがこれらを補正
するよう制御されるので,従来よりも温度特性やエージ
ング特性の優れたルビジウム原子発振器を実現すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本構成図である。
【図2】DDSシステムの構成例を示す図である。
【図3】同調データ発生回路の実施例1の構成を示す図
である。
【図4】同調データ発生回路の実施例2の構成を示す図
である。
【図5】温度補正回路の構成例1を示す図である。
【図6】温度補正回路の構成例2を示す図である。
【図7】周囲温度の変化に対するヒータトランジスタの
コレクタ電位の変化を示す図である。
【図8】光量補正回路の構成例を示す図である。
【図9】従来のルビジウム原子発振器の構成を示す図で
ある。
【図10】原子共鳴器の内部構成を示す図である。
【図11】VCXOとXOの経時変化を示す図である。
【図12】アラーム時と周波数ロック時の周波数変動を
示す図である。
【符号の説明】
1 水晶発振器(XO) 2 DDS(Direct Digital Synythesizer) 3 周波数合成器 4 原子共鳴器 5 プリアンプ 6 低周波発振器 7 同期検波器 8 アラーム(ALM)回路 9 積分器 10 AD変換器 11 同調データ発生回路
フロントページの続き (72)発明者 松浦 秀行 宮城県仙台市青葉区一番町1丁目2番25号 富士通東北ディジタル・テクノロジ株式 会社内 (72)発明者 中島 義文 宮城県仙台市青葉区一番町1丁目2番25号 富士通東北ディジタル・テクノロジ株式 会社内 (72)発明者 古山 義人 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内 Fターム(参考) 5J106 AA01 CC01 CC07 CC09 CC21 CC54 CC55 DD09 DD21 DD33 DD36 DD44 EE01 GG14 KK12 KK13 KK31

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 原子共鳴周波数として固定周波数を発生
    する水晶発振器と,該水晶発振器の出力をシステムクロ
    ックとして入力すると共に共鳴周波数に応じて発生する
    誤差信号に対応する同調データとを入力して出力周波数
    を可変制御できる直接ディジタルシンセサイザ(DD
    S)と,前記DDSの出力を合成・逓倍すると共に低周
    波信号で位相変調を加える周波数合成器,該周波数合成
    器の出力を入力してルビジウム原子の共鳴周波数との誤
    差信号を検出する原子共鳴器と,該原子共鳴器からの信
    号を入力して対応する同調データを発生する同調データ
    発生回路とを備え,前記DDSから発振器出力を発生す
    ることを特徴とするルビジウム原子発振器。
  2. 【請求項2】 請求項1において,前記同調データ発生
    回路は,前記原子共鳴器からの誤差を表すデジタル信号
    と,ルビジウム原子発振器の出力周波数を発生する前記
    DDSの同調データを記憶するEPROMの出力信号と
    を入力して加算を行うデータ加算器とを備え,データ加
    算器から同調データを発生することを特徴とするルビジ
    ウム原子発振器。
  3. 【請求項3】 請求項2において,前記原子共鳴器の周
    囲温度の検出信号を入力して周囲温度に伴って変化する
    周波数変化を補正する信号を発生する温度補正回路を設
    け,前記同調データ発生回路のデータ加算器に前記温度
    補正回路の出力を入力することを特徴とするルビジウム
    原子発振器。
  4. 【請求項4】 請求項2において,前記原子共鳴器のル
    ビジウム原子の経時変化による光量変化を検出し,光量
    変化に対応した周波数変化を補正する電圧を発生する光
    量補正回路を設け,該光量補正回路の出力を,前記同調
    データ発生回路のデータ加算器に入力することを特徴と
    するルビジウム原子発振器。
  5. 【請求項5】 原子共鳴周波数として固定周波数を発生
    する水晶発振器と,該水晶発振器の出力をシステムクロ
    ックとして入力すると共に共鳴周波数に応じて発生する
    誤差信号に対応する制御データとを入力して出力周波数
    を可変制御できる直接ディジタルシンセサイザ(DD
    S)と,前記DDSの出力に所定の処理をほどこして入
    力してルビジウム原子の共鳴周波数との誤差信号を検出
    する原子共鳴器と,該原子共鳴器からの信号を入力して
    対応する制御データを発生する制御データ発生回路とを
    備え,前記DDSから発振器出力を発生することを特徴
    とするルビジウム原子発振器。
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