JP4520061B2

JP4520061B2 - ルビジウム原子発振器

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Publication number: JP4520061B2
Application number: JP2001064261A
Authority: JP
Inventors: 健熱海; 秀行松浦; 義文中島; 義人古山
Original assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Current assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Priority date: 2001-03-08
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2021-03-08
Also published as: US20020125959A1; US6570455B2; JP2002271197A

Description

【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（Voltage Control Crystal Oscilator: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 Control 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ＶＣＸＯ８０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，ＶＣＸＯ８０の出力周波数を合成・逓倍すると共に低周波発振器８２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，８３３は空洞共振器を構成するキャビティ（空洞），８３４はルビジウム原子（気体）が封入された共鳴セル，８３５はルビジウムの光を検出するフォトダイオード，８３６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９０°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８９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（ＸＯ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ＶＣＸＯ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／ｆ₀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 Synythesizer: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ＸＯ１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 Synythesizer:直接ディジタルシンセサイザを表し，以下ＤＤＳ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，後述する図２の説明に記載された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ＤＤＳ２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 Accumulator)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ＥＰＲＯＭ（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（Δφ_o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（Δφ_c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１０について説明したように，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Δφ_cとＥＰＲＯＭ１１ｂからの同調データΔφ_o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Δφ_cとＥＰＲＯＭ１１ｂの同調データΔφ_o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Δφ_T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Ｖ_Tに変換される。この電圧Ｖ_T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Δφ_Tとして図４のデータ加算器１１ａ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Ｉｈ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Δφ_T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ＤＤＳ（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 Rubisium 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１１ｆ）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ＤＤＳ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 Oscilator)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）
２ＤＤＳ（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
１０ＡＤ変換器
１１同調データ発生回路

Claims

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同調データを発生する同調データ発生回路の出力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，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と，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前記誤差信号を増幅して，前記低周波信号により同期検波されて積分器で積分された信号が入力するＡ／Ｄ変換器とを備え，
前記同調データ発生回路は，前記Ａ／Ｄ変換器の出力信号と，前記ルビジウム原子発振器の同調周波数を記憶するＥＰＲＯＭの出力信号と，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て対応する周波数変化を補正する電圧を発生する光量補正回路の出力信号とを加算して前記同調データを発生する加算器を備え，
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。