原子頻標(biāo)伺服鎖定裝置及原子頻標(biāo)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種原子頻標(biāo)伺服鎖定裝置及原子頻標(biāo)，屬于原子頻標(biāo)【技術(shù)領(lǐng)域】，所述裝置包括：用于對原子頻標(biāo)的物理單元輸出的量子鑒頻信號和參考信號進(jìn)行同步鑒相，產(chǎn)生電壓差，并根據(jù)電壓差和頻率穩(wěn)定度范圍計算程控增益值的處理單元；用于采用程控增益值，對處理單元產(chǎn)生的電壓差進(jìn)行程控放大，得到糾偏電壓，并采用糾偏電壓對原子頻標(biāo)的壓控晶振進(jìn)行電壓控制的程控增益單元；處理單元分別與程控增益單元和原子頻標(biāo)的物理單元電連接，程控增益單元與壓控晶振電連接。本實用新型提供的技術(shù)方案，能夠使原子頻標(biāo)輸出在短時間內(nèi)鎖定原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率，縮短了鎖定所需的時間。
【專利說明】原子頻標(biāo)伺服鎖定裝置及原子頻標(biāo)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及原子頻標(biāo)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種原子頻標(biāo)伺服鎖定裝置及原子頻標(biāo)。
【背景技術(shù)】
[0002]為獲得大自然中比較穩(wěn)定的時間頻率，人們通過對銣、銫、氫等原子施加弱磁場，使其原子能級由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，利用不受外界磁場干擾的基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)0-0躍遷中心頻率作為參照時間頻率值。
[0003]利用上述原理制成的原子頻標(biāo)主要包括以下部分:壓控晶振、隔離放大器、射頻倍頻模塊、微波倍混頻模塊、物理單元、伺服模塊和綜合模塊；隔離放大器對壓控晶振的輸出信號進(jìn)行隔離和放大，隔離放大器的輸出信號經(jīng)過射頻倍頻模塊輸出至微波倍混頻模塊，綜合模塊用于產(chǎn)生一路綜合調(diào)制信號，微波倍混頻模塊對射頻倍頻模塊的輸出信號和綜合調(diào)制信號進(jìn)行倍頻和混頻，以產(chǎn)生微波探詢信號；物理單元對微波探詢信號進(jìn)行鑒頻，產(chǎn)生量子鑒頻信號；伺服模塊對量子鑒頻信號進(jìn)行選頻放大后與參考信號進(jìn)行同步鑒相，產(chǎn)生糾偏電壓作用于壓控晶振，以調(diào)整壓控晶振的輸出頻率；通過上述結(jié)構(gòu)單元，最終將壓控晶振的輸出頻率鎖定在原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率上。
[0004]在實現(xiàn)本實用新型的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題:
[0005]當(dāng)微波探尋信號與原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率偏離較大時，直接將伺服模塊輸出的糾偏電壓作用于壓控晶振，使得壓控晶振的輸出頻率改變很小，從而導(dǎo)致原子頻標(biāo)鎖定原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率所需的時間長。
實用新型內(nèi)容
[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中原子頻標(biāo)鎖定原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率所需的時間長的問題，本實用新型實施例提供了原子頻標(biāo)伺服鎖定裝置及原子頻標(biāo)。所述技術(shù)方案如下:
[0007]—方面，本實用新型實施例提供了 一種原子頻標(biāo)伺服鎖定裝置，所述裝置包括:
[0008]用于對原子頻標(biāo)的物理單元輸出的量子鑒頻信號和參考信號進(jìn)行同步鑒相，產(chǎn)生電壓差，并根據(jù)所述電壓差和頻率穩(wěn)定度范圍計算程控增益值的處理單元；
