专利名称：一种改进的原子频标伺服系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及原子频标领域，特别涉及一种改进的原子频标伺服系统。
背景技术：
数字化集成芯片的广泛应用，为搭建集成度高、精度高的电路模块提供了先决条件。在原子频标伺服电路中，国内外均采用了 DDS(Direct DigitalSynthesizer,直接数字式频率合成器)和高集成度的处理器完成整个系统的闭环工作。在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:在具体的一台原子频标中，由于压控晶体振荡器的输出会受到温度变化的影响，而现有的由DDS及高集成度的处理器组成的伺服系统，无法解决温度变化带来的压控晶体振荡器的输出变化的问题，造成原子频标输出精度低。
实用新型内容为了解决现有技术的问题，本实用新型实施例提供了一种改进的原子频标伺服系统。所述技术方案如下:本实用新型实施例提供了一种改进的原子频标伺服系统，所述系统包括:用于对原子频标的物理单元输出的光检信号进行放大的放大模块；用于对所述放大模块放大后的信号进行同步鉴相，得到纠偏信号的同步鉴相模块；用于获取原子频标工作时压控晶振的工作环境温度的温度采集模块；用于将获取到的所述工作环境温度与参考工作温度的差值转换为补偿电压的温度补偿模块；用于采用所述补偿电压对所述纠偏信号进行补偿，得到压控电压，并将所述压控电压作用于所述压控晶振的压控变换模块；其中，所述放大模块分别与所述原子频标的物理单元和所述同步鉴相模块电连接，所述温度采集模块分别与所述压控晶振和所述温度补偿模块电连接，所述压控变换模块分别与所述同步鉴相模块、所述温度补偿模块以及所述压控晶振电连接。其中，所述同步鉴相模块包括:用于对所述放大模块放大后的信号进行采集的模数转换器；用于对所述模数转换器的采集值与参考信号进行同步鉴相，得到所述纠偏信号的处理器；所述模数转换器分别与所述处理器和所述放大模块电连接，所述处理器还与所述压控变换模块电连接。其中，所述温度采集模块包括热敏电阻Ra。其中，所述温度补偿模块包括:用于将所述温度采集模块获取到的所述工作环境温度与参考工作温度的差值转换为电压差的温度转换电路；[0018]用于对所述电压差进行差分放大，得到补偿电压的第一运算放大器A ;用于调节所述第一运算放大器A的增益值的负反馈电阻Rw ；其中，所述温度转换电路与所述温度采集模块电连接，所述第一运算放大器A的输入端与所述温度转换电路电连接，所述第一运算放大器A的输出端与所述压控变换模块电连接，所述负反馈电阻Rw连接在所述第一运算放大器A的反相输入端和输出端之间；相应地，所述处理器还与所述负反馈电阻Rw电连接，以通过控制所述负反馈电阻Rw的阻值调节所述第一运算放大器A的增益值。进一步地，所述温度转换电路包括电桥，所述电桥包括所述热敏电阻Ra、电阻Rl及两个电阻R，所述电阻Rl的电阻值与所述参考工作温度对应，且所述电阻Rl的温度系数与所述热敏电阻Ra相同。其中，所述压控变换模块包括:用于对所述补偿电压和所述纠偏信号的电压进行求和，得到所述压控电压的求和电路；用于输出所述压控电压作用于所述压控晶振的数模转换器；所述求和电路分别与所述同步鉴相模块和所述温度补偿模块电连接，所述数模转换器分别与所述求和电路和所述压控晶振电连接。其中，所述放大模块包括:用于对所述光检信号进行增益放大的程控放大单元；所述程控放大单元分别与所述原子频标的物理单元和所述同步鉴相模块电连接，相应地，所述处理器还与所述程控放大单元电连接，用以对所述程控放大单元的增益值进行控制。进一步地，所述程控放大单元包括差分仪用放大电路；所述差分仪用放大电路包括第二运算放大器Al、第三运算放大器A2、第四运算放大器A3和用于调节所述第四运算放大器A3增益值的数字电位计Rk，所述数字电位计Rk连接在所述第四运算放大器A3的反相输入端以及输出端之间，所述第四运算放大器A3的同相输入端与所述第二运算放大器Al的输出端电连接，所述第四运算放大器A3的反相输入端与所述第三运算放大器A2的输出端电连接，所述第二运算放大器和所述第三运算放大器的同相输入端与所述物理单元中的光电池电连接，所述第二运算放大器和所述第三运算放大器的反相输入端通过电阻Rf连接。本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是:通过将压控晶振工作时的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为电压，并将该电压补偿到纠偏信号中得到压控电压，再将压控电压作用于压控晶振，降低了工作环境温度对压控晶振的输出频率的影响，使得压控晶振输出的频率(即原子频标的输出频率)更稳定和精确。
