JPH01231521A

JPH01231521A - 原子発振器

Info

Publication number: JPH01231521A
Application number: JP5886488A
Authority: JP
Inventors: Yoshibumi Nakajima; 義文中島; Kazuharu Chiba; 千葉　一治; Hideo Sumiyoshi; 秀夫住吉
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-03-11
Filing date: 1988-03-11
Publication date: 1989-09-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［概　　　要］電圧制御水晶発振器の出力を低周波発振器の出力により
変調器で位相変調し、該位相変調出力を周波数合成器に
より原子共鳴器の共鳴周波数のマイクロ波に変換して該
マイクロ波を該共鳴器に照射することにより該共鳴器か
らの出力の基本波を選択増幅器て検出し同期検波器て該
低周波発振器の出力との位相差を積分器で積分して該電
圧制御水晶発振器の基準電圧とする原子発振器に関し、
電源投入時にマイクロ波の周波数が同期引き込み範囲外
にあっても同期引き込みを確実に行うことができるよう
にすることを目的とし、電源投入後、原子共鳴器の出力
の２倍波成分を検出する同期信号検出回路と、積分器の
出力又はその基準電圧に加えるべき出力電圧を発生ずる
スイープ回路と、該同期信号検出時まで該スイープ回路
を動作させるとともに該同期信号検出後は該スイープ回
路の出力を停止させて一定電圧を発生させる保持回路と
、で構成する。

［産業上の利用分野〕本発明は原子発振器に関し、特に電圧制御水晶発振器の
出力を低周波発振器の出力により変調器て位相変調し、
該位相変調出力を周波数合成器により原子共鳴器の共鳴
周波数のマイクロ波に変換して該マイクロ波を該共鳴器
に照射することにより該共鳴器からの出力の基本波を選
択増幅器て検出し同期検波器て該低周波発振器の出力と
の位相差を積分器で積分して該電圧制御水晶発振器の基
準電圧とする原子発振器に関するものである。

［従来の技術］第６図は従来から一般的な原子発振器の構成を示したも
ので、１は電圧制御水晶発振器（Ｌ”Ｊ下、ＶＣＸ○と
いう）、２は低周波発振器、３はＶＣＸＯＩの出力を低
周波発振器２の出力により位相変調する変調器、４は光
−マイクロ波共鳴器（○ＭＵ）又はセジウノ、ビーノ、
管（ＣＢＴ）等の原子共鳴器５の共鳴周波数のマイクロ
波に変調器３の出力を変換する周波数合成器、６は原子
共鳴器５から出力されるマイクロ波を共鳴器５に照射し
た時に共鳴器５から出力される光を電気信号に変換しそ
の基本波（低周波発振器２の出力と同一周波数）を選択
して増幅する選択増幅器、７は選択増幅器６の出力と低
周波発振器２の出力の位相差信号を発生ずる同期検波器
、そして８はその位相差信号を積分してＶＣ×０１の制
御基準電圧を発生ずる積分器である。

次に動作については、例えば５　Ｍ　ＨｚのＶＣＸＯＩ
の発振出力を低周波で位相変調し更に原子共鳴器５の原
子の遷移周波数（共鳴周波数）のマイクロ波を周波数合
成器４で作って原子共鳴器５に与える。

一方、原子共鳴器５ては光源ランプ（図示せず）により
光ボンピング作用を受けるが、この場合、共鳴周波数て
光ボンピンク作用が最大となるため、これに伴って原子
共鳴器５の光出力は最小となる。

この出力特性は第７図に示す通り、共鳴器５のマイクロ
波入力周波数は原子の遷移周波数とは必ずしも一致ぜす
、従って共鳴器５からの光出力は両者の周波数誤差に相
当した信号となる。