[0009]用于采用所述程控增益值，對所述處理單元產(chǎn)生的所述電壓差進(jìn)行程控放大，得至IJ糾偏電壓，并采用所述糾偏電壓對所述原子頻標(biāo)的壓控晶振進(jìn)行電壓控制的程控增益單元
[0010]所述處理單元分別與所述程控增益單元和所述原子頻標(biāo)的物理單元電連接，所述程控增益單元與所述壓控晶振電連接。
[0011]在本實用新型實施例的一種實現(xiàn)方式中，所述程控增益單元包括運(yùn)算放大器。
[0012]在本實用新型實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述處理單元包括單片機(jī)。
[0013]在本實用新型實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述裝置還包括:[0014]用于對所述量子鑒頻信號進(jìn)行選頻放大后，輸出到所述處理單元的選放單元，所述選放單元連接在所述物理單元和所述處理單元之間。
[0015]在本實用新型實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述裝置還包括:
[0016]連接在所述程控增益單元和所述壓控晶振之間的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
[0017]另一方面，本實用新型實施例還提供了一種原子頻標(biāo)，所述原子頻標(biāo)包括:
[0018]壓控晶振；
[0019]用于產(chǎn)生綜合調(diào)制信號的綜合模塊；
[0020]用于對所述壓控晶振的輸出信號進(jìn)行倍頻，得到倍頻信號的射頻倍頻模塊；
[0021]用于將所述綜合模塊產(chǎn)生的所述綜合調(diào)制信號與所述射頻倍頻模塊產(chǎn)生的所述倍頻信號倍混頻，產(chǎn)生微波探尋信號的微波倍混頻模塊；
[0022]用于對所述微波倍混頻模塊產(chǎn)生的所述微波探尋信號進(jìn)行量子鑒頻，產(chǎn)生量子鑒頻信號的物理單元；
[0023]如上所述的伺服鎖定裝置；
[0024]所述壓控晶振分別與所述綜合模塊、所述射頻倍頻模塊和所述伺服鎖定裝置電連接，所述微波倍混頻模塊分別與所述射頻倍頻模塊、所述綜合模塊和所述物理單元電連接，所述物理單元與所述伺服鎖定裝置電連接。
[0025]在本實用新型實施例的一種實現(xiàn)方式中，所述綜合模塊包括:直接數(shù)字式頻率合成器，所述直接數(shù)字式頻率合成器的主時鐘引腳接所述壓控晶振，所述直接數(shù)字式頻率合成器的控制位引腳接所述伺服鎖定裝置。
[0026]在本實用新型實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述原子頻標(biāo)還包括:
[0027]連接在所述壓控晶振和所述射頻倍頻模塊之間的隔離放大器。
[0028]本實用新型實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:
[0029]通過根據(jù)電壓差和頻率穩(wěn)定度范圍計算程控增益值，并采用程控增益值，對處理單元產(chǎn)生的電壓差進(jìn)行程控放大，當(dāng)微波探尋信號與原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率偏離較大時，能夠使原子頻標(biāo)輸出在短時間內(nèi)鎖定原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率，縮短了鎖定所需的時間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術(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實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0031]圖1是本實用新型實施例一提供的原子頻標(biāo)伺服鎖定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2是本實用新型實施例二提供的原子頻標(biāo)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0033]為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實用新型實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0034]實施例一[0035]本實用新型實施例提供了一種原子頻標(biāo)伺服鎖定裝置，參見圖1，該裝置包括:
