JPH0229126A

JPH0229126A - セシウム原子発振器

Info

Publication number: JPH0229126A
Application number: JP63179614A
Authority: JP
Inventors: Yoshibumi Nakajima; 義文中島; Kazuhiro Chiba; 千葉　一治; Hideo Sumiyoshi; 秀夫住吉
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-07-19
Filing date: 1988-07-19
Publication date: 1990-01-31
Anticipated expiration: 2010-06-28
Also published as: JPH0761013B2; US4914403A; EP0351780A2; EP0351780A3; CA1319179C

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】〔目　次〕概要産業上の利用分野従来の技術発明が解決しようとする課題課題を解決するための手段作用実施例 ■、実施例と第１図との対応関係 ■、実施例の構成 ■、実施例の動作（ｉ）１回目のスイープ時の動作（ｉｉ）２回目のスイープ時の動作 ■、実施例のまとめ ■８発明の変形態様発明の効果〔概　要〕セシウム原子の共鳴現象を利用して高精度出力を得るセ
シウム原子発振器に関し、帰還ループの利得を大きくすると共に、水晶発振器の可
変範囲補正の手間を低減することを目的とし、水晶発振器と、セシウムビーム管と、変調手段と、発振
器制御手段とを有するセシウム原子発振器において、水
晶発振器の出力周波数を変化させるスイープ手段と、セ
シウムビーム管から出力される変調周波数の２倍の周波
数出力の中から最大値を保持する最大値保持手段と、こ
の最大値とセシウムビーム管から出力される２倍の周波
数出力とを比較する比較手段と、水晶発振器を制御する
ための帰還ループを閉じるループ接続手段とを備え、水
晶発振器の出力周波数を所定の範囲で変化させたときに
、最大値保持手段に保持されている最大値とセシウムビ
ーム管の出力とを比較し、所定の関係が成立したときに
ループ接続手段に指示を送って帰還ループを閉じるよう
に構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、セシウム原子発振器に関し、特に、セシウム
原子の共鳴現象を利用して高精度出力を得るセシウム原
子発振器に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、原子発振器は、水晶発振器の出力周波数を原子
あるいは分子の吸収スペクトルに基づいて制御するもの
である。

第４図に、従来のセシウム原子発振器の構成を示す。

従来のセシウム原子発振器は、水晶発振器４１１、変調
器４Ｉ３１発振器４１５２周波数合成器４１７、セシウ
ムビーム管（以後ＣＢＴと称する）４１９、第１増幅器
４２１．第２増幅器４２３０ツク回路４２５．同期検波
器４２７．積分器４２９を備えている。

水晶発振器４１１は、原子発振蓋止して所定周波数の出
力（例えば１０ＭＨｚ）を得るためのものである。

また、ＣＢｒ４１９は、セシウムビーム発生器。

共鳴部、検出器等を備えており、この共鳴部において所
定周波数（約９．　１９２　ＧＨｚ）付近のマイクロ波
をセシウムビームに供給し、このときの共鳴現象を検出
器で検出して出力する。

第５図に、ＣＢｒ４１９における共鳴パターンを示す。

図において、横軸はマイクロ波の周波数を、継軸は共鳴
の大きさを表している。実際にこのＣＢｒ４１９におい
て共鳴を引き起こすマイクロ波の周波数は、変調器４１
３によって水晶発振器４１１の出力を発振器４１５の出
力（例えば１００Ｈｚ）で位相変調したものを、更に周
波数合成器４１７で合成したものである。従って、ある
位相変調されたマイクロ波に対するＣＢｒ４１９の出力
もある交流成分を持っており、共鳴の大きさはこの交流
成分の振幅の大きさに比例し、スペクトルのピーク点（
ａ、ｂ、ｃ点等）を境にして位相が１８０度反転する。

セシウム原子発振器は、このＣＢｒ４１９の出力（交流
出力）に応じて水晶発振器４１１の周波数を制御するも
のである。ＣＢｒ４１９の出力の中の基本波（ＣＢｒ４
１９に供給されるマイクロ波の変調周波数と同じ周波数
の信号）を第１増幅器４２１で増幅し、その増幅出力を
同期検波器４２７で検波する。積分器４２９は、この同
期検波器４２７の検波出力を積分して、積分値に応した
電圧を水晶発振器４１１に供給する。水晶発振器４１１
はこの供給電圧に応じて制御される。このようにして、
水晶発振器４１１の出力に応じた帰還ループが形成され
ており、水晶発振器４１１の出力周波数を極めて高精度
に一定に保つことが可能となる。

