专利名称：一种复现原子钟的输出频率的装置及方法
技术领域：
本发明涉及原子钟领域，特别涉及一种复现原子钟的输出频率的装置及方法。
背景技术：
随着科学技术的不断提高，人们对时间基准的要求越来越高，使得原子钟的应用范围也越来越广。特别地，在间断应用领域中，由于需时常对原子钟进行开机和关机，所以对原子钟整机的复现性要求非常高。其中，原子钟整机的复现性为，同类原子钟或者同一台原子钟多次开机时输出频率的一致性。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:由于物理系统及外围电路的特性，传统的原子钟的输出频率的复现性不高，不能适用于对原子钟整机的复现性要求高的应用领域。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种复现原子钟的输出频率的装置及方法。所述技术方案如下:一种复现原子钟的输出频率的装置，所述装置包括:采集模块，用于采集原子钟在重新开机后的输出频率；比较调节模块，用于将所述输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果，并根据所述比较结果，调节所述原子钟的谐振腔中的磁场大小，以使所述原子钟在重新开机后的输出频率恢复至所述预定输出频率。其中，所述采集模块包括:时钟源，用于提供时钟参考信号；计数单元，用于在所述时钟源提供的时钟参考信号下，对所述原子钟在重新开机后输出的频率信号进行计数，得到所述原子钟的输出频率值。进一步地，所述采集模块还包括:隔离放大器，用于对所述原子钟在重新开机后输出的频率信号进行隔离放大；相应地，所述计数单元用于，在所述时钟源提供的时钟参考信号下，对所述隔离放大器放大后的频率信号进行计数，得到所述原子钟的输出频率值。进一步地，所述采集模块还包括:寄存器，用于存储所述计数单元得到的所述输出频率值。其中，所述比较调节模块包括:处理器，用于获取所述输出频率与所述预定输出频率之间的差值，并根据预置的差值与所述原子钟的谐振腔外壁上绕制的C场线圈通过的电流值之间的对应关系，计算出所述差值对应的电流值，再根据计算出的电流值输出控制电压；数模转换器，用于将所述控制电压进行数模转换；
电压控制电流源恒流单元，用于根据转换后的控制电压调节所述C场线圈通过的电流，以使所述原子钟在重新开机后的输出频率恢复至所述预定输出频率。进一步地，所述处理器还用于，以放大后的所述原子钟输出的频率信号作为外部时钟参考信号，控制所述采集模块采集原子钟在重新开机后的输出频率。一种复现原子钟的输出频率的方法，所述方法包括:采集原子钟在重新开机后的输出频率；将所述输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果；根据所述比较结果，调节所述原子钟的谐振腔中的磁场大小，以使所述原子钟在重新开机后的输出频率恢复至所述预定输出频率。其中，所述米集原子钟在重新开机后的输出频率，包括:提供时钟参考信号；在所述时钟参考信号下，对所述原子钟在重新开机后输出的频率信号进行计数，得到所述原子钟的输出频率值。其中，所述将所述输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果，并根据所述比较结果，调节所述原子钟的谐振腔中的磁场大小，以使所述原子钟在重新开机后的输出频率恢复至所述预定输出频率，包括:获取所述输出频率与所述预定输出频率之间的差值；根据预置的差值与所述原子钟的谐振腔外壁上绕制的C场线圈通过的电流值之间的对应关系，计算出所述差值对应的电流值，再根据计算出的电流值输出控制电压；将所述控制电压进行数模转换；根据转换后的控制电压调节所述C场线圈通过的电流，以使所述原子钟在重新开机后的输出频率恢复至所述预定输出频率。本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:通过采集模块采集原子钟在重新开机后的输出频率，比较调节模块将所述输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果；根据所述比较结果，调节所述原子钟的谐振腔中的磁场大小；能够利用原子钟的输出频率与谐振腔中的磁场之间的转换关系来复现重新开机的原子钟的输出频率，适用于对原子钟的输出频率非常苛刻的应用领域。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明实施例提供的原子钟的结构示意图；图2是本发明实施例一提供的一种复现原子钟的输出频率的装置的示意图；图3是本发明实施例二提供的一种复现原子钟的输出频率的装置的示意图；图4是本发明实施例二提供的比较调节模块的示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。