[0036]處理單元102和程控增益單元103 ；
[0037]處理單元102用于對原子頻標(biāo)的物理單元輸出的量子鑒頻信號和參考信號進(jìn)行同步鑒相，產(chǎn)生電壓差，并根據(jù)電壓差和頻率穩(wěn)定度范圍計算程控增益值；[0038]程控增益單元103用于采用程控增益值，對處理單元102產(chǎn)生的電壓差進(jìn)行程控放大，得到糾偏電壓，并采用糾偏電壓對原子頻標(biāo)的壓控晶振進(jìn)行電壓控制；
[0039]處理單元102分別與程控增益單元103和原子頻標(biāo)的物理單元電連接，程控增益單元103與壓控晶振電連接。
[0040]進(jìn)一步地，該裝置還包括，選放單元101，選放單元101用于對量子鑒頻信號進(jìn)行選頻放大；選放單元101連接在物理單元和處理單元102之間。
[0041]進(jìn)一步地，該裝置還包括，連接在程控增益單元103和壓控晶振之間的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 104。
[0042]其中，處理單元102可以包括單片機(jī)。
[0043]優(yōu)選地，程控增益單元103可以包括運(yùn)算放大器。
[0044]具體地，為了實現(xiàn)同步鑒相，處理單元102需要產(chǎn)生相互之間相位關(guān)系明確可調(diào)的鍵控調(diào)頻信號和參考信號，鍵控調(diào)頻信號和參考信號的頻率優(yōu)選為79Hz。這些信號的產(chǎn)生由處理單元102通過相應(yīng)的時鐘中斷或硬件分頻技術(shù)來實現(xiàn)的。鍵控調(diào)頻信號和參考信號可以是占空比為1:1的方波信號。
[0045]值得說明的是，來自物理單元的量子鑒頻信號經(jīng)選頻放大后獲得一個類似方波，處理單元根據(jù)同步采樣時序?qū)ι鲜鼋?jīng)處理后的量子鑒頻信號，以及同步參考信號進(jìn)行采樣，分別獲得相應(yīng)的電壓值Ul、U2，得到電壓差U=U2-U1。
[0046]程控增益單元根據(jù)電壓差U和程控增益值A(chǔ)計算糾偏電壓V，即:
[0047]V=A*U 公式①
[0048]其中，A的大小由頻率穩(wěn)定度范圍決定，即使A*U產(chǎn)生的糾偏電壓作用到壓控晶振后，壓控晶振輸出信號頻率發(fā)生變化在原子頻標(biāo)穩(wěn)定度要求范圍內(nèi)。
[0049]其中，原子頻標(biāo)中壓控晶振的壓控斜率k定義了糾偏電壓V與輸出頻率f之間的關(guān)系:
[0050]f=kV 公式②
[0051]假如連續(xù)兩次糾偏電壓(VI，V2)作用于壓控晶振獲得輸出信號頻率(fl，f2)，根據(jù)公式②可得:fl=kVl，f2=kV2，兩次糾偏電壓作用使壓控晶振輸出的頻率變化a為:
[0052]a= (f2-fl)/[(f2+fl)/2]公式③
[0053]由于，兩次作用使壓控晶振輸出的頻率變化a要滿足頻率穩(wěn)定度范圍:小于等于頻率穩(wěn)定度b，即:
[0054]a≤b 公式④
[0055]其中，b為原子頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度。
[0056]將公式③代入④可得到，
[0057](f2-fl)/[(f2+fl)/2] ^ b 公式⑤
[0058]其中，fl=kVI，f2=kV2，
[0059]所以上述公式⑤可轉(zhuǎn)化為:[0060](kV2 - kVl) / [(kV2+kVl)/2] ^ b,
[0061]k (V2 -Vl)/[k(V2+Vl)/2] ^ b,
[0062](V2 -Vl)/[(V2+Vl)/2] ^ b,
[0063]V2 - Vl ^ b(V2+Vl)/2,
[0064]V2 - Vl ^ (bV2) /2+ (bVl) /2,
[0065](l-b/2)V2 ≤(l+b/2) VI，
[0066]V2 ≤ (l+b/2) Vl/ (l-b/2)公式⑥
[0067]V2是根據(jù)電壓差U和程控增益值A(chǔ)計算出的當(dāng)前糾偏電壓，因此可將公式①寫為:V2=A*U，并代入公式⑥可得到，
[0068]A U ^ (2+b) Vl/ (2_b)，
[0069]A ≤ (2+b) Vl/[ (2-b) U]。
