一種原子頻標(biāo)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及原子頻標(biāo)領(lǐng)域，特別涉及一種原子頻標(biāo)。
【背景技術(shù)】
[0002] 被動(dòng)型銣原子頻標(biāo)系統(tǒng)包括物理系統(tǒng)和電子線路兩大部分。電子線路包括，壓 控晶體振蕩器（英文：Voltage Controlled X'tal Oscillator，簡(jiǎn)稱：VCXO)、綜合調(diào)制電 路、倍、混頻電路、及伺服鎖相放大電路。VCX0的輸出信號(hào)一方面作為原子鐘的輸出信號(hào)輸 出，另一方面分別輸入至綜合調(diào)制電路和倍、混頻電路；倍、混頻電路在VCX0的輸出信號(hào)和 綜合調(diào)制電路輸出的調(diào)制信號(hào)作用下，輸出微波探測(cè)信號(hào)到物理系統(tǒng)中，使物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 量子鑒頻；伺服鎖相放大電路對(duì)物理系統(tǒng)輸出的量子鑒頻信號(hào)進(jìn)行同步鑒相，產(chǎn)生作用于 VCX0的糾偏電壓，最終將原子鐘的輸出信號(hào)頻率鎖定在銣原子的基態(tài)超精細(xì)0 - 0躍迀頻 率上。
[0003] 其中，當(dāng)微波探測(cè)信號(hào)的中心頻率高于原子躍迀頻率時(shí)，量子鑒頻信號(hào)和調(diào)制信 號(hào)同頻反相；當(dāng)微波探測(cè)信號(hào)的中心頻率低于原子躍迀頻率時(shí)，量子鑒頻信號(hào)和調(diào)制信號(hào) 同頻同相；當(dāng)微波探測(cè)信號(hào)的中心頻率等于原子躍迀頻率時(shí)，量子鑒頻信號(hào)頻率是調(diào)制頻 率的2倍。伺服鎖相放大電路正是利用這一特性，采用同步鑒相方案實(shí)現(xiàn)整機(jī)的閉環(huán)鎖定。 現(xiàn)有的同步鑒相方案包括，當(dāng)量子鑒頻信號(hào)和調(diào)制信號(hào)同頻反相時(shí)，輸出第一糾偏電壓至 VCX0,降低VCX0的輸出信號(hào)頻率；當(dāng)量子鑒頻信號(hào)和調(diào)制信號(hào)同頻同相時(shí)，輸出第二糾偏 電壓至VCX0,提高VCX0的輸出信號(hào)頻率；當(dāng)量子鑒頻信號(hào)頻率是調(diào)制頻率的2倍時(shí)，判定 原子頻標(biāo)處于鎖定狀態(tài)，保持VCX0當(dāng)前的輸出信號(hào)頻率。
[0004] 在實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問(wèn)題：
[0005] 量子鑒頻信號(hào)和調(diào)制信號(hào)同頻同相或同頻反相，是基于微波探測(cè)信號(hào)進(jìn)入有效的 量子鑒頻吸收帶寬之內(nèi)。當(dāng)微波探測(cè)信號(hào)未進(jìn)入有效的量子鑒頻吸收帶寬之內(nèi)時(shí)，即微波 探測(cè)信號(hào)的中心頻率大范圍地偏離原子躍迀頻率，量子鑒頻信號(hào)經(jīng)處理后將是一個(gè)持續(xù)的 電平，原子頻標(biāo)處于脫鎖狀態(tài)。這時(shí)，現(xiàn)有的同步鑒相方案不能對(duì)量子鑒頻信號(hào)進(jìn)行識(shí)別， 導(dǎo)致原子頻標(biāo)無(wú)法正常工作。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種原子頻標(biāo)，可以解決在原子頻標(biāo)處于脫鎖狀態(tài)時(shí)原 子頻標(biāo)無(wú)法正常工作的技術(shù)問(wèn)題。所述技術(shù)方案如下：
[0007] 本實(shí)用新型提供了一種原子頻標(biāo)，所述原子頻標(biāo)包括：
[0008] 壓控晶體VCX0、隔離放大器、倍混頻電路、物理系統(tǒng)、微控制器、電壓轉(zhuǎn)換電路、方 波整形電路、快門Shutter、環(huán)形振蕩器和第一計(jì)數(shù)電路；所述物理系統(tǒng)包括光譜燈和集成 濾光共振泡；
[0009] 所述VCX0的輸出端與所述隔離放大器的輸入端電連接，
[0010] 所述隔離放大器的第一輸出端與所述倍混頻電路的第一輸入端電連接，所述隔離 放大器的第二輸出端與所述微控制器的第一輸入端電連接；
[0011] 所述倍混頻電路的第二輸入端與所述微控制器的第一輸出端電連接，所述倍混頻 電路的輸出端與所述物理系統(tǒng)電連接；
[0012] 所述物理系統(tǒng)與所述方波整形電路的輸入端電連接，所述快門Shutter設(shè)置在所 述光譜燈與所述集成濾光共振泡之間，所述快門Shutter的控制端與所述環(huán)形振蕩器的第 一輸出端電連接；
