专利名称：一种用于被动型氢钟的控制方法及控制电路的制作方法
技术领域：
本发明属于原子频标领域，具体地说，是一种用于被动型氢钟的控制方 法及控制电路。
背景技术：
随着卫星定位系统在国家科技、军事、工业等领域内起到越来越重要的 作用，因此氢原子钟的研究也就变得越来越迫切。氢原子钟是一种高精度的 时间和频率标准，它的各项性能都是十分优秀的，在基础理论研究、导航、 雷达、大地测量、天文观测和通信领域都具有重要的作用。
氢原子钟是一种基于氢原子跃迁的原子频率标准，其跃迁频率大约在
1.4GHz。现有的被动型氢钟是一种非自激型原子振荡器，由于微波腔的有载 品质因数比较低，氢脉泽不能自激振荡，需要有外界注入的探测信号才能正
常工作。被动型氢钟的控制电路中有两个锁频环路晶振环路与腔体环路。
量子系统中氢原子跃迁频率用以控制晶振的频率，而为了消除量子系统内微 波腔谐振频率变化产生的牵引效应，还需要用晶振频率来控制微波腔频率。 目前普遍存在的两种调制方式为单频调制方式和双频调制方式。在常用 的单频调制方式中，采用一个调制频率产生探测信号注入到微波腔中，经过 和微波腔作用后，利用原子的吸收和色散原理分离出晶振和腔体两部分的误 差信号，通过比较误差信号对晶振和腔体进行锁定。这种方式已经广泛地应 用于被动型氢原子频标中，但是发明者发现这种调制方式无论如何都无法避 免晶振和腔体环路之间的互相干扰。这种干扰会产生幅度和相位噪声从而影 响原子频标的稳定度，此外，要想准确分离晶振和腔体的误差信号对电路的 实现也提出了更高的要求。在双频调制方式中，同时将两路探测信号注入到 微波腔中，分别与氢原子跃迁谱线和腔曲线作用，产生晶振和腔体两部分的 误差信号，发明者发现这种调制方式也无法完全避免晶振和腔体环路之间的 互相干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于被动型氢钟的控制方法及控制电路，以 消除和减小单频调制方式和双频调制方式中的不利因素，从而提供性能更高 的时间频率标准。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下-
一种用于被动型氢钟的控制方法，包括如下步骤在晶振环路中，将 10MHz晶体振荡器的频率锁定在氢脉泽的谱线上；在腔体环路中，将谐振 腔的频率锁定在IOMHZ的晶体振荡器上；把两个高准确度、对称分布在氢 原子跃迁谱线中心频率两侧不同频率的微波信号，交替地馈入到微波腔中， 在微波场与氢原子相互作用下给出了两个相邻半周期的检测信号，通过直接 比较这两个信号强度，其差异量用以改变晶振的控制量来锁定晶振的频率； 把两个高准确度、对称分布在微波腔响应曲线中心频率两侧不同频率的微波 信号，交替地馈入到微波腔中，在微波场与微波腔响应曲线相互作用下给出 了两个相邻半周期的检测信号，通过直接比较这两个信号强度，其差异量用 以改变坐落在微波腔内的变容二极管上的电压控制量使微波腔频率锁定在
10MHz晶振上。为了消除和减小晶振环路和腔体环路之间的互相干扰，晶振
环路和腔体环路的微波探测信号是分时馈入到微波谐振腔内的。
相应地， 一种实现上述控制方法的控制电路，包括探测信号产生电路和