尚、このセシウム原子発振器の起動時には、第２増幅器
４２３によって２倍波（基本波の２倍の周波数の信号で
あり、スペクトルのピーク点に相当するマイクロ波を供
給したときに得られる（ピーク点を境にして出力の位相
が反転するため））を増幅し、この増幅出力に応してロ
ック回路４２５が動作する。ロック回路４２５は、スペ
クトルのピーク点に対応して積分器４２９に指示を送り
、以後、水晶発振器４１１の帰還ループが形成される。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上述した従来の発振器方式にあっては、帰還
ループの利得が小さいという問題点があった。

水晶発振器４１１は電源を投入した直後は第６図に示さ
れる周波数過渡応答を示すため、安定した後に所望のピ
ーク点（ｂ点）のみを含むように水晶発振器４１１の可
変範囲（制御範囲）を設定する必要があり、水晶発振器
４１１の可変範囲を小さくしなければならない。このた
め、帰還ループの利得は小さくなる。

また、この水晶発振器４１１の可変範囲は経年変化によ
って変化（シフト）するため、この経年変化によって他
のピーク点（ａ、ｃ点）が可変範囲に含まれないような
高級な水晶発振器を使用するか、この可変範囲を補正す
る手間がかかるという問題点があった。

本発明は、このような点にかんがみて創作されたもので
あり、水晶発振器の可変範囲を大きくすることにより、
帰還ループの利得を大きくすることができ、力ぐつ水晶
発振器の可変範囲補正の手間を低減するようにしたセシ
ウム原子発振器を従供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は、本発明のセシウム原子発振器の原理ブロック
図である。

図において、所定周波数の出力を得る水晶発振器１１１
と、セシウムビーム管１１５と、水晶発振器１１１の出
力に応じて、所定の変調周波数で変調した信号をセシウ
ムビーム管１１５に供給する変調手段１１３と、セシウ
ムビーム管１１５の出力に応じて水晶発振器１１１の出
力周波数を制御する発振器制御手段１１７とを有するセ
シウム原子発振器におけるスイープ手段１５１は、水晶
発振器１１１に指示を送り、水晶発振器１１１の出力周
波数を所定の範囲で変化させる。

最大値保持手段１３１は、セシウムビーム管１１５から
出力される変調周波数の２倍の周波数出力の中から、最
大値を保持する。

比較手段１４１は、最大値保持手段１３１に保持された
最大値と、セシウムビーム管１１５から出力される２倍
の周波数出力とを比較する。

ループ接続手段１２１は、水晶発振器１１１を制御する
ための帰還ループを閉じる。

全体として、スイープ手段１５１によって水晶発振器１
１１の出力周波数を所定の範囲で変化させたときに、最
大値保持手段１３１に保持されている最大値とセシウム
ビーム管１１５の出力とを比較手段１４１によって比較
し、所定の関係が成立したときにループ接続手段１２１
に指示を送って帰還ループを閉じるように構成されてい
る。

〔作　用〕

スイープ手段１５１から水晶発振器１１１に指示を送り
、水晶発振器１１１の出力周波数を所定の範囲で変化さ
せる。このときセシウムビーム管１１５から出力される
２倍周波数出力（水晶発振器１１１からセシウムビーム
管１１５に供給される信号の変調周波数の２倍の周波数
の出力）の最大値を最大値保持手段１３１に保持する。

最大値保持手段１３１に最大値を保持した後、再度スイ
ープ手段１５１から指示を送り、水晶発振器１１１の出
力信号を所定の範囲で変化させる。

このとき、比較手段１４１において、最大値保持手段１
３１に保持されている最大値とセシウムビーム管１１５
の２倍周波数出力とを比較し、所定の関係が成立したと
きに比較手段１４１からループ接続手段１２１に指示を
送る。ループ接続手段１２１は、この指示に応じて水晶
発振器１１１を制御するための帰還ループを閉じる。

本発明にあっては、水晶発振器１１１から出力される信
号の周波数を所定の範囲で変化させたときのセシウムビ
ーム管１１５の２倍周波数出力の最大値を保持しておき
、セシウムビーム管１１５の２倍周波数出力、１とこの
最大値とで所定の関係が成立（例えば一致）したときに
帰還ループを閉じることにより、水晶発振器１１１の出
力の可変範囲を大きくとることができるので、帰還ルー
プの利得を大きくすると共に、水晶発振器の可変範囲を
補正する手間を低減することが可能となる。