为便于对本发明实施例描述的技术方案的理解，首先对原子钟进行介绍。参见图1，原子钟包括物理系统1、伺服电路2、压控晶振3、倍混频单元4和综合器5。其中，物理系统I与伺服电路2和倍混频单元4连接；伺服电路2与压控晶振3、倍混频单元4和综合器5连接；倍混频单元4和综合器5分别与压控晶振2连接。物理系统I包括光谱灯la、集成滤光共振泡lb、谐振腔lc、C场线圈Id和光电池le。具体地,C场线圈Id绕制在谐振腔Ic外壁，为内置于谐振腔Ic内的集成滤光共振泡Ib中的原子共振提供磁场。实施例一参见图2，本发明实施例提供了一种复现原子钟的输出频率的装置，该装置包括:采集模块101，用于采集原子钟在重新开机后的输出频率。比较调节模块102，用于将该输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果，并根据比较结果，调节原子钟的谐振腔中的磁场大小，以使原子钟在重新开机后的输出频率恢复至预定输出频率。本实施例提供的上述装置带来的有益效果是:通过采集模块采集原子钟在重新开机后的输出频率，比较调节模块将输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果；根据比较结果，调节原子钟的谐振腔中的磁场大小；能够利用原子钟的输出频率与谐振腔中的磁场之间的转换关系来复现重新开机的原子钟的输出频率，适用于对原子钟的输出频率非常苛刻的应用领域。实施例二参见图3，本发明实施例提供了一种复现原子钟的输出频率的装置，该装置包括采集模块201和比较调节模块202。采集模块201，用于采集原子钟在重新开机后的输出频率。比较调节模块202，用于将该输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果，并根据比较结果，调节原子钟的谐振腔中的磁场大小，以使原子钟在重新开机后的输出频率恢复至预定输出频率。其中，采集模块201包括隔离放大器2011、时钟源2012、计数单元2013和寄存器2014。其中，隔离放大器2011的输入端与原子钟的输出端(图3中粗箭头方向)连接，隔离放大器2011的输出端与计数单元2012的输入端连接。隔离放大器2011用于对原子钟在重新开机后输出的频率信号进行隔离放大。其中，时钟源2012的输出端与计数单元2013的输入端连接，用于提供时钟参考信号。具体地，时钟源2012为不间断输出的高稳时钟源，包括但不限于氢原子钟、铯原子钟、以及来自于 GPS(Global Positioning System,全球定位系统)的 PPS(Pulses Per Second,每秒脉冲数)脉冲信号。其中，计数单元2013的输出端与寄存器2014的输入端连接。计数单元2013用于在时钟源2012提供的时钟参考信号下，对隔离放大器2011放大后的频率信号进行计数，得到频率值。具体地，计数单元2013接收来自于时钟源2012的不间断高稳时钟参考信号，将时钟参考信号用作内部计数时基；同时，计数单元2013接收来自于隔离放大器2011放大后的频率信号，并在比较调节模块202的“计数使能”命令字下参与频率计数，得到原子钟的输出频率值，并将频率值传递至寄存器2014。另外，从计数精度考虑，计数单元2013的计数位数取决于原子钟的复现性指标。该复现性指标为，原子钟输出频率变化值的绝对值相对于原子钟预定输出频率的变化率。例如，假设某一采样时间内原子钟预定输出频率为f^ixio7 (Hz)，原子钟实际输出频率为f=10,000,000.000,1 X (Hz)，其‘X’位值变化±1，即原子钟输出频率变化值的绝对值Af= 10_5 (Hz )，则复现性指标为:当原子钟的复现性指标为1X10_12时，计数单元2013至少能够分辨IXlO7X KT12=I X 10-5，即计数单元2013的计数位数至少为13位。其中，寄存器2014用于存储频率值。其中，比较调节模块202包括处理器2021、数模转换器2022和VCCS(VoltageControlled Current Source,电压控制电流源)恒流单元 2023。其中，处理器2021的输出端与寄存器2014的输出端连接，用于获取输出频率与预定输出频率之间的差值，并根据预置的差值与原子钟的谐振腔外壁上绕制的C场线圈通过的电流值之间的对应关系，计算出该差值对应的电流值，再根据计算出的电流值输出控制电压。