信号处理电路；所述探测信号产生电路包括时序信号发生器，接收一时钟 信号并生成比率信号、调制信号和消隐信号；跳频信号发生器，接收所述时 钟信号以及来自时序信号发生器的调制信号；开关，接收来自时序信号发生 器的比率信号以及来自跳频信号发生器的输出信号；频率倍频器，接收所述 时钟信号；所述开关的输出信号以及频率倍频器的输出信号经混频后得到探 测信号，周期性地送至微波谐振腔；所述信号处理电路包括振荡器；包络 检波器，接收经放大的探测信号和来自振荡器的信号混和放大成的中频信号； 分离电路，接收来自包络检波器的输出信号以及所述比率信号，提取出误差 检测信号；数字伺服电路，接收所述消隐信号、比率信号以及来自分离电路 的误差检测信号，将计算得到的实际电压控制量发送到10MHz晶体振荡器 和坐落在微波谐振腔上的变容二极管压控端上。
采用上述新型的控制方法和控制电路，由于使用分时双频调制方式，分 别控制氢钟的微波谐振腔频率和晶振频率，采用这样特殊控制方式相对现有的单频调制方式和双频调制方式，可以减小腔体环路和晶振环路的相互干扰， 提高氢钟的频率稳定度。
图1是氢原子基态超精细能级能量与磁场强度关系的示意图2是氢激射器示意图3是被动型氢原子钟电子系统框图4是控制电路工作时序图5是开关综合器原理框图6是探测信号作用于氢原子跃迁谱线示意图。
具体实施例方式
下面根据图1至图6，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使 能更好地理解本发明的功能、特点。
首先说明被动型氢钟的工作原理。被动型氢原子钟是一种非自激型原子
振荡器，由于腔的有载品质因数比较低，氢脉泽不能自激振荡，需要有外界
注入的激励信号即微波探测信号。微波探测信号的频率与氢原子基态超精细
分裂中的两个能级间的跃迁频率非常接近，它的作用相当于微扰，激发处于
上能级的氢原子跃迁到下能级，实现稳定的受激发射，此时的脉泽振荡器就
相当于一个窄带微波放大器。
一般在被动型氢原子振荡器中，我们是利用氢原子基态超精细分裂能级 中的F4， -0态到F:0， =0态的0跃迁，如图1所示。因为氢原子响应
曲线的o跃迁频率随外磁场变化较快，只需很弱的磁场就可以工作，从而可
以减少磁场引起的误差。
图2为氢激射器工作原理图。氢分子在射频电场作用下离解为氢原子，
经喷射口射入真空室并形成原子束，进入选态磁铁，它将上能级(尸=1, =0)
原子聚焦到储存泡口内，而把下能级(尸=0,^=0)原子偏开。储存泡放在谐振
腔中适当的位置上，上能级原子与腔内辐射场相互作用，发生受激辐射跃 迁，储存泡经过特殊的涂敷处理，使原子和泡壁进行大量的碰撞而不致改变 其能量状态。这样，上能级原子就能长时间和辐射场相互作用，使受激发射 谱线的宽度变的很窄。被动型氢原子钟电子系统的构成如图3所示。图中有两个锁频环路晶 振环路与腔体环路。氢脉泽中氢原子的跃迁频率用以控制晶振的频率，而为 了消除量子系统内微波腔谐振频率变化产生的牵引效应，还需要用晶振频率
来控制腔频。在晶振环路中10MHz晶体振荡器的频率被锁定在氢脉泽的谱 线上；在腔体环路中，谐振腔的频率被锁定在10MHz的晶体振荡器上。系 统中采用了数字调频技术即慢速方波调制形式，即把两个高准确度、对称分 布在氢原子跃迁谱线中心频率两侧不同频率的微波信号，交替地馈入到微波 腔中，在微波场与氢原子相互作用下给出了两个相邻半周期的检测信号，通 过直接比较这两个信号强度，其差异量用以改变晶振的控制量来锁定晶振的 频率；同样把两个高准确度、对称分布在微波腔响应曲线中心频率两侧不同 频率的微波信号，交替地馈入到微波腔中，在微波场与微波腔响应曲线相互 作用下给出了两个相邻半周期的检测信号，通过直接比较这两个信号强度， 其差异量用以改变坐落在微波腔内的变容二极管上的电压控制量使微波腔频 率锁定在10MHz晶振上。
根据图3可知，电子系统分为探测信号产生电路和信号处理电路，探测 信号产生电路主要有10MHz晶体振荡器、时序信号发生器、第一开关综合 器、第二开关综合器、频率倍频器、开关等。信号处理电路由本地振荡器、 包络检波器、分离电路、数字伺服电路组成。