〔実施例〕

以下、図面に基づいて本発明の実施例について詳細に説
明する。

第２図は、本発明の一実施例におけるセシウム原子発振
器の構成を示す。

■　　　　と　１　とのここで、本発明の実施例と第１図との対応関係を示して
おく。

水晶発振器１１１は、水晶発振器２１１に相当する。

変調手段１１３は、変調器２１３９発振器２１５、周波
数合成器２１７に相当する。

セシウムビーム管１１５は、ＣＢＴ２１９に相当する。

発振器制御手段１１７は、積分器２２３．同期検波器２
２５．第１増幅器２２７に相当する。

ループ接続手段１２１は、リレー２２１．駆動回路２４
３に相当する。

最大値保持手段１３１は、第２増幅器２３１゜ピーク値
ホールド回路２３３に相当する。

比較手段１４１は、第２増幅器２３１．比較器２４１に
相当する。

スイープ手段１５１は、スイープ回路２５１゜単安定マ
ルチバイブレーク２５３に相当する。

以上のような対応関係があるものとして、以下本発明の
実施例について説明する。

Ｕ瀝λｌ戊第２図において、本発明実施例のセシウム原子発振器は
、セシウム原子発振器としての所定周波数の出力を得る
水晶発振器２１１と、帰還ループを形成して水晶発振器
２１１の出力周波数を制御するために、変調器２１３１
発振器２１５２周波数合成器２１７．ＣＢＴ２１９．積
分器２２３同期検波器２２５及び第１増幅器２２７を備
えている。

変調器２１３は、水晶発振器２１１の出力（例えば１０
ＭＨｚ）を発振器２１５の出力周波数（例えば１００Ｈ
ｚ）で位相変調し、更に周波数合成器２１７は、この変
調器２１３の出力から所定周波数の信号（セシウム原子
の共鳴現象を生じる９゜１９２ＧＨｚ付近の周波数であ
り、位相変調がかかった信号）を得る。

ＣＢＴ２１９からは周波数合成器２１７から供給される
信号の周波数に応じた出力が取り出され、この出力の中
の基本波を第１増幅器２２７で増幅した後に同期検波器
２２５で同期検波し、更にこの検波出力を積分器２２３
で積分する。積分器２２３の出力（電圧）は、水晶発振
器２１１に供給されており、この出力値に応じて水晶発
振器２１１の出力周波数が制御される。

また、この原子発振器は、電源投入後にスペクトルの所
望のピーク点（第５図のｂ点）で制御を行なう帰還ルー
プを形成するタイミングを制御するために、２倍波を増
幅する第２増幅器２３１と、第２増幅器２３１で増幅し
た２倍波に基づいてスペクトルのピークを検出するロッ
ク回路２３７と、第２増幅器２３１の出力の中の最大値
（ＣＢＴ２１９の２倍波出力の振幅の最大値）を保持す
るピ−り値ホールド回路２３３と、２人力の比較を行な
う比較器２４１と、所定の範囲で出力電圧を変化させる
スイープ回路２５１と、単安定マルチバイブレーク２５
３と、入力電圧を所定値と比較する電圧比較器２６１と
、３つのリレー２２１，２３５．２５７と、各リレーを
駆動する２つの駆動回路２４３，２５５とを備えている
。

ニーＪロｌシλ肱作次に、上述した本発明実施例のセシウム原子発振器の動
作を説明する。

第２増幅器２３１は、リレー２３５を介してピーク値ホ
ールド回路２３３あるいは比較器２４１の何れか一方に
接続されており、初期状態ではピーク値ホールド回路２
３３に接続されている。単安定マルチバイブレーク２５
３は、リレー２５７を介してスイープ回路２５１に接続
されており、初期状態ではこの接続はオン状態にある。

また、水晶発振器２１１は、リレー２２１を介して積分
器２２３あるいはスイープ回路２５１の何れか一方に接
続されており、初期状態ではスイープ回路２５１に接続
されている。

いま、スイープ回路２５１の制御によって２回のスイー
プ（水晶発振器２１１の出力周波数のスイープ動作）を
行なう。このとき、１回目のスイープにおいて２倍波の
最大振幅を保持する動作を行ない、２回目のスイープに
おいて、この最大振幅に等しい２倍波振幅を得たときに
セシウム原子発振器の帰還ループを閉じる動作を行なう
ものとする。