そして、ＶＣＸＯＩの制御電圧ｖＦを基準電圧ｖＲに固
定して自走させることにより上記の周波数誤差のうち、
変調信号としての低周波発振器２の出力周波数の２倍波
成分を検出器（図示せず）により検出して図示の閉ルー
プを構成するか、その後は基本波成分を選択増幅器６で
電気信号として検出し同期検波器７へ送る。この同期検
波器７ではその低周波信号と選択増幅器６の出力との位
相差を検出し、その位相差電圧を基準電圧ｖＲと比較し
てその差電圧を積分器８に与える。積分器８はこの入力
電圧と基準電圧ｖＲとを比較してその差の電圧を積分し
、ＶＣＸＯＩの制御基準電圧ＶＦとして与える。

これにより、ＶＣＸＯＩの発振周波数は原子共鳴器５の
原子の遷移周波数に一致するようになる。

［発明が解決しようとする課題］ところで、第６図の回路は原子共鳴器５の出力から低周
波信号（変調信号）の２倍波酸分が同期信号として検出
されて始めて閉ループを構成するものてあり、同期信号
か検出されない時は積分器のコンデンサ（図示せず）か
ショー１〜されて積分器８及び同期検波器７の基準電圧
ｖＲが■ＣＸ○１にそのまま印加される。

そして同期状態になって閉ループが構成された後にマイ
クロ波の周波数が雑音等により変動すると次の引き込み
動作が行われる。即ち、周波数合成器４から原子共鳴器
５へ入力されるマイクロ波の周波数が第７図に示す如く
、Ａであったとすると、選択増幅器６及び同期検波器７
の出力はそれぞれ第７図に示すようになり、積分器８の
入力は基準電圧ｖＲと同期検波器７の出力が加算され、
その出力は時間とともに増大する。この結果、マイクロ
波周波数はＡからＣの方に動く。この場合、同期検波器
７の平均電圧は、マイクロ波周波数がＡからＣに近づく
程小さくなるが、基準電圧ｖＲよりは依然紙いため、マ
イクロ波はＡからＣまで動くことになる。

マイクロ波がＣになると、同期検波器７の出力電圧は基
準電圧ｖＲとなり、積分器８の再入力は正−負が等しく
なるので積分出力の時間的変化がなくなり、Ｃで制御が
安定する。

また、マイクロ波がＣからＢの方へ変化した場合には、
今度は積分器８の出力は第７図に示すように減少するの
で、再びＣの方へ周波数が戻される制御が行われる。こ
れが通常の同期制御である。

しかしながら、ｖｃｘｏには出力周波数が変化するとい
うエージング（経年変化）があるため、例えば５　Ｍ　
Ｈｚになるための■ＣＸ０１の制御電圧ｖＦが時間とと
もに変化するので、電源を切って再び投入した時（制御
電圧Ｖｐ＝基準電圧ｖＲの時）のマイクロ波の周波数が
、第７図に示す如く、共鳴パターンの引き込み範囲外の
Ｄであった場合には、選択増幅器６の交流成分は“′０
″であるため、同期検波器７の出力は基準電圧ｖＲとな
り、従って積分器８の再入力には差がなく、積分器比カ
はＣの時と同様に基準電圧ｖＲとなって制御電圧ＶＰが
変化せず、正常な同期制御動作が行えなくなってしまう
という問題点があった。

このなめ、原子発振器には、エージングが良好な高価で
大きいｖｃｘｏを使わなければならなかった。

また、正常状態でないときは基準電圧をスイープして同
期信号を検出し閉ループを作る方法もあるが、この方法
だと、ｖｃｘｏのエージング以外の障害時にも基準電圧
をスイープさせてしまうために、かかる場合にはｖｃｘ
ｏの出力周波数はスイープ電圧に対応して時間とともに
変化し、系に悪影響を及ぼすという問題点があった。

従って、本発明は、電圧制御水晶発振器の出力を低周波
発振器の出力により変調器で位相変調し、該位相変調出
力を周波数合成器により原子共鳴器の共鳴周波数のマイ
クロ波に変換して該マイクロ波を該共鳴器に照射するこ
とにより該共鳴器からの出力の基本波を選択増幅器で検
出し同期検波器で該低周波発振器の出力との位相差を積
分器で積分して該電圧制御水晶発振器の基準電圧とする
原子発振器において、電源投入時にマイクロ波の周波数
が同期引き込み範囲外にあっても同期引き込みを確実に
行うことができる原子発振器を実現することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］第１図は上記の目的を達成するための第１の本発明に係
る原子発振器では、第６図の構成に加えて、電源投入後
、原子共鳴器５の出力の２倍波酸分を検出する同期信号
検出回路９と、積分器８の出力に加算される出力を発生
するスイープ回路１０と、その同期信号検出時までスイ
ープ回路１０を動作させるとともに該同期信号検出後は
スイープ回路１０の出力を停止させて一定電圧を発生す
る保持回路１１と、を備えている。

