本發(fā)明涉及電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于原子鐘的時間頻率評估裝置。

背景技術(shù)：

原子鐘以其超高的穩(wěn)定度指標(biāo)，已經(jīng)應(yīng)用在諸如衛(wèi)星導(dǎo)航、時基授時、時間同步、國防軍事等許多時頻領(lǐng)域。考慮到上述應(yīng)用領(lǐng)域的具體要求，尤其是野外作業(yè)對環(huán)境的苛刻要求，原子鐘多變的外界環(huán)境，尤其是工作溫度環(huán)境，而原子鐘系統(tǒng)溫度系數(shù)的存在一直都是該領(lǐng)域科研工作者研究的課題，外界環(huán)境溫度的變化將會引起系統(tǒng)內(nèi)部燈溫、腔溫等核心部件工作溫度的變化，進(jìn)一步造成原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)0-0躍遷頻率的不穩(wěn)定，最終影響系統(tǒng)頻率輸出的穩(wěn)定性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于原子鐘的時間頻率評估裝置，解決了上述技術(shù)問題，達(dá)到了能夠減小或是抵消原子鐘外界工作環(huán)境溫度的變化引起的整機(jī)輸出信號頻率穩(wěn)定度的影響的技術(shù)效果。

本發(fā)明提供一種基于原子鐘的時間頻率評估裝置，所述時間頻率評估裝置包括原子頻標(biāo)、測溫模塊、溫度系數(shù)補償、多路時基檢測模塊、微處理器；所述原子頻標(biāo)依次與所述溫度系統(tǒng)補償，用于所述溫度系數(shù)補償接收原子頻標(biāo)輸出的頻率信號，所述溫度系統(tǒng)補償與所述多路時基檢測模塊，用于將所述溫度系統(tǒng)補償接收到的頻率信號補償后輸出至所述多路時基檢測模塊；所述測溫模塊與所述原子頻標(biāo)連接，用于測量所述原子鐘外界工作環(huán)境的溫度信息；所述測溫模塊與微處理器連接，用于將所述溫度信息發(fā)送至所述微處理器；所述微處理器與所述溫度系數(shù)補償連接。

優(yōu)選的，所述溫度系數(shù)補償包括dds外部參考時鐘端，用于為dds提供時基參考。

優(yōu)選的，所述溫度系數(shù)補償還包括c場電流補償模塊，所述c場電流補償模塊包括vcss恒流單元、c場漆包線及d/a模塊；所述vcss恒流模塊的輸出端與所述c場漆包線連接，所述述d/a模塊與所述vcss恒流模塊連接；用于根據(jù)所述d/a模塊轉(zhuǎn)換后的控制電壓調(diào)節(jié)所述c場漆包線通過的電流。

優(yōu)選的，所述多路時基檢測模塊由多個單一化電路組成。

優(yōu)選的，所述單一化電路包括隔離放大器、走時計數(shù)、鎖存器、微處理器、高精度計數(shù)器、dds模塊、濾波整形模塊；所述隔離放大器分別與所述走時計數(shù)、dds模塊連接，用于接收被測時鐘源并經(jīng)過所述隔離放大器后分兩路信號，分別送入所述走時計數(shù)、dds模塊；所述走時計數(shù)依次與所述鎖存器、微處理器、高精度計數(shù)器串聯(lián)連接；所述dds模塊、濾波整形模塊及高精度計數(shù)器依次串聯(lián)連接；所述微處理器與dds模塊連接，所述被測時鐘源為補償后輸出的頻率信號。

優(yōu)選的，微處理器通過對鎖存器的訪問得到轉(zhuǎn)化后的被測時鐘源的頻率值，并通過命令字改寫dds中另一路隔離放大器送入的被測時鐘源頻率信號的分頻值，使dds輸出信號為1hz，經(jīng)濾波整形與微處理器控制的一路‘0’或‘1’信號送至，經(jīng)‘與’運算得到受微處理器‘0’、‘1’控制的檢定用1pps的信號輸出。

本申請至少存在如下有益效果

本申請在傳統(tǒng)原子鐘技術(shù)之上，新增了測溫模塊和溫度系數(shù)補償模塊。新增模塊能夠減小或是抵消原子鐘外界工作環(huán)境溫度的變化引起的整機(jī)輸出信號頻率穩(wěn)定度的影響。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例。

圖1為本申請較佳實施方式一種時域信號優(yōu)化仿真系統(tǒng)的示意圖；

圖2為c場電流補償原理圖；

圖3為多路時基檢測模塊的原理圖；

圖4為頻率源信號采樣檢定原理的電路圖；

圖5為信號源采樣時序圖；

圖6為程序執(zhí)行流程圖。

具體實施方式

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。

本申請?zhí)峁┮环N基于原子鐘的時間頻率評估裝置，所述時間頻率評估裝置包括原子頻標(biāo)、測溫模塊、溫度系數(shù)補償、多路時基檢測模塊、微處理器；