１　　のスイープ　のセシウム原子発振器に電源投入後、水晶発振器２１１の
出力周波数が共鳴パターン領域に入ると積分器２２３の
出力電圧が所定値に達し、電圧比較器２６１はこの積分
器２２３の出力電圧を検出して検出回路２３９に指示を
送る。

また、共鳴パターン領域においては、ＣＢＴ２１９の出
力の中の２倍波が極大になる点が存在するため、この極
大点（ａ点）をロック回路２３７が検出して検出回路２
３９に指示を送る。

検出回路２３９は、共鳴パターン領域に入り、積分器２
２３の出力電圧が所定値を越え、しかもロック回路２３
７が動作したときに、単安定マルチバイブレーク２５３
に対して指示を送る。単安定マルチハイブレーク２５３
は、検出回路２３９からの指示に応じて、１シヨツト出
力（矩形波出力）をスイープ回路２５１及び駆動回路２
５５に供給する。

なお、本実施例に示す動作は起動時に１回だけ必要であ
るため、検出回路２３９から単安定マルチバイブレーク
２５３に送る指示は１回のみとする。

第３図に、単安定マルチバイブレータ２５３から出力さ
れる矩形波出力及びこの矩形波出力に対応するスイープ
回路２５１の出力を示す。スイープ回路２５１は、例え
ば演算増幅器、抵抗、コンデンサで構成された積分器で
あり、単安定マルチバイブレーク２５３の出力がハイ状
態のときに積分が行なわれる。第３図のＡ　ｇ域はこの
ハイ状態を示しており、スイープ回路２５１の積分出力
がリレー２２１を介して水晶発振器２１１に供給される
。

水晶発振器２１１の出力周波数は、スイープ回路２５１
の積分出力（電圧値）に応じて制御されるため、単安定
マルチバイブレーク２５３から出力される信号がハイ状
態のときに、水晶発振器２１１の出力周波数が変化し、
１回目のスイープが行なわれる。

また、単安定マルチバイブレーク２５３の出力は駆動回
路２５５に供給されており、駆動回路２５５は、単安定
マルチハイブレーク２５３の出力に応じてリレー２３５
の接続切替えを行なう。ここでは、単安定マルチバイブ
レータ２５３の出力がハイ状態のときに第２増幅器２３
１とピーク値ホールド回路２３３を接続し、ロー状態の
ときに第２増幅器２３１と比較器２４１を接続する。

従って、１回目のスイープにおいては、第２増幅器２３
１の出力端がピーク値ホールド回路２３３に接続された
状態にあり、ＣＢｒ４１９の出力の中の２倍波を増幅し
た信号がピーク値ホールド回路２３３に供給される。ピ
ーク値ホールド回路２３３は、供給される信号の振幅の
最大値を保持するため、第４図のｂ点に対応した２倍波
を増幅した信号がピーク値ホールド回路２３３に保持さ
れることになる。

１１２　　のスイープ　の単安定マルチバイブレーク２５３の出力がロー状態（第
３図のＢ領域）になると、スイープ回路２５１の出力は
へ領域とは反対方向に変化する。

このため、水晶発振器２１１の出力周波数は１回目のス
イープ時とは反対方向に変化して２回目のスイープが行
なわれる。

このとき、駆動回路２５５の指示に応じてリレー２３５
の接続状態が切り替えられ、第２増幅器２３１の出力端
が比較器２４１に接続された状態になる。

２回目のスイープ時に比較器２４１は、ピーク値ホール
ド回路２３３に保持されている値と第２増幅器２３１の
出力（ＣＢｒ４１９の出力の中の２倍波を増幅した出力
）とを比較し、これらの２人力が一致したときに駆動回
路２４３に指示を送る。ピーク値ホールド回路２３３に
は、ｂ点に対応する２倍波出力を増幅した値が保持され
ており、２回目のスイープにおいてｂ点に達したときに
、比較器２４１の２人力が一致する。

駆動回路２４３は、比較器２４１からの指示を受けてリ
レー２２１及びリレー２５７の接続状態を切り替え、単
安定マルチバイブレーク２５３とスイープ回路２５１の
接続をオフ状態にすると共に、水晶発振器２１１を積分
器２２３に接続した状態にする。

このリレー２２１の切替えによりリレー２２１の通常動
作時の帰還ループが形成され、以後す点付近で制御され
ることになる。

■、１のまとめこのように、１回目のスイープにおいて、ＣＢＴ２１９
の出力の中の２倍波を増幅した信号の最大値をピーク値
ホールド回路２３３に保持する。

次に、２回目のスイープにおいて、このピーク値ホール
ド回路２３３に保持した値と、ＣＢｒ４１つの出力の中
の２倍波を増幅した信号とを比較器２４１によって比較
し、一致したときに水晶発振器２１１の出力周波数を制
御するための帰還ループを閉じる。

