专利名称：一种高精度原子频标智能补偿方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及原子频标技术，尤其涉及基于微处理器的、带智能补偿的原子频标技术。
频标，即频率标准。任何一种频标，都是以均匀的周期现象为基础的，即要求输出一个尽可能稳定和准确的周期信号。
原子频标，即原子频率标准，以其输出频率的高稳定度、高精度，对现代科学和技术的发展有着巨大的影响，在众多的领域获得了广泛的应用。但是原子频标的频率也会随着环境的温度、振动、冲击和幅射等因素的起伏而变化。例如，铷原子频标随着时间的推移，一直存在着频率老化漂移的现象。如何降低原子频标对环境因素(主要指环境温度)起伏的敏感程度，并且降低频率的老化漂移一直是一个亟待解决的重要课题。原子频标一般都由量子单元和控制单元两部分组成；量子单元的主要部件是光抽运谱灯(简称光谱灯)和吸收泡。研究发现，频标整机的温度特性和老化漂移特性主要由量子单元的光谱灯和吸收泡的气体充制参数和充制工艺决定。在现有的原子频标中，要提高上述的两项指标，是通过改善其充制参数和充制工艺，再对光谱灯和吸收泡进行优选来实现，这不仅工艺复杂、成本较高，而且产品的一致性很难保证。
本发明的目的就在于克服现有技术存在的问题和不足，而寻求一种改善其温度特性和老化漂移特性的新技术，即提出一种智能补偿的方法及其装置。
本发明的目的是这样实现的。其补偿方法是首先通过频标与外部标准频率源的比对，测得将被补偿的原子频标的温度特性和老化漂移特性。然后，将这些特性的数据存入到微处理器中。在原子频标的工作过程中，微处理器定期地执行一段指令，根据预先存入的特性数据对原子频标的温度特性和老化漂移特性进行补偿。其补偿装置是在传统的原子频标基础上引入补偿单元，补偿单元由探测器、微处理器、数字接口组成。
下面结合附图相实施例详细说明
图1为本装置原理框图，图2为本装置智能补偿电路图，图3为温度补偿程序图，
图4为老化漂移补偿程序图，图5为数字接口控制程序图，图6为本装置外观图。
其中A—量子单元，B—控制单元，C—补偿单元；1—光谱灯(光抽运谱灯)，2—滤光泡，3—磁屏蔽，4—C场线圈，5—吸收泡，6—微波腔(微波谐振腔)，7—光电池，8—放大器，9—相敏检波器，10—积分器，11—晶振器(压控晶体振荡器)，12—频率综合器，13—倍频器，14—低频调制器，15—探测器，15.1—温度探头，15.2—模数变换器，16—微处理器，17—数字接口，18—定时器0中断，19—测温，20—对频率温度系数进行校正，21—中断返回，22—定时器1中断，23—计数，24—计数到设定值，25—对频率老化进行修正，26—中断返回，27—串行中断，28—接受指令，29—分析并执行指令，30—中断返回，31—外壳，32—电源输入，33—标准频率输出。
由图1可知，本装置由传统的原子频标(量子单元A、控制单元B、)加上补偿单元C组成。下面以气泡型铷原子频标为例首先说明传统原子频标的工作原理量子单元A由光谱灯1、滤光泡2、磁屏蔽3、C场线圈4、87Rb吸收泡5、微波腔6、光电池7组成。控制单元B由放大器8、相敏检波器9、积分器10、晶振器11、频率综合器12、倍频器13、低频调制器14组成。铷原子频标的量子参考频率为87Rb原子的基态精细跃迁频率(简称原子跃迁频率)fA。光谱灯1发出的光通过放置于微波腔6中的吸收泡5，然后照射在光电池7上。由于原子跃迁的作用，通过吸收泡5的光强是输入微波腔6的探测信号的微波频率(mfO-fZ)的函数。当输入微波频率(mfO-fZ)正好等于原子跃迁频率fA时，光谱灯1发出的光被最强地吸收，而照射在光电池7上的光强将变得最弱。频率综合器12的作用就是产生一个带尾数的频率，约为5.3125……MHz，此频率和倍频器13的输出频率mfO相混频，即为输入微波腔6的微波频率(mfO-fZ)，约为6834.6875MFz。同时，还要对探测信号进行频率的低频调制。这样，在光电池7的输出端即可得解调信号，此解调信号被放大器8放大，并经过相敏检波器9检波，再经过积分器10积分后，即输出一直流误差信号来校正晶振器11的输出频率fO。通过这一过程，输出频率fO就被锁定在量子参考频率即原子跃迁频率fA上，从而获得较高的稳定度和准确度。但是输出频率fO存在着与环境和时间的依赖性，即传统的原子频标的输出频率fO将会随着环境温度的变化和工作时间的加长而变化。