10MHz晶体振荡器的输出作为时钟信号进入时序信号发生器，产生输出 1、输出2和输出3，其时序图如图4所示。输出l (比率信号)提供一定占 空比的周期信号，用于切换对腔体环路和晶振环路微波激励。输出2 (调制 信号)这个信号周期性的改变开关综合器的分频比，使得开关综合器的输出 频率在y;到力之间跳变。输出3 (消隐信号)作为同步信号控制伺服系统采
集误差信号，同时去掉频率转换时信号中很强的干扰脉冲。干扰脉冲的产生 原因氢原子会在储存泡中存在一定时间，频率转换后，处于储存泡中的氢 原子突然处在新的频率的微波场中，导致部分原子能态产生变化，从而检测 器的输出中产生一个大的干扰脉冲。
第一开关综合器和第二开关综合器在时序信号发生器的输出2的调制信 号的控制下分别交替输出频率为20.405M士50KHz和20.405M±1. 25Hz的信 号，原理框图如图5所示，；t为开关综合器反馈环路中的分频系数。开关综 合器采用数字鉴相器对综合器中压控振荡器输出的20.405751MHz士厶信号分频到2.5MHz之后和晶体振荡器的10MHz信号四分频到2.5MHz的频率进行 鉴相。如图5所示数字鉴相器工作在2.5MHz，开关综合器在调制信号的 控制下周期地改变分频系数k，从而交替输出频率为20.405751MHz+y;和 20.405751MHz《的信号，其中/ 为系统的调频幅度，在晶振环路和腔体环路 中厶为不同的值，其大小取决于氢原子跃迁谱线和微波腔响应曲线的带宽。 在本系统中第一开关综合器的/m=1.25Hz，第二开关综合器的/m=50KHz。
另外，第一开关综合器和第二开关综合器也可以由一个直接数字频率合 成器(DDS)来代替，降低电路复杂程度。具体的实现是由89C52型单片机 在比率信号的控制下，对AD9852型DDS芯片内的寄存器分时地置入控制数， 而将调制信号接到DDS芯片的FSK输入端，这样DDS就可以分时地输出需 要的跳频信号。
在图3中，10MHz晶体振荡器的输出经过频率倍频器输出频率为1.4GHz 的信号。第一开关综合器、第二开关综合器的输出和时序信号发生器的输出 1作为开关的输入，即开关在比率信号控制下交替输出频率为20.405M± 50KHz和20.405M土l. 25Hz的信号。开关的输出与频率倍频器的输出送往混 频器得到频率接近于1.42GHz的探测信号，其中1.42GHz士50KHz作为腔体 环路的探测信号，1.42GHz士1.25Hz作为晶振环路的探测信号。混频器的输 出通过可变衰减器在时序信号发生器输出1的作用下分别以不同的系数限制 晶振探测信号和腔体探测信号的功率，以期达到最佳激励功率。晶振探测信 号和腔体探测信号周期性的注入到微波谐振腔中，与氢原子跃迁谱线和腔曲 线相互作用下得到含有误差信息的检测信号。放大器接收和放大检测信号， 放大后的检测信号与振荡器(为了减少10MHz晶体振荡器的谐波以及 20.405MHz信号的同步干扰，本地振荡器采用声表面振荡器，自由产生 1.44GHz的信号)的输出送往混频放大器得到经过放大的频率为19MHz的中 频信号。该中频信号通过包络检波器，然后再将输出通过分离电路，在时序 信号发生器的输出1作用下，提取出晶振环路和腔体环路的误差检测信号。 误差检测信号分别送入数字伺服电路，经过时序信号发生器输出3的同步， 伺服电路采集相邻两个半周期的检测信号，比较检测信号的差异得到误差信 号，通过计算得到实际电压控制量分别输出给晶体振荡器和坐落在微波谐振 腔上的变容二极管的压控端上用以锁定氢原子钟。