[0013] 所述方波整形電路的第一輸出端與所述微控制器的第二輸入端電連接，所述方波 整形電路的第二輸出端與所述環(huán)形振蕩器的輸入端電連接，所述快門Shutter、所述環(huán)形振 蕩器和所述方波整形電路構(gòu)成振蕩環(huán)路；
[0014] 所述微控制器的第二輸出端與所述電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端電連接，
[0015] 所述電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與所述VCXO的控制端電連接，
[0016] 所述第一計(jì)數(shù)電路的輸入端與所述環(huán)形振蕩器的第二輸出端電連接，所述第一計(jì) 數(shù)電路的輸出端與所述微控制器的第三輸入端電連接。
[0017] 可選地，所述環(huán)形振蕩器由奇數(shù)級(jí)個(gè)非門構(gòu)成且非門至少為3個(gè)。
[0018] 可選地，所述原子頻標(biāo)還包括接收機(jī)和第二計(jì)數(shù)電路，
[0019] 所述隔離放大器的第三輸出端與所述第二計(jì)數(shù)電路的第一輸入端電連接，所述第 二計(jì)數(shù)電路的第二輸入端與所述接收機(jī)的輸出端電連接，所述第二計(jì)數(shù)電路的輸出端與所 述微控制器的第四輸入端電連接。
[0020] 可選地，所述原子頻標(biāo)還包括顯示屏；所述顯示屏與所述微控制器的第三輸出端 電連接。
[0021] 本實(shí)用新型實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是：
[0022] 通過(guò)微控制器以檢測(cè)信號(hào)的連續(xù)4N個(gè)上升沿分別作為觸發(fā)脈沖，對(duì)方波整形電 路輸出的方波信號(hào)進(jìn)行電平采樣，依次得到第一電平值至第4N電平值D1~D4N ;比較D1~ D4N，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行同步鑒相，以輸出糾偏電壓信號(hào)；該同步鑒相過(guò)程可以包括，將依次 得到的第一電平值至第4N電平值D1~D4N分為N組；當(dāng)每組均有3個(gè)低電平和1個(gè)高電 平時(shí)，判定原子頻標(biāo)處于未鎖定狀態(tài)，進(jìn)行傳統(tǒng)的同步鑒相；當(dāng)每一組中4個(gè)電平值兩兩相 等時(shí)，判定原子頻標(biāo)為鎖定狀態(tài)，保持VCXO的當(dāng)前輸出信號(hào)頻率；當(dāng)各個(gè)組之間的電平值 無(wú)規(guī)律時(shí)，判定物理系統(tǒng)的光譜燈處于張弛振蕩過(guò)程，保持VCXO的當(dāng)前輸出信號(hào)頻率；這 樣，可以實(shí)現(xiàn)光譜燈處于張弛振蕩過(guò)程時(shí)的同步鑒相，維持原子頻標(biāo)的正常工作。當(dāng)D1~ D4N均相等時(shí)，判定原子頻標(biāo)處于脫鎖狀態(tài)，以預(yù)置糾偏電壓為初始糾偏電壓作用于VCXO， 并按照預(yù)置幅度，逐次增大作用于VCXO的糾偏電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)VCXO的掃頻；這樣，可以在原 子頻標(biāo)處于脫鎖狀態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)同步鑒相，維持原子頻標(biāo)的正常工作。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需 要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí) 施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖 獲得其他的附圖。
[0024] 圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種原子頻標(biāo)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的振蕩環(huán)路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的同步鑒相的原理不意圖；
