JP4882693B2 - ルビジウム原子発振器 - Google Patents
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Description
尚、低コストのVCXOを用いた原子発振器として特許文献1には、鋸歯状の電圧を出力する掃引電圧発生器及び切替器を備え、共鳴検出器出力より原子共鳴信号が出力されないときは、切替器では掃引電圧発生器の出力を選択し、掃引電圧発生器の出力電圧の変化によりVCXOの周波数を変化させ、共鳴検出器より2倍波成分が出力されると、切替器により積分器の出力を選択すると同時に積分器の動作を行わせるように構成する原子発振器について開示されている。
従って、この現象を回避するには、VCXOの周波数感度に応じて、周波数掃引速度(掃引期T)を十分遅くする必要がある。ところが、周波数掃引速度(掃引周期T)を遅くすることは、逆に周波数がロックするまでの同期時間が長くなってしまうということであり、短時間でのロックという市場の要求に十分応えることができないといった問題がある。
スイープ電圧は原子発振器の電源投入時や非ロック状態になったときに、原子発振器をロック状態に引き込むために電圧制御発振器の制御電圧を直線的に変化させる電圧である。このとき電圧制御発振器の特性がスイープ電圧の掃引速度に追従できる特性を持っていれば良いが、周波数可変幅が広く周波数安定度が低い電圧制御発振器を使用した場合は、ロック状態に容易にならない場合がある。そこで本発明では、スイープ電圧の掃引速度を2段階に変化させるために、原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したときに、スイープ電圧の掃引速度を遅くするものである。これにより、全体の掃引時間が長くなるのを最小限に抑えると共に、ロック状態に容易に引き込むことができるので、低グレードの電圧制御発振器を用いることができる。
本発明の最も大きな特徴は、積分器に供給する電圧信号をロック状態と非ロック状態により切り替えるために断接手段を備え、ロック状態においては断接手段を断状態にして位相検波からの信号により積分器を動作させ、非ロック状態においては、断接手段を接続状態にして電圧信号生成回路からの電圧信号により積分器を動作させてスイープ電圧を発生するようにしている。これにより、1つの積分器をロック状態と非ロック状態で共通に使用することが可能となり、回路規模を削減することができる。
ここで、共鳴前駆検出部が共鳴周波数近傍に達したことを検出した場合、掃引速度を遅くするわけであるが、前駆検出部がノイズ等を誤検出することがあり、掃引速度を遅くする時間は可能な限り短くするのが好ましい。そこで本発明では、共鳴周波数近傍に達したことを検出すると、その時点から例えば10秒位の時間だけ切替手段を掃引速度が遅くなる側に切り替えるようにしている。これにより、共鳴前駆検出部が信号を誤検出した場合でも、速やかに元の掃引速度に戻り、全体の掃引時間の遅れを最小限にすることができる。
共鳴検出部が原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数に達したことを検出すると、スイープ電圧の掃引を停止して、位相検波による制御に切り替える必要がある。そこで本発明では、共鳴検出部が位相変調信号の2倍の周波数成分を検出すると、断接手段を断状態にして積分回路から電圧信号生成回路を切り離して、位相検波による制御に切り替えるものである。これにより、積分器の時定数を位相検波器からの出力信号に追従させることができる。
この状態でスイープ信号が共鳴周波数の近傍になる電圧まで変化すると、共鳴前駆検出部3は増幅部2の出力信号(共鳴信号)を検出して、OMU1の入力周波数が共鳴周波数近傍になった状態であると判定し制御信号を出力する。この制御信号により、電圧信号生成回路6aを制御して掃引速度が遅くなる電圧を一定時間(例えば10秒)発生する(詳細は後述する)。これにより、積分回路6bはスイープ電圧の勾配を緩やかにする(掃引速度が遅い)ように変化させる。その結果、VCXO8は制御電圧の変化が遅くなるので、発振周波数も緩やかに変化してロック状態に引き込むことが容易となる。そして、共鳴信号検出部4が増幅部2の出力信号(共鳴信号)を検出して、OMU1の入力周波数が共鳴周波数に一致したと判定すると(ロック状態)切替信号をスイッチ11に出力し、スイッチ11を動作させて電圧信号生成回路6aを積分回路6bから切り離す。これにより、それ以降の動作は、位相検波器5からの信号に基づいて周波数制御が行われ、ロック状態が維持される。