整个系统的操作过程为伺服系统上电复位后，主控制芯片DSP(TMS320LF2407)等待消隐信号的下降沿到来，当消隐信号下降沿到达时， DSP响应外部中断，由内置的SPI总线的输出端向AD转换器AD7321发送 串行控制字，而SPI总线的输入端同时接收上一次AD转换后的结果，并对 读取的数据进行计数，当计数值达到需要的值时，对读取的前、后半周期检 测值进行均值滤波，最后完成数据读取。DSP在读取完AD转换的数据并均 值滤波后，将标志位flag2的值加1 ，并判断是否达到2，如果满足则表明这 次采样的数据为后半周期的值，则将前半周期与后半周期的值相减作为一次 误差输入量；如果标志位flag2的值没有达到2，则说明这次的采样数据为前 半周期的值，则将前半周期的值存储并等待下一次消隐信号的到来采集后半 周期的输入量。
DSP在得到一次误差信号后，由内置的EV (事件管理器)模块中的捕 获中断引脚捕捉比率信号，当比率信号的下降沿或者上升沿来时，DSP响应 捕获中断，此时将腔体(晶振)的标志位置位。例如，标志位初始值为flagl=l (晶振有效)，首先响应比率信号的下降沿，进入中断程序后将标志位置位 flagl=0 (腔体有效)，同时改变捕获极性使得下一次则捕获比率信号的上升 沿，当上升沿到来时，再将标志位flagbl (晶振有效)，而下一次则又捕获 比率信号的下降沿，这样就可以周期性的对腔体和晶振的误差信号进行读取。 通过判断标志位flagl的值在消隐信号的外部中断中交替地对AD7321发送传 输控制字控制AD7321采集腔体或者晶振的误差信号。
由于氢原子频标的谱线宽度非常窄， 一般宽度只有几赫兹，超出此范围， 就不能获得系统的误差信号，从而也就无法锁定。因此在系统复位后首先初 始化晶振搜索电压的起始点，即DSP将伺服系统中的数字电位器的输出设定 为一个初始值，此后按照设定的步长每次递增DA转换器DAC7641的输出 从而增加晶振的控制电压，范围是-Umv"+Umv，当DAC7641的输出超出 范围时，则将其置零，同时将数字电位器的输出增加Vmv，进行下一个-Umv "+Umv的搜索，逐步搜索晶振的压控范围，直到找到锁定点为止，此时数 字电位器的输出固定在一个值保持不变。判断锁定点的条件是误差信号的积 分值连续减小4次。
另外，由于晶振误差信号只有在锁定点的附近才能出现，因此判断是否 达到锁定点时又加上了误差信号的绝对值必须大于一个特定的值的条件，必 须同时满足这两个条件才能认为真正进入了锁定点。这样避免了将晶振锁定在氢原子频标谱线外的假锁定现象。
如果在一次预锁定的电压搜索过程中不能满足所需的条件，则晶振电压 控制值会一直递增，当控制量的值超出一定的值时，那么就将晶振的控制量 重新设定成初始值，保证预搜索的电压值在有效范围内，再进行一遍预搜索 的操作，直到找到锁定点为止。
预锁定过程结束后，即进入正常的锁定状态，此时DSP将误差值经过 PID控制算法的计算得到晶振和谐振腔变容二极管的控制电压，最终输出锁 定晶振和腔频。在整个过程中，腔体环路周期内一直是按照控制算法来锁定 腔频的。另外，很重要的一点是为了减少腔体环路和晶振环路之间的互相干 扰，在腔体和晶振周期的每次转换处，DSP将前几次的误差量舍弃，不对晶 振和变容二极管作修正。
最后对鉴频原理(晶振环路)作一下说明。
在被动型氢原子钟系统中，氢原子跃迁谱线起到鉴频器的作用。送往微
波腔的探测信号在/;与/2之间内被方波调制，如图6所示，频率/与/2对称
分布在超精细跃迁频率/。的两侧。 我们定义
" 2
式中/。为10MHz晶振输出频率，M为综合器的倍频因子。晶振环路的目的就 是来使下式成立-