所述原子頻標(biāo)依次與所述溫度系統(tǒng)補償，用于所述溫度系數(shù)補償接收原子頻標(biāo)輸出的頻率信號，所述溫度系統(tǒng)補償與所述多路時基檢測模塊，用于將所述溫度系統(tǒng)補償接收到的頻率信號補償后輸出至所述多路時基檢測模塊；

所述測溫模塊與所述原子頻標(biāo)連接，用于測量所述原子鐘外界工作環(huán)境的溫度信息；所述測溫模塊與微處理器連接，用于將所述溫度信息發(fā)送至所述微處理器；所述微處理器與所述溫度系數(shù)補償連接。

所述溫度系數(shù)補償包括dds外部參考時鐘端，用于為dds提供時基參考。所述溫度系數(shù)補償還包括c場電流補償模塊，所述c場電流補償模塊包括vcss恒流單元、c場漆包線及d/a模塊；所述vcss恒流模塊的輸出端與所述c場漆包線連接，所述述d/a模塊與所述vcss恒流模塊連接；用于根據(jù)所述d/a模塊轉(zhuǎn)換后的控制電壓調(diào)節(jié)所述c場漆包線通過的電流。

a)外部dds頻率控制

來自于原子頻標(biāo)的頻率輸出信號fo送至溫度補償模塊中的dds外部參考時鐘端，用于為dds提供時基參考；

來自于測溫模塊的外界環(huán)境溫度信息t送至微處理器，用于微處理器對環(huán)境溫度t變化進(jìn)行判斷，一旦t發(fā)生變化，微處理器將對dds進(jìn)行頻率修正，其具體修正的方法如下：假如原子頻標(biāo)系統(tǒng)的溫度系數(shù)為+1e-12，即外界環(huán)境溫度t每升高10c將引起原子頻標(biāo)系統(tǒng)輸出信號fo頻率穩(wěn)定度發(fā)生+1e-12量級的變化。以fo＝10mhz為例，t變化10c，則f/fo＝+1e-12，即f＝(+1e-5)hz＝10hz，微處理器需要對dds進(jìn)行負(fù)反饋(-1e-5)hz＝-10hz的修正。

在實施例中采用的dds芯片為ad9854，以10mhz參考時基為例，當(dāng)不用內(nèi)部pll鎖相環(huán)時，它的最小頻率分辨率為10mhz/2⁴⁸(4e-8)hz。微處理器根據(jù)dds的控制時序，輸出相應(yīng)的電平信號作用于dds使其輸出頻率發(fā)生改變，同時將測溫模塊測量得到溫度t參數(shù)值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)頻率修正值，給dds內(nèi)部的48位頻率寄存器進(jìn)行‘0’、‘1’填充，比如某一時刻原子頻標(biāo)輸出的頻率值為10mhz，該系統(tǒng)的溫度系數(shù)為+1e-12，溫度檢測模塊發(fā)送至微處理器的環(huán)境溫度信息為升高10℃，那么此時微處理器需要對dds進(jìn)行負(fù)反饋處理，即對dds進(jìn)行10mhz-10hz頻率控制輸出，具體工作原理為：原子頻標(biāo)輸出的f0＝10mhz輸送至dds的時基參考端，dds內(nèi)部對其進(jìn)行2倍頻處理，即dds實際工作的頻率為20mhz，在上述提及的48位頻率寄存器中，假如微處理器對其48位全部置‘1’，則dds微處理器的時序控制信號下，將輸出20mhz的頻率，同樣的道理，假如微處理器對其48位全部置‘0’，則dds微處理器的時序控制信號下，將輸出0mhz的頻率。此時欲要輸出10mhz-10hz頻率信號，則相應(yīng)的48位頻率寄存器的值應(yīng)為：

(10mhz-10hz)*248/20mhz＝140737488355187(d)＝7fffffffff73(h)＝11111111111111111111111111111111111111101110011(b)，微處理器在dds時序控制信號下，將48位頻率控制字寫入dds中，dds則相應(yīng)輸出修正后的頻率信號，即補償輸出f1至用戶端。

b)內(nèi)部c場電流補償

請參閱圖2，原子鐘輸出頻率f0與磁場(c場)存在著如下關(guān)系：

δf/f＝1.68×10^-7hδh(1)

式中，f為原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)0-0躍遷頻率，在實際的原子鐘系統(tǒng)中，上述原子鐘輸出信號頻率f0間接反應(yīng)了f的值；δf為實際頻率變化的大小值；h為系統(tǒng)內(nèi)部c場大小值，在實際的原子鐘系統(tǒng)中由于采用了螺旋管c場漆包線繞制方式，故上圖中的電流i值反應(yīng)了h的值；δh為實際c場變化的大小值。