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具体地，如前所述，假设原子钟的预定输出频率为&，计数单元2013计数得到的频率值为f 与f之间的差值为Λ f。公知地，原子钟的输出频率f与磁场(C场)存在着如下关系:Λ f/f= 1.68 X KT7H Λ H......(I)其中，H为磁场大小，能通过C场线圈的电流值直接得到。Λ H为磁场的变化值，能通过C场线圈的电流变化值直接得到。而C场线圈的电流变化值为C场线圈的当前电流值与C场线圈的下一次电流值之间的差值。则可以通过(I)式建立Λ f与C场线圈电流值之间的对应关系，并根据对应关系计算Λ f对应的C场线圈的下一次电流值。另外，处理器2021的输入端与隔离放大器2011的输出端连接，处理器2021的输出端与计数单元2013的输出端连接，处理器2021以隔离放大器2011放大后的原子钟输出的频率信号作为外部时钟参考信号，用于计数单元2013的计数使能。其中，数模转换器2022的输入端与处理器2021的输出端连接，数模转换器2022的输出端与VCCS恒流单元2023的输入端连接。数模转换器2022用于将处理器2021输出的控制电压进行数模转换。其中，参见图4，VCCS恒流单元2023的输出端与C场线圈Id连接，用于根据数模转换器2022转换后的控制电压调节C场线圈Id通过的电流，以使原子钟在重新开机后的输出频率恢复至预定输出频率。本实施例提供的上述装置带来的有益效果是:通过采集模块采集原子钟在重新开机后的输出频率，比较调节模块将输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果；根据比较结果，调节原子钟的谐振腔中的磁场大小；能够利用原子钟的输出频率与谐振腔中的磁场之间的转换关系来复现重新开机的原子钟的输出频率，适用于对原子钟的输出频率非常苛刻的应用领域。实施例三本发明实施例提供了一种复现原子钟的输出频率的方法，该方法流程包括:步骤301:米集原子钟在重新开机后的输出频率。步骤302:将输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果，并根据该比较结果，调节原子钟的谐振腔中的磁场大小，以使原子钟在重新开机后的输出频率恢复至预定输出频率。本实施例提供的上述方法带来的有益效果是:通过采集原子钟在重新开机后的输出频率，将输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果；根据比较结果，调节原子钟的谐振腔中的磁场大小；能够利用原子钟的输出频率与谐振腔中的磁场之间的转换关系来复现重新开机的原子钟的输出频率，适用于对原子钟的输出频率非常苛刻的应用领域。实施例四本发明实施例提供了一种复现原子钟的输出频率的方法，该方法流程包括:步骤401:米集原子钟在重新开机后的输出频率。进一步地，本步骤包括:步骤4011:对原子钟在重新开机后的输出的频率信号进行隔离放大。具体地，可采用隔离放大器将原子钟在重新开机后的输出的频率信号进行隔离放大。步骤4012:提供时钟参考信号。具体地，时钟参考信号可由不间断输出的高稳时钟源提供。步骤4013:在时钟参考信号下，对放大后的频率信号进行计数，得到原子钟的输出频率值。具体地，采用计数单元进行计数。步骤4014:存储该输出频率值。具体地，可采用寄存器存储该输出频率值。步骤402:将输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果，并根据该比较结果，调节原子钟的谐振腔中的磁场大小，以使原子钟在重新开机后的输出频率恢复至预定输出频率。进一步地，本步骤包括:步骤4021:获取输出频率与预定输出频率之间的差值，根据预置的差值与原子钟的谐振腔外壁上绕制的C场线圈通过的电流值之间的对应关系，计算出差值对应的电流值，再根据计算出的电流值输出控制电压。具体地，假设输出频率为f，输出频率与预定输出频率之间的差值为Λ f，公知地，原子钟的输出频率f与C场存在着如下关系:Λ f/f= 1.68 X KT7H Λ H......(2)其中，H为磁场大小，能通过C场线圈的电流值直接得到。Λ H为磁场的变化值，能通过C场线圈的电流变化值直接得到。则可以通过(2)式计算差值对应的电流值。步骤4022:将控制电压进行数模转换。
具体地，可采用数模转换器进行数模转换。步骤4023:根据转换后的控制电压调节C场线圈通过的电流，以使原子钟在重新开机后的输出频率恢复至预定输出频率。具体地，可采用VCCS恒流单元调节C场线圈通过的电流值。本实施例提供的上述方法带来的有益效果是:通过采集原子钟在重新开机后的输出频率，将输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果；根据比较结果，调节原子钟的谐振腔中的磁场大小；能够利用原子钟的输出频率与谐振腔中的磁场之间的转换关系来复现重新开机的原子钟的输出频率，适用于对原子钟的输出频率非常苛刻的应用领域。