也即:
我们定义:
A - 乂 - - yj) /2n
r
2
r
2 m
(2)
(3)
(4)
(5)
其中y;为探测信号，厶为调频幅度。这里乙为方波调制信号的周期，若z; 大于原子与微波场相互作用时间(实验中采用的7;为ls，通过测量相互作用
时间约为150ms)，那么响应曲线强度(探测信号与原子共振相互作用的强
弱)6,在各自半周期内达到其稳态值。若《)和e为两半周期的响应，并且
很小，那我们得到<formula>formula see original document page 12</formula>经过放大、混频、检波、解调后的误差信号为
式中^是常数，与基波系数，耦合环的耦合系数，电子电路增益有关' 解调函数为
<formula>formula see original document page 12</formula>假若谐振腔的频率/e被调到原子谐振频率上，即:
<formula>formula see original document page 12</formula>(10)
又由于《及其偏导数^分别为频率偏移/-/。的偶函数和奇函数，那么，从 (6)、 (7)、 (8)可以得到误差信号
<formula>formula see original document page 12</formula>(11)
由此可见，对于一个给定的频率偏移/;-/。当/。-厶和/;+厶位于量子响 应曲线的拐点时误差信号幅度最大。误差信号",经过伺服系统的处理后，加 于晶振的压控端，使得《=0。腔体环路与晶振环路类似。
前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用 或利用本发明。对该较佳实施例，本领域内的技术人员在不脱离本发明原理 的基础上，可以作出各种修改或者变换。应当理解，这些修改或者变换都不 脱离本发明的保护范围。
权利要求
1、一种用于被动型氢钟的控制方法，晶振环路和腔体环路的微波探测信号是分时馈入到微波谐振腔内的；该方法包括如下步骤在晶振环路中，将10MHz晶体振荡器的频率锁定在氢脉泽的谱线上；在腔体环路中，将谐振腔的频率锁定在10MHz的晶体振荡器上；把两个高准确度、对称分布在氢原子跃迁谱线中心频率两侧不同频率的微波信号，交替地馈入到微波腔中，在微波场与氢原子相互作用下给出了两个相邻半周期的检测信号，通过直接比较这两个信号强度，其差异量用以改变晶振的控制量来锁定晶振的频率；把两个高准确度、对称分布在微波腔响应曲线中心频率两侧不同频率的微波信号，交替地馈入到微波腔中，在微波场与微波腔响应曲线相互作用下给出了两个相邻半周期的检测信号，通过直接比较这两个信号强度，其差异量用来改变坐落在微波腔内的变容二极管上的电压控制量使微波腔频率锁定在10MHz晶振上。
2、 如权利要求1所述的一种用于被动型氢钟的控制方法，其特征在于， 将所述差异量经过控制算法计算得到晶振和谐振腔变容二极管的控制电压，最 终输出锁定晶振和腔频；在整个过程中，腔体环路周期内一直是按照控制算法 来锁定腔频的，而晶振环路周期是要先经过一个预锁定过程后再按照控制算法 来锁定的，在腔体和晶振周期的每次转换处，将前几次的差异量舍弃，不对晶 振和变容二极管作修正。