第２図は第２の本発明に係る原子発振器ては、スイープ
回路１０から発生された出力電圧が、同期検波器７及び
積分器８に共通の基準電圧に加算されるようになってい
る点が第１図の第１の木発明と異なっている。

［作　　用］第Ｊの本発明では、電源投入後、原子共鳴器５の出力の
うち、低周波発振器２の周波数の２倍波成分を同期信号
検出回路って検出するが、この同期信号が検出されるま
では保持口ｉ￥８１１がスイープ回路１０のスイープ動
作を行わせ、同期信号が検出された時は保持口＃ｒ１１
によってスイープ回路１０のスイープ動作を停止させ、
一定電圧に固定する。スイープ回ｉ￥８１０からの出力
電圧は積分器８の出力電圧に加えられてＶＣＸＯＩの制
御電圧Ｖ、となる。

第２の本発明では、積分器８の出力にスイープ回路１０
の出力電圧を加えるのではなく、積分器８及び同期検波
器７グ）基準電圧にスイープ回路の出力電圧を加えてい
る。

これらの本発明により、電源投入後、−度も同期（共１
ｔ１１５）信号か検出されていないときはＶＣＸｏｌの
制御電圧ｖＰは積分器の基準電圧ｖＲに加えられる電圧
がスイープし、−度でも同期信号か検出されたときはス
イープを止めて一定電圧となり閉ループを構成するのて
、電源投入時の引き込みが必ずできるようになる。

し実施例］第３図は本発明に係る原子発振器に用いる同期信号検出
回路つと保持回路１１の一実施例を示しており、図中、
９１は原子共鳴器５の出力を電気信号に変換し且つその
中の低周波発振器２の出力信号の２倍波成分を選択して
増幅する２倍波増幅器、９２は増幅器９１からの２倍波
交流成分を直流成分に変換する整流器、９３は整流器９
２からの直流成分出力に応じてオン／オフ出力を発生ず
るスイッチング回路、である。また、保持回路１１はフ
リップフロップで構成されている。

第４図は同しく本発明に用いられるスイープ回路１０の
一実施例を示しており、１００はパルス発振器、１０］
はＣＲ回路である。このパルス発振器１００からは第５
図（、）に示すパルスが発生され、このパルスをＣＲ回
路１０１て゛スイープさぜ、第５図（１〕）のような波
形を発生させている。

」二記の実施例の動作を説明すると、電源投入後、非同
期（非共鳴）状態にあるとき、２倍波増幅器９１及び整
流器９２からは出力はほとんと発生されず、従ってスイ
ッチング回路９３の出力をオン（”Ｈ’″レベル）にす
る。これによりフリップフロッグの保持回路１１のＱ出
力もオンとなりスイープ回路１０のパルス発振器１００
の発振動作を開始さぜ、ＣＩＲ回路１０１より第５図（
１〕）に示すスイープ波形を発生ずる。

そして、第１図又は第２図に示すように、積分器８の出
力又は積分器８（及び同期検波器７）の基準電圧ｖＲに
上記のスイープ波形を加える。

これにより、ｖｃｘｏ１の制御電圧Ｖｐもスイープ電圧
十基準電圧ｖＲとしてスイープする。

この結果、このスイープ波形の途中て周波数合成器４の
出力マイクロ波は原子共鳴器５の共鳴（遷移）周波数に
一致し、従って原子共鳴器５の出力からは２倍波が発生
される。これを２倍波増＝１２− 幅器９１で検出すると、整流器９２を介してスイッチン
グ回路９３の出力はオフ（”　ｒ−”レベル）となり、
保持回路１１の出力もオフにする。