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种复现原子钟的输出频率的装置，其特征在于，所述装置包括: 采集模块，用于采集原子钟在重新开机后的输出频率； 比较调节模块，用于将所述输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果，并根据所述比较结果，调节所述原子钟的谐振腔中的磁场大小，以使所述原子钟在重新开机后的输出频率恢复至所述预定输出频率。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采集模块包括: 时钟源，用于提供时钟参考信号； 计数单元，用于在所述时钟源提供的时钟参考信号下，对所述原子钟在重新开机后输出的频率信号进行计数，得到所述原子钟的输出频率值。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述采集模块还包括: 隔离放大器，用于对所述原子钟在重新开机后输出的频率信号进行隔离放大； 相应地，所述计数单元用于， 在所述时钟源提供的时钟参考信号下，对所述隔离放大器放大后的频率信号进行计数，得到所述原子钟的输出频率值。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述采集模块还包括: 寄存器，用于存储所述计数单元得到的所述输出频率值。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述比较调节模块包括: 处理器，用于获取所述输出频率与所述预定输出频率之间的差值，并根据预置的差值与所述原子钟的谐振腔外壁上绕制的C场线圈通过的电流值之间的对应关系，计算出所述差值对应的电流值，再根据计算出的电流值输出控制电压； 数模转换器，用于将所述控制电压进行数模转换； 电压控制电流源恒流单元，用于根据转换后的控制电压调节所述C场线圈通过的电流，以使所述原子钟在重新开机后的输出频率恢复至所述预定输出频率。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述处理器还用于， 以放大后的所述原子钟输出的频率信号作为外部时钟参考信号，控制所述采集模块采集原子钟在重新开机后的输出频率。
7.一种复现原子钟的输出频率的方法，其特征在于，所述方法包括: 采集原子钟在重新开机后的输出频率； 将所述输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果； 根据所述比较结果，调节所述原子钟的谐振腔中的磁场大小，以使所述原子钟在重新开机后的输出频率恢复至所述预定输出频率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述采集原子钟在重新开机后的输出频率，包括: 提供时钟参考信号； 在所述时钟参考信号下，对所述原子钟在重新开机后输出的频率信号进行计数，得到所述原子钟的输出频率值。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将所述输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果，并根据所述比较结果，调节所述原子钟的谐振腔中的磁场大小，以使所述原子钟在重新开机后的输出频率恢复至所述预定输出频率，包括:获取所述输出频率与所述预定输出频率之间的差值； 根据预置的差值与所述原子钟的谐振腔外壁上绕制的C场线圈通过的电流值之间的对应关系，计算出所述差值对应的电流值，再根据计算出的电流值输出控制电压； 将所述控制电压进行数模转换； 根据转换后的控制电压调节所述C场线圈通过的电流，以使所述原子钟在重新开机后的输出频率恢复至所述预定输出`频率。
全文摘要
本发明公开了一种复现原子钟的输出频率的装置及方法，属于原子钟领域。装置采集模块，用于采集原子钟在重新开机后的输出频率；比较调节模块，用于将输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果，并根据比较结果，调节原子钟的谐振腔中的磁场大小，以使原子钟在重新开机后的输出频率恢复至所述预定输出频率。方法采集原子钟在重新开机后的输出频率；将输出频率与预定输出频率进行比较，得到比较结果，并根据比较结果，调节原子钟的谐振腔中的磁场大小，以使原子钟在重新开机后的输出频率恢复至所述预定输出频率。本发明适用于对原子钟的输出频率非常苛刻的应用。
文档编号H03L7/26GK103138755SQ20131002597
公开日2013年6月5日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者雷海东 申请人:江汉大学