[0027] 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的測(cè)量VCXO的輸出信號(hào)頻率的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 為使本實(shí)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(duì)本實(shí)用新 型實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0029] 實(shí)施例
[0030] 本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種原子頻標(biāo)，參見(jiàn)圖1，該原子頻標(biāo)包括：壓控晶體 VCXO 1、隔離放大器2、倍混頻電路3、物理系統(tǒng)4、微控制器5、電壓轉(zhuǎn)換電路6、方波整形電 路7、快門Shutter 8、環(huán)形振蕩器9和第一計(jì)數(shù)電路10。該物理系統(tǒng)4包括光譜燈41和集 成濾光共振泡42。
[0031] VCXO 1的輸出端與隔離放大器2的輸入端電連接；隔離放大器2的第一輸出端與 倍混頻電路3的第一輸入端電連接；隔離放大器2的第二輸出端與微控制器5的第一輸入 端電連接；倍混頻電路3的第二輸入端與微控制器5的第一輸出端電連接，倍混頻電路3的 輸出端與物理系統(tǒng)4電連接；物理系統(tǒng)4與方波整形電路7的輸入端電連接?？扉TShutter 8設(shè)置在光譜燈41與集成濾光共振泡42之間，快門Shutter 8的控制端與環(huán)形振蕩器9的 第一輸出端電連接；方波整形電路7的第一輸出端與微控制器5的第二輸入端電連接，方波 整形電路7的第二輸出端與環(huán)形振蕩器9的輸入端電連接。參見(jiàn)圖2,快門Shutter 8、環(huán) 形振蕩器9和方波整形電路7構(gòu)成振蕩環(huán)路。微控制器5的第二輸出端與電壓轉(zhuǎn)換電路6 的輸入端電連接；電壓轉(zhuǎn)換電路6的輸出端與VCXO 1的控制端電連接；第一計(jì)數(shù)電路10的 輸入端與環(huán)形振蕩器9的第二輸出端電連接，第一計(jì)數(shù)電路10的輸出端與微控制器5的第 三輸入端電連接。
[0032] 作為可選的實(shí)施方式，環(huán)形振蕩器9由奇數(shù)級(jí)個(gè)非門構(gòu)成且非門至少為3個(gè)。
[0033] 隔離放大器2用于，對(duì)VCXO1的輸出信號(hào)頻率進(jìn)行放大。
[0034] 倍混頻電路3用于，在隔離放大器2的輸出信號(hào)和調(diào)制信號(hào)作用下，輸出微波探測(cè) 信號(hào)至物理系統(tǒng)4,以使物理系統(tǒng)4實(shí)現(xiàn)量子鑒頻。倍混頻電路3的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有倍混頻電路 的結(jié)構(gòu)相同，在此不再贅述。
[0035] 方波整形電路7用于，對(duì)物理系統(tǒng)4輸出的量子鑒頻信號(hào)進(jìn)行方波整形。
[0036] 第一計(jì)數(shù)電路10用于，測(cè)量振蕩環(huán)路的周期。其中，第一計(jì)數(shù)電路10的結(jié)構(gòu)與現(xiàn) 有計(jì)數(shù)電路的結(jié)構(gòu)相同，在此不再贅述。
[0037] 微控制器5用于，根據(jù)第一計(jì)數(shù)電路10測(cè)得的振蕩環(huán)路的振蕩周期、及環(huán)形振蕩 器9的振蕩周期，計(jì)算原子頻標(biāo)的環(huán)路響應(yīng)時(shí)間；根據(jù)原子頻標(biāo)的環(huán)路響應(yīng)時(shí)間，計(jì)算原子 頻標(biāo)的量子鑒頻吸收帶寬。其中量子鑒頻吸收帶寬的計(jì)算公式為
為量子鑒頻 吸收帶寬，At為環(huán)路響應(yīng)時(shí)間，3 < K < 5。根據(jù)量子鑒頻吸收帶寬，確定調(diào)制信號(hào)頻率和 檢測(cè)信號(hào)頻率，其中v>w，v為調(diào)制信號(hào)頻率，檢測(cè)信號(hào)頻率為4v。以隔離放大器2的輸出 信號(hào)為參考信號(hào)，輸出調(diào)制信號(hào)至倍混頻電路3。以檢測(cè)信號(hào)的連續(xù)4N個(gè)上升沿分別作為 觸發(fā)脈沖，對(duì)方波整形電路7輸出的方波信號(hào)進(jìn)行電平采樣，依次得到第一電平值至第4N 電平值D1~D4N，N為整數(shù)；比較D1~D4N，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行同步鑒相，以輸出糾偏電壓 信號(hào)。
[0038] 電壓轉(zhuǎn)換電路6用于，將糾偏電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓，并