和传统的原子频标相比，本装置是引入了一补偿单元C，补偿单元C由探测器15、微处理器16、数字接口器17组成。由微处理器16控制综合器12的输出fZ，从而完成对原子频标输出频率fO的温度和老化漂移的补偿。
为了表述方便，设定以下符号fA—原子跃迁频率；fA(T)—原子跃迁频率随温度变化的函数；fA(t)—原子跃迁频率随时间老化漂移的函数；fO—原子频标输出频率；fO(T)—原子频标输出频率随温度变化的函数；fO(t)—原子频标输出频率随时间老化漂移的函数；fZ—是频率综合器12的输出频率。
在原子频标锁定以后，存在以下关系式fA＝mfO-fZ(1)m为倍频器13的倍率。
因此fA(T)＝mfO(T)-fZ(2)fA(t)＝mfO(t)-fZ(3)在本发明的原子频标首次工作之前，必须对它的两个特性函数进行测量。第一个是确定它的温度特性，第二是它的老化漂移特性。在第一步测量中，可以确定fO(T)，即原子频标输出频率随温度变化的函数。第二步是确定原子频标的老化漂移率。对于原子频标，这一过程需要数月时间。通过数据的积累，可以通过多项式拟合或最小二乘法拟合得到函数fO(t)。
经过特性测量，微处理器16已经得到了原子频标的温度和老化漂移特性的数据，再通过对数据的分析得到原子频标的温度和老化漂移特性的函数曲线。根据(2)、(3)两式即可得到fA(T)和fA(t)，用于工作中的补偿。在本原子频标的工作过程中，微处理器16定期对环境温度和工作时间进行测量，并根据预先存入的函数，将温度和老化漂移引起的频率变化进行求和，计算出综合器12应输出的频率值fZ(T，t)，从而使本发明原子频标的输出频率fO保持不变。
频率综合器12的输出频率由下式决定fZ(T，t)＝fZ(TO，tO)-[fA(T)-fA(TO)]-[fA(t)-fA(tO)](4)
式中t＞tOtO是本发明原子频标的上一次校准时间。
TO是本发明原子频标的上一次校准时的环境温度。
微处理器16根据方程(4)通过程序计算fZ(T，t)，并控制频率综合器12输出该频率。
方程(4)中，fZ(TO，tO)是上一次校准时综合器12的设置值。[fA(T)-fA(TO)]项是微处理器16通过存储的温度特性曲线计算出的环境温度变化引入的频率差。[fA(t)-fA(tO)]项是根据原子频标的老化漂移特性计算出的据上一次校准后，时间推移所引入的频率差。
其实，方程(4)可以不只是包括温度和老化漂移引起的频率差。其它环境参数变化(例如气压、加速度、辐射、震动)引入的原子频标的频率差也可以归入方程(4)，然后通过同样的方法进行补偿。
可以看出，方程(4)中的各项被认为是相互独立的，即环境温度对老化漂移率的影响和环境温度特性随时间的变化都可以忽略。如果对于某种原子频标这两者之间的相互影响不能忽略，则只需在方程(4)中另加一项来表示这种效应即可。
由图1、图2可知，为了对传统的原子频标进行补偿，本补偿单元C由探测器15、微处理器16、数字接口17组成。微处理器16分别与控制单元B的频率综合器12、探测器15、数字接口17相连接。
由图2可知，本装置实施例中，微处理器16为8751，频率综合器12为AD7008，模数变换器(A/D)15.2为ADC0808，温度探头15.1为AD590。晶振器11的输出分别送至微处理器16和频率综合器12作为它们的时钟信号，频率综合器12的输出和倍频器13的输出混合之后作为量子跃迁的微波探测信号。微处理器16的数据总线P0口同时连接到频率综合器12的数据总线D7D0和模数变换器15.2的数据总线D7D0。同时，微处理器16的P2口分别连接频率综合器12和模数变换器15.2的控制线提供控制信号。