3、 一种实现如权利要求1或2所述方法的控制电路，其特征在于，包括 探测信号产生电路和信号处理电路；所述探测信号产生电路包括-时序信号发生器，接收一时钟信号并生成比率信号、调制信号和消隐信号； 跳频信号发生器，接收所述时钟信号以及来自时序信号发生器的调制信号；开关，接收来自时序信号发生器的比率信号以及来自跳频信号发生器的输 出信号；频率倍频器，接收所述时钟信号；所述开关的输出信号以及频率倍频器的输出信号经混频后得到探测信号， 周期性地送至微波谐振腔；所述信号处理电路包括 振荡器；包络检波器，接收经放大的探测信号和来自振荡器的信号混和放大成的中 分离电路，接收来自包络检波器的输出信号以及所述比率信号，提取出误差检测信号；数字伺服电路，接收所述消隐信号、比率信号以及来自分离电路的误差检 测信号，将计算得到的实际电压控制量发送到10MHz晶体振荡器和坐落在微 波谐振腔上的变容二极管压控端上。
4、 如权利要求3所述的一种用于被动型氢钟的控制电路，其特征在于， 所述时钟信号由一个10MHz晶体振荡器产生，该10MHz晶体振荡器接收所 述实际电压控制量。
5、 如权利要求4所述的一种用于被动型氢钟的控制电路，其特征在于， 所述跳频信号发生器是两个开关综合器，该两个开关综合器分别交替输出频率 为20.405751MHz+fm和20.405751MHz-fm的信号，其中fm为系统的调频幅度，在晶 振环路和腔体环路中人为不同的值，其大小取决于氢原子跃迁谱线和微波腔响 应曲线的带宽。
6、 如权利要求5所述的一种用于被动型氢钟的控制电路，其特征在于， 所述开关综合器包括数字鉴相器、环路滤波器和压控振荡器；数字鉴相器对压 控振荡器输出的20.405751MHz土人信号分频到2.5MHz之后和原子钟的lOMHz 信号分频到2.5MHz的频率进行鉴相；所述开关综合器在方波调制信号的控制 下周期地改变分频系数，从而交替输出频率为20.405751MHz+fm和 20.40575lMHz-fm的信号。
7、 如权利要求4所述的一种用于被动型氢钟的控制电路，其特征在于， 所述跳频信号发生器包括一个直接数字频率合成器和一个单片机；所述单片机 在比率信号的控制下，对直接数字频率合成器芯片内的寄存器分时地置入控制 数，而将调制信号接到直接数字频率合成器芯片的FSK输入端。
8、 如权利要求7所述的一种用于被动型氢钟的控制电路，其特征在于，所述单片机为89C52型单片机，所述直接数字频率合成器为AD9852型直接 数字频率合成器。
9、 如权利要求3所述的一种用于被动型氢钟的控制电路，其特征在于， 该控制电路还包括一个可变衰减器，该可变衰减器接收所述比率信号；所述探 测信号经过该可变衰减器后再周期性地送至微波谐振腔。
10、 如权利要求4至8中任一权利要求所述的一种用于被动型氢钟的控制 电路，其特征在于，该控制电路还包括一个可变衰减器，该可变衰减器接收所 述比率信号；所述探测信号经过该可变衰减器后再周期性地送至微波谐振腔。
全文摘要
本发明公开了一种用于被动型氢钟的控制方法及控制电路，晶振环路和腔体环路的微波探测信号是分时馈入到微波谐振腔内的在晶振环路中，将10MHz晶体振荡器的频率锁定在氢脉泽的谱线上；在腔体环路中，将谐振腔的频率锁定在10MHz的晶体振荡器上；把两个对称分布在氢原子跃迁谱线中心频率两侧及微波腔响应曲线中心频率两侧不同频率的微波信号交替馈入微波腔中；比较微波场与氢原子相互作用下给出的两个相邻半周期的检测信号强度，差异量用以改变晶振的控制量来锁定晶振的频率；比较微波场与微波腔响应曲线相互作用下的两个相邻半周期的检测信号强度，差异量用以改变坐落在微波腔内的变容二极管上的电压控制量使微波腔频率锁定在10MHz晶振上。
文档编号H03L7/26GK101409556SQ20071004696
公开日2009年4月15日 申请日期2007年10月11日 优先权日2007年10月11日
发明者刘铁新, 戴家瑜, 林传富, 陈文星 申请人:中国科学院上海天文台