従って、スイープ回路１０の発振器１００の発振は停止
して固定電圧（例えはゼロ〉が出力され、この後は、積
分器８のコンデンサ（図示せず）による閉ループの積分
動作が上述したように行われて同期状態が保たれる。

［発明の効果］以上のように、本発明に係る原子発振器によれば、電源
投入後の非同期時には、積分器の出力電圧が積分器の基
準電圧に上乗せした形でスイープし、同期後はスイープ
電圧を一定値に固定させるように構成したので、ｖｃｘ
ｏの周波数がエージングにより変化して積分器の基準電
圧で同期信号が検出されなくてもそのスイープした電圧
により、ＶＣＸ○の制御電圧を変化させることができ、
同期引き込みを行うことができる。また、他め原因でｖ
ｃｘｏが異常になっても同期後はスイープきせないので
ｖｃｘｏのフリーランとして動作し、原子発振器全体に
及ぼす影響を軽減することができる。そして、このよう
な構成により安価なＶＣＸＯを用いることができること
になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の本発明に係る原子発振器の概念を示すブ
ロック図、第２図は第２の本発明に係る原子発振器の概念を示すブ
ロック図、第３図は本発明に用いる同期信号検出回路と保持回路の
一実施例を示す図、第４図は本発明に用いるスイープ回路の一実施例を示す
図、第５図はスイープ回路の動作波形図、第６図は従来の原子発振器を示すブロック図、第７図は
共鳴信号と引き込み範囲を示す図、第８図は引き込み動
作を説明するための波形図、である。第１図及び第２図において、１・・・ｖｃｘｏ、２・・・低周波発振器、３・・・変調器、４・・・周波数合成器、５・・・原子共鳴器、６・・選択増幅器、７・・・同期検波器、８・・・積分器、９・・・同期信号検出回路、１０・・スイープ回路、１１・・・保持回部。図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。硲瞥ロ引セ仄みの説明波力１杉

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電圧制御水晶発振器（１）の出力を低周波発振器
（２）の出力により変調器（３）で位相変調し、該位相
変調出力を周波数合成器（４）により原子共鳴器（５）
の共鳴周波数のマイクロ波に変換して該マイクロ波を該
共鳴器（５）に照射することにより該共鳴器（５）から
の出力の基本波を選択増幅器（６）で検出し同期検波器
（７）で該低周波発振器（２）の出力との位相差を積分
器（８）で積分して該電圧制御水晶発振器（１）の基準
電圧とする原子発振器において、電源投入後、該共鳴器（５）の出力の２倍波成分を検出
する同期信号検出回路（９）と、該積分器（８）の出力
に加えられる出力電圧を発生するスイープ回路（１０）
と、該同期信号検出時まで該スイープ回路（１０）を動
作させるとともに該同期信号検出後は該スイープ回路（
１０）の出力を停止させて一定電圧を発生させる保持回
路（１１）と、を備えたことを特徴とする原子発振器。
（２）電圧制御水晶発振器（１）の出力を低周波発振器
（２）の出力により変調器（３）で位相変調し、該位相
変調出力を周波数合成器（４）により原子共鳴器（５）
の共鳴周波数のマイクロ波に変換して該マイクロ波を該
共鳴器（５）に照射することにより該共鳴器（５）から
の出力の基本波を選択増幅器（６）で検出し同期検波器
（７）で該低周波発振器（２）の出力との位相差を積分
器（８）で積分して該電圧制御水晶発振器（１）の基準
電圧とする原子発振器において、電源投入後、該共鳴器（５）の出力の２倍波成分を検出
する同期信号検出回路（９）と、該同期検波器（７）及
び積分器（８）に共通の基準電圧に加えられる出力電圧
を発生するスイープ回路（１０）と、該同期信号検出時
まで該スイープ回路（１０）を動作させるとともに該同
期信号検出後は該スイープ回路（１０）の出力を停止さ
せて一定電圧を発生させる保持回路（１１）と、を備え
たことを特徴とする原子発振器。