[0070]綜上，A≤ (2+b)Vl/[ (2_b)U]，其中，U為當(dāng)前電壓差，Vl為上次輸出的糾偏電壓。
[0071]因此，程控增益單元103可以根據(jù)A≤ (2+b) Vl/[ (2_b)U]計算A的值。
[0072]在一種實現(xiàn)方式中，要求在鎖定時滿足頻率穩(wěn)定度為5E-12，在非鎖定時滿足頻率穩(wěn)定度5E-10，從而可以計算出鎖定時和非鎖定時A的范圍，A的值可以根據(jù)鎖定和非鎖定進(jìn)行選擇。對于原子頻標(biāo)的鎖定判斷為現(xiàn)有成熟技術(shù)，這里不再贅述。
[0073]在另一種方式中，只根據(jù)需要滿足的頻率穩(wěn)定度為5E-12，計算出A的范圍，取其中的最大值作為A的值。
[0074]下面對程控增益單元的作用進(jìn)行簡單說明:當(dāng)微波探詢信號遠(yuǎn)離物理單元中的原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率時(非鎖定，無論是偏小還是偏大)，從理論上講，我們希望壓控晶振大幅度變化，從而使微波探詢信號更快的接近物理單元中的原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率。此時U=U2-U1的差值絕對值將很大，程控增益單元獲得的糾偏電壓A*U也很大，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出電壓作用到壓控晶振后使其輸出信號頻率發(fā)生大幅變化。當(dāng)微波探詢信號接近物理單元中的原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率時(鎖定，無論是偏小還是偏大)，如果這時再用大幅的增益糾偏使壓控晶振產(chǎn)生大幅度變化的話，將不利于鎖定原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率，此時我們希望壓控晶振進(jìn)行小幅變化糾偏，從而使微波探詢信號更精確的接近物理單元中的原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率。因為此時U的絕對值很小，程控增益單元獲得的糾偏電壓A*U也很小，所以經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出電壓作用到壓控晶振后使其輸出信號頻率發(fā)生小幅變化。
[0075]本實用新型實施例通過根據(jù)電壓差和頻率穩(wěn)定度范圍計算程控增益值，并采用程控增益值，對處理單元產(chǎn)生的電壓差進(jìn)行程控放大，當(dāng)微波探尋信號與原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率偏離較大時，能夠使原子頻標(biāo)輸出在短時間內(nèi)鎖定原子基態(tài)超精細(xì)0-0躍遷中心頻率，縮短了鎖定所需的時間。
[0076]實施例二
[0077]本實用新型實施例提供了一種原子頻標(biāo)，參見圖2，該原子頻標(biāo)包括:
[0078]壓控晶振201、射頻倍頻模塊203、綜合模塊204、微波倍混頻模塊205、物理單元206和實施例一描述的伺服鎖定裝置207 ；
[0079]綜合模塊204用于產(chǎn)生綜合調(diào)制信號；射頻倍頻模塊203用于對壓控晶振的輸出信號進(jìn)行倍頻，得到倍頻信號；微波倍混頻模塊205用于將綜合模塊產(chǎn)生的綜合調(diào)制信號與射頻倍頻模塊產(chǎn)生的倍頻信號倍混頻，產(chǎn)生微波探尋信號；物理單元206用于對微波倍混頻模塊產(chǎn)生的微波探尋信號進(jìn)行量子鑒頻，產(chǎn)生量子鑒頻信號。
[0080]壓控晶振201分別與綜合模塊204、射頻倍頻模塊203和伺服鎖定裝置207電連接，微波倍混頻模塊205分別與射頻倍頻模塊203、綜合模塊204和物理單元206電連接，物理單元206與伺服鎖定裝置207電連接。
[0081]優(yōu)選地,綜合模塊204包括DDS (Direct Digital Synthesizer,直接數(shù)字式頻率合成器)。DDS可采用AD9832芯片和外圍電路組成。DDS的主時鐘引腳接壓控晶振201，DDS的控制位引腳接伺服鎖定裝置207。在另一種實現(xiàn)方式中，綜合模塊204可以采用電容二極管電路實現(xiàn)