従って、ｂ点以外のａ点や０点で制御することがなくな
るため、水晶発振器２１１の出力周波数の可変範囲を大
きくとることができ、帰還ループの利得を大きくすると
共に、水晶発振器２１１の出力周波数の可変範囲を修正
する手間を省くことが可能となる。

■−ノ１児ｐ順」幻Ｗ槽なお、上述した本発明の実施例にあっては、スイープ回
路２５１を積分回路で構成し、単安定マルチバイブレー
ク２５３の出力に応じて充放電して水晶発振器２１１に
可変電圧を供給するようにしたが、所定の電圧範囲につ
いて変化可能な回路であれば何でもよい。

また、ｒ■、実施例と第１図との対応関係」において、
本発明と実施例との対応関係を説明しておいたが、これ
に限られることはなく、本発明には各種の変形態様があ
ることは当業者であれば容易に推考できるであろう。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明によれば、水晶発振器から出力
される信号の周波数を所定の範囲で変化させたときのセ
シウムビーム管の２倍周波数出力の最大値を保持してお
き、セシウムビーム管の２倍周波数出力がこの最大値に
対して所定の関係が成立（例えば一致）したときに帰還
ループを閉じることにより、水晶発振器の出力の可変範
囲を大きくとることができるので、帰還ループの利得を
大きくすると共に、可変範囲を補正する手間を低減する
ことが可能となり、実用的には極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセシウム原子発振器の原理ブロツク図
、第２図は本発明の一実施例によるセシウム原子発振器の
構成図、第３図は実施例のスイープ０１作の説明図、第４図は従
来例の構成図、第５図はセシウム原子の共鳴パターンの説明図、第６図
は水晶発振器の周波数過渡応答の説明図である。図において、１１１は水晶発振器、１１３は変調手段、１１５はセシウムビーム管、１１７は発振器制御手段、１２１はループ接続手段、１３１は最大値保持手段、１４１は比較手段、１５１はスイープ手段、２１１は水晶発振器、２１３は変調器、は発振器、は周波数合成器、はＣＢＴ、２３５．２５７はリレーは積分器、は同期検波器、は第１増幅器、は第２増幅器、はピーク値ホールド回路、はロック回路、は検出回路、は比較器１．２５５は駆動回路、はスイープ回路、は単安定マルチパイフレーク、は電圧比較器である。本４ら　８月　の　ノテ、厘　フ゛口・・７９図第１図ンっ・ＩＹマＩＬ手−色「−一一一一一一十−−−−−
−−−フイー７・勧欅の説明図第３図花た捌の構Ｉ１５．．図第４図セシウｂ＆、牙の共・鳥ハ・ターンの悦明阻第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）所定周波数の出力を得る水晶発振器（１１１）と
、セシウムビーム管（１１５）と、前記水晶発振器（１
１１）の出力に応じて、所定の変調周波数で変調した信
号を前記セシウムビーム管（１１５）に供給する変調手
段（１１３）と、前記セシウムビーム管（１１５）の出
力に応じて前記水晶発振器（１１１）の出力周波数を制
御する発振器制御手段（１１７）とを有するセシウム原
子発振器において、前記水晶発振器（１１１）に指示を送り、前記水晶発振
器（１１１）の出力周波数を所定の範囲で変化させるス
イープ手段（１５１）と、前記セシウムビーム管（１１５）から出力される前記変
調周波数の２倍の周波数出力の中から最大値を保持する
最大値保持手段（１３１）と、前記最大値保持手段（１
３１）に保持された最大値と、前記セシウムビーム管（
１１５）から出力される２倍の周波数出力とを比較する
比較手段（１４１）と、前記水晶発振器（１１１）を制御するための帰還ループ
を閉じるループ接続手段（１２１）と、を備え、前記ス
イープ手段（１５１）によって前記水晶発振器（１１１
）の出力周波数を所定の範囲で変化させたときに、前記
最大値保持手段（１３１）に保持されている最大値と前
記セシウムビーム管（１１５）の出力とを前記比較手段
（１４１）によって比較し、所定の関係が成立したとき
に前記ループ接続手段（１２１）に指示を送って帰還ル
ープを閉じるように構成したことを特徴とするセシウム
原子発振器。