なお、上述したように、OMU1の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したことを共鳴前駆検出部3が検出した場合、掃引速度を遅くするわけであるが、この時間は可能な限り短いことが好ましい。そこで本実施形態では、共鳴周波数近傍に達したことを検出すると、その時点から例えば10秒位の時間だけ掃引速度が遅くなるように切り替えるものである。これにより、OMU1の入力周波数が共鳴周波数近傍に達したことを検出すると自動的に所定時間後に元の掃引速度に戻り、全体の掃引時間の遅れを最小限にすることができる。
即ち、共鳴前駆検出部3は、OMU1の入力周波数が共鳴周波数近傍に達しない場合は、SW−bとSW−cを接点b(通常の掃引速度側)側に切り替える。これにより、積分回路6bの時定数は、R1、C1、C2により決定され、スイープ電圧はVref2により制御される。また、OMU1の入力周波数が共鳴周波数近傍に達した場合は、SW−bとSW−cを接点a(掃引速度が遅くなる側)側に切り替える。これにより、積分回路6bの時定数は、R1、C1、C2により決定されるが、スイープ電圧はVref3L又はVref3Hにより制御される。
電源起動直後、VCXO8の周波数はロック範囲外となっており、共鳴前駆検出部3と共鳴検出部4は共に共鳴信号を検出することができない状態である。このとき、SW−a、SW−b、SW−cは図3に示す状態であり、電圧信号生成回路6aと積分回路6bが接続された状態である。この状態では、積分回路6bからは図4のようなスイープ電圧が発生される。即ち、Vref2Hys1(P)からVref2Hys2(Q)まで直線的に増加する波形20と、Q点からVref1(R)まで直線的に減少する波形21の繰り返し電圧が発生する。このときの掃引周期(T)は、R1、C1、C2とVref1に対するVref4HまたはVref4Lの電位差によって決定される。
尚、スイープ電圧が上昇する場合について説明したが、電圧Vaの極性が反転することにより、図5のU点からX点までの動作となる。
Claims (5)
- 原子共鳴器と、該原子共鳴器の共鳴周波数に同期するように制御電圧を生成する周波数制御部と、前記制御電圧によって発振周波数が制御される電圧制御発振器と、 非ロック状態において周波数の引き込みを行なうためのスイープ電圧を生成するスイープ電圧生成手段と、を備えた原子発振器であって、
前記スイープ電圧生成手段は、前記非ロック状態において所定の電圧信号を生成する電圧信号生成回路と、該電圧信号生成回路から供給される電圧信号を積分処理して前記スイープ電圧を生成する積分回路と、前記電圧信号生成回路と前記積分回路を電気的に断接する断接手段と、を備え、
前記スイープ電圧生成手段は、前記原子共鳴器の入力周波数が前記共鳴周波数に達した場合は前記断接手段を断状態とし、前記原子共鳴器の入力周波数が前記共鳴周波数に達しない場合は前記断接手段を接続状態とし、前記入力周波数が前記共鳴周波数の近傍の所定の周波数に達した場合は、前記断接手段を接続状態にして前記スイープ電圧の掃引速度を遅くすることを特徴とする原子発振器。 - 前記入力周波数が前記所定の周波数に達したことを検出する共鳴前駆検出部と、前記入力周波数が前記共鳴周波数に達したことを検出する共鳴検出部と、を備え、
前記電圧信号生成回路は、前記スイープ電圧の掃引速度を切り替える第1の切替手段を有し、
前記スイープ電圧生成手段は、前記共鳴前駆検出部の出力信号に基づき、前記原子共鳴器の入力周波数が共鳴周波数近傍の所定の周波数に達しないときには、前記第1の切替手段を通常の掃引速度となる側に切り替えると共に、前記入力周波数が前記所定の周波数に達したときには、前記第1の切替手段を前記通常の掃引速度よりも遅い掃引速度になる側に切り替えることを特徴とする請求項1記載の原子発振器。 - 前記電圧信号生成回路は、前記スイープ電圧の掃引方向を切り替える第2の切替手段を更に備えたことを特徴とする請求項2に記載の原子発振器。
- 前記スイープ電圧生成手段は、前記入力周波数が前記所定の周波数に達したときに、前記第1の切替手段を前記掃引速度の遅い側に所定時間切り替えることを特徴とする請求項2、または3に記載の原子発振器。
- 前記原子共鳴器には位相変調信号によって位相変調された高周波信号が入力され、前記共鳴検出部は、前記原子共鳴器が出力する信号のうち前記位相変調信号の2倍の周波数成分を検出することにより、前記電圧信号生成回路と前記積分回路とが断状態となるように前記断接手段を制御することを特徴とする請求項2乃至4に記載の原子発振器。
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