由此原子鐘輸出信號頻率計數(shù)值與c場電流i的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其大小值以具體的一臺原子鐘腔泡系統(tǒng)以及c場漆包線繞制層數(shù)等有較大關(guān)系。而我們關(guān)心的是c場電流i的變化能夠引起原子鐘輸出信號頻率變化的量級，這是本專利的核心所在，這個量級隨不同的原子鐘而有所差異，大致范圍為10^-12—10^-11。這樣當(dāng)用戶預(yù)置原子鐘整機(jī)輸出信號頻率復(fù)現(xiàn)值為f0＝10,000,000.000,00(hz)時，處理器將f0作為復(fù)現(xiàn)基準(zhǔn)頻率值，一旦在采樣時間t(例如10s)內(nèi)發(fā)生變化，即f0＝10,000,000.000,0×(hz)在‘×’位以及之前位發(fā)生變化時，處理器會根據(jù)實際的原子鐘c場電流i與輸出頻率f0間轉(zhuǎn)換關(guān)系，改變d/a輸出，d/a經(jīng)電壓控制電流源vccs模塊后，使繞制在原子鐘共振腔體壁上的c場線圈中的電流i發(fā)生變化，從而使c場大小值h發(fā)生變化，進(jìn)一步修正原子鐘的輸出信號頻率f0。

關(guān)于多路時基檢測模塊

請參閱圖3和圖4，所述多路時基檢測模塊由多個單一化電路組成。所述單一化電路包括隔離放大器、走時計數(shù)、鎖存器、微處理器、高精度計數(shù)器、dds模塊、濾波整形模塊；所述隔離放大器分別與所述走時計數(shù)、dds模塊連接，用于接收被測時鐘源并經(jīng)過所述隔離放大器后分兩路信號，分別送入所述走時計數(shù)、dds模塊；所述走時計數(shù)依次與所述鎖存器、微處理器、高精度計數(shù)器串聯(lián)連接；所述dds模塊、濾波整形模塊及高精度計數(shù)器依次串聯(lián)連接；所述微處理器與dds模塊連接，所述被測時鐘源為補償后輸出的頻率信號。

以被測時鐘源1單一化電路為例：被測時鐘源1加載到上圖中的頻率源信號端，經(jīng)過隔離放大器后，一路信號進(jìn)入走時計數(shù)中，走時計數(shù)對被測時鐘源1進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的頻率值并送至鎖存器1。微處理器通過對鎖存器1的訪問得到轉(zhuǎn)化后的被測時鐘源1的頻率值，并通過命令字改寫dds中另一路自隔離放大器送入的被測時鐘源1頻率信號的分頻值，使dds輸出信號為1hz，經(jīng)濾波整形與微處理器控制的一路‘0’或‘1’信號送至，經(jīng)‘與’運算得到受微處理器‘0’、‘1’控制的檢定用1pps的信號輸出。

圖4中高精度計數(shù)器工作時的開門信號、關(guān)門信號請參閱圖5，假定a為參考時鐘源即補償后原子鐘輸出信號，b為被測時鐘源n，而同時被檢定的時鐘源n＝10臺，采樣的時間t為“天”，則有下列一種方案：對n＝1的被測時鐘源1，在某一早上6：01，微處理器根據(jù)圖3中參考時鐘源信號的上升沿信號記為圖4中a信號的上升沿，此時處理器給圖3中的‘與’門一個‘1信號，由于此時‘與’門的另一路來源于被測時鐘源信號1為‘0’，所以整個‘與’門輸出為‘0’。我們記為此時刻為使能高精度計數(shù)器“開始計數(shù)”操作；當(dāng)圖4中被測時鐘源n信號經(jīng)過隔離放大器、dds、濾波整形處理后的上升沿到來時，圖4中與門運算得到‘1’，此時關(guān)閉高精度時間間隔計數(shù)器計數(shù)操作，如圖6中所示，即“結(jié)束計數(shù)”。從而得到一個被測時鐘源1與參考時鐘源時差數(shù)據(jù)t1(圖中為x(t))。次日早上6：01，重復(fù)上面過程，從而得到一個被測時鐘源1與參考時鐘源時差數(shù)據(jù)t2(圖中為x(t+δt))，我們有，δt1＝t2-t1，再重復(fù)上面δt1的過程，有公式：

δti＝ti+1-ti(2)

其它的n＝2、3、…10對應(yīng)的被測時鐘源2、被測時鐘源3、…被測時鐘源10的測量方法和被測時鐘源1一樣，只是測量時間選擇在早上6：02、早上6：03、…早上6：10即可。這種方法還有一個好處：在短時間內(nèi)完成多臺n＝10臺時鐘源的檢定。

采樣的時間t為“天”，計算被測時鐘源穩(wěn)定度，根據(jù)式(2)有：

(δf/f)i＝(δti+1-δti)/(t)(3)

在式(3)中，因為采樣的時間t為“天”(即86400秒)，故t＝86400。將式(3)得到的(δf/f)i數(shù)據(jù)代入阿侖方差計算式(4)中得出最后的被測時鐘源穩(wěn)定度指標(biāo)。

本申請至少存在如下有益效果：

本申請在傳統(tǒng)原子鐘技術(shù)之上，新增了測溫模塊和溫度系數(shù)補償模塊。新增模塊能夠減小或是抵消原子鐘外界工作環(huán)境溫度的變化引起的整機(jī)輸出信號頻率穩(wěn)定度的影響。

最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。