[0082]具體地，AD9832芯片的MCLK (主時鐘)引腳接外部時鐘源(如壓控晶振)，OUT (輸出)引腳輸出的頻率信號的穩(wěn)定度與外部時鐘源一致。FSELECT (控制位)引腳為鍵控調(diào)頻信號輸入端，也就是79HZ鍵控調(diào)頻信號(由伺服鎖定裝置207產(chǎn)生)輸入端，AD9832內(nèi)部有兩個頻率控制寄存器，通過編程的方式將預(yù)先設(shè)置好的頻率值F0、Fl保存在寄存器中，當(dāng)FSELECT引腳有方波信號輸入時(即電平上升沿或下降沿轉(zhuǎn)換)，AD9832的IOUT引腳將會隨之分別從頻率控制寄存器中讀出Fl或H)的值作為輸出，并且會保持信號的相位無變化，如IOUT引腳會在調(diào)制方波79Hz信號的高電平時輸出F1、在低電平輸出H)。DDS還包括調(diào)節(jié)兩路信號頻率F1、R)的相位的PSELO (相位控制位)、PSEL1，而為了保持F1、R)在切換時的相位連續(xù)，故直接將PSELO、PSELl接地。
[0083]在DDS輸入之前，將表示Fl和H)的值的DATA (數(shù)據(jù))分兩次寫入AD9832內(nèi)部的2個頻率控制寄存器(用于存儲FO、Fl的頻率值)中，且只有在DATA寫入完畢后，DDS才能輸出。`
[0084]以32位頻率控制寄存器、MCLK`引腳輸入的時鐘頻率是20MHz為例，AD9832的最小的頻率分辨率為:
【權(quán)利要求】
1.一種原子頻標(biāo)伺服鎖定裝置，其特征在于，所述裝置包括: 用于對原子頻標(biāo)的物理單元輸出的量子鑒頻信號和參考信號進(jìn)行同步鑒相，產(chǎn)生電壓差，并根據(jù)所述電壓差和頻率穩(wěn)定度范圍計算程控增益值的處理單元； 用于采用所述程控增益值，對所述處理單元產(chǎn)生的所述電壓差進(jìn)行程控放大，得到糾偏電壓，并采用所述糾偏電壓對所述原子頻標(biāo)的壓控晶振進(jìn)行電壓控制的程控增益單元；所述處理單元分別與所述程控增益單元和所述原子頻標(biāo)的物理單元電連接，所述程控增益單元與所述壓控晶振電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述程控增益單元包括運(yùn)算放大器。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述處理單元包括單片機(jī)。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括: 用于對所述量子鑒頻信號進(jìn)行選頻放大的選放單元，所述選放單元連接在所述物理單元和所述處理單元之間。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括: 連接在所述程控增益單元和所述壓控晶振之間的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
6.一種原子頻標(biāo)，其特征在于，所述原子頻標(biāo)包括: 壓控晶振； 用于產(chǎn)生綜合調(diào)制信號的綜合模塊； 用于對所述壓控晶振的輸出信號進(jìn)行倍頻，得到倍頻信號的射頻倍頻模塊； 用于將所述綜合模塊產(chǎn)生的所述綜合調(diào)制信號與所述射頻倍頻模塊產(chǎn)生的所述倍頻信號倍混頻，產(chǎn)生微波探尋信號的微波倍混頻模塊； 用于對所述微波倍混頻模塊產(chǎn)生的所述微波探尋信號進(jìn)行量子鑒頻，產(chǎn)生量子鑒頻信號的物理單元； 如權(quán)利要求1?5任一項所述的伺服鎖定裝置； 所述壓控晶振分別與所述綜合模塊、所述射頻倍頻模塊和所述伺服鎖定裝置電連接，所述微波倍混頻模塊分別與所述射頻倍頻模塊、所述綜合模塊和所述物理單元電連接，所述物理單元與所述伺服鎖定裝置電連接。
7.如權(quán)利要求6所述的原子頻標(biāo)，其特征在于，所述綜合模塊包括:直接數(shù)字式頻率合成器，所述直接數(shù)字式頻率合成器的主時鐘引腳接所述壓控晶振，所述直接數(shù)字式頻率合成器的控制位引腳接所述伺服鎖定裝置。
8.如權(quán)利要求6所述的原子頻標(biāo)，其特征在于，所述原子頻標(biāo)還包括: 連接在所述壓控晶振和所述射頻倍頻模塊之間的隔離放大器。
【文檔編號】H03L7/26GK203387498SQ201320303294
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月29日
【發(fā)明者】雷海東 申請人:江漢大學(xué)