如图3，微处理器16对温度变化进行的频率补偿在定时器0的中断服务程序内进行，温度补偿程序为定时器0中断18→测温19→对频率温度系数进行修正20→中断返回21。
如图4，对老化漂移的补偿在定时器1的中断服务程序内完成，频率老化补偿程序为定时器1中断22→计数23→计数到设定值24(是)→对频率老化进行修正25→中断返回26；计数到设定值24(否)→中断返回26。
如图5，数字接口由串行口中断服务程序控制，数字控制程序为串行中断27→接受指令28→分析并执行指令29→中断返回30。
温度探测头AD590的输出电流和绝对温度成正比，此电流经电阻R转换为相应的电压并经模数转换器15.2转换为数字量，由微处理器16控制采集。
当需要对温度以外的其他环境变量的起伏进行修正时，只需要增加相应的探测器1即可。相应的探测器即由相应的探头15.1和模数变换器15.2相连接而成。频率综合器12的输出频率fZ受微处理器16控制，根据相应的时间和探测的温度进行频率修正。同时，通过外部的串行数字接口17，微处理器16亦可接受外部的控制指令，对频率综合器12的输出频率进行修正。
与现有技术相比，即与传统的原子频标相比，本发明具有以下优点①改善原子频标的温度特性，简化工艺要求，减小原子频标的整机体积和恒温功耗。
②改善原子频标的老化漂移特性，降低生产工艺复杂度，延长原子频标的有效使用时间。
③在提高原子频标精度的前提下，降低原子频标的调试复杂度。
由于本发明性能价格比高，因此有着广泛的应用前景。
权利要求
1.一种高精度原子频标智能补偿方法，其特征在于①首先通过对原子频标与外部标准频率源的比对，测得被补偿的原子频标的温度特性和老化漂移特性；②将上述特性的数据存入微处理器(16)中；③在原子频标工作过程中，微处理器(16)定期地执行一段指令，根据预先存入的特性数据，通过修改原子频标本身内置的频率综合器(12)的输出频率(fz)，对原子频标的温度特性和老化漂移特性进行补偿。
2.实施权利要求1所述的一种高精度原子频标智能补偿方法的装置，其特征在于①在传统的由量子单元(A)和控制单元(B)组成的原子频标中引入补偿单元(C)；补偿单元(C)由探测器(15)、微处理器(16)、数字接口(17)组成；微处理器(16)分别与探测器(15)、数字接口(17)、控制单元(B)的频率综合器(12)相连接；②探测器(15)由相应的探头(15.1)和模数变换器(15.2)组成并相互连接。
3.按权利要求1所述的一种高精度原子频标智能补偿方法，其特征在于程序有①温度补偿程序为定时器0中断(18)→测温(19)→对频率温度系数进行修正(20)→中断返回(21)；②频率老化补偿程序为定时器1中断(22)→计数(23)→计数到设定值(24)(是)→对频率老化进行修正(25)→中断返回(26)；计数到设定值(24)(否)→中断返回(26)；③数字控制程序为串行中断(27)→接受指令(28)→分析并执行指令(29)→中断返回(30)。
4.按权利要求1所述的一种高精度原子频标智能补偿方法，其特征在于同样适合于对其它环境参数(例如气压、加速度、辐射、震动等)变化的补偿。
全文摘要
本发明公开了一种高精度原子频标智能补偿方法及其装置,涉及原子频标技术。为了改善频标温度特性和老化漂移特性,提出一种智能补偿方法及其装置。方法是首先通过原子频标与外部标准频率源的比对,测出其温度特性和老化漂移特性,并将该特性数据存入到微处理器中,在工作过程中予以补偿。其装置是引入补偿单元,由探测器、微处理器、数字接口组成。由于本发明性能价格比高,因此有着广阔的应用前景。
文档编号H03L7/26GK1327305SQ0011460
公开日2001年12月19日 申请日期2000年6月1日 优先权日2000年6月1日
发明者邵作健, 李凯臻 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所