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的一种原子频标的结构示意图；图2是本实用新型实施例提供的改进的原子频标伺服系统结构示意图；图3是本实用新型实施例提供的改进的原子频标伺服系统中温度采集模块和温度补偿模块的电路示意图；图4是本实用新型实施例提供的改进的原子频标伺服系统中放大模块的电路示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。下面先结合图1对原子频标的基本结构和工作原理进行简单介绍。该结构仅为举例，并不作为对本实用新型的限制。如图1所示，原子频标包括压控晶振1、隔离放大器2、微波倍混频模块3、物理单元
4、综合模块5以及伺服系统6。其中，压控晶振I用于输出原始频率信号；隔离放大器2用于将压控晶振I的输出频率信号进行隔离和放大；综合模块5用于产生综合调制信号；微波倍混频模块3用于对隔离放大器2的输出信号和综合模块5产生的综合调制信号同时进行倍频和混频，以产生微波探询信号；物理单元4用于对微波探询信号进行鉴频，产生光检信号；伺服系统6用于对光检信号进行选频放大和方波整形并与参考信号进行同步鉴相，产生纠偏电压作用于压控晶振1，以调整压控晶振I的输出频率；通过上述结构单元，最终将压控晶振I的输出频率锁定在原子基态超精细0-0中心频率上。实施例本实用新型实施例提供了一种改进的原子频标伺服系统，参见图2，该系统包括:用于对原子频标的物理单元输出的光检信号进行放大的放大模块201 ；用于对放大模块201放大后的信号进行同步鉴相，得到纠偏信号的同步鉴相模块202 ；用于获取原子频标工作时压控晶振200的工作环境温度的温度采集模块203 ；用于将获取到的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为补偿电压的温度补偿模块204 ；用于采用补偿电压对纠偏信号进行补偿，得到压控电压，并将压控电压作用于压控晶振200的压控变换模块205 ；其中，放大模块201分别与原子频标的物理单元和同步鉴相模块202电连接，温度采集模块203分别与压控晶振200和温度补偿模块204电连接，压控变换模块205分别与同步鉴相模块202、温度补偿模块204以及压控晶振200电连接。其中，同步鉴相模块202包括:用于对放大模块201放大后的信号进行采集的A/D(Analog to Digital Converter,模数转换器)；用于对A/D的采集值与参考信号进行同步鉴相，得到纠偏信号的处理器；A/D分别与处理器和放大模块201电连接，处理器还与压控变换模块205电连接。同步鉴相为现有技术这里不在赘述。[0051]参见图3，温度采集模块203包括热敏电阻Ra。参见图3，温度补偿模块204包括:用于将温度采集模块203获取到的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为电压差的温度转换电路；用于对电压差进行差分放大，得到补偿电压的第一运算放大器A ;用于调节第一运算放大器A的增益值的负反馈电阻Rw ；其中，温度转换电路与温度采集模块203电连接，第一运算放大器A的输入端与温度转换电路电连接，第一运算放大器A的输出端与压控变换模块205电连接，负反馈电阻Rw连接在第一运算放大器A的反相输入端和输出端之间；相应地，处理器还与负反馈电阻Rw电连接，以通过控制负反馈电阻Rw的阻值调节第一运算放大器A的增益值。进一步地，温度转换电路包括电桥，电桥包括热敏电阻Ra、电阻Rl及两个电阻R，电阻Rl的电阻值与参考工作温度对应，且电阻Rl的温度系数与热敏电阻Ra相同。具体地，温度转换电路包括电桥，该电桥包括热敏电阻Ra和一个电阻值与参考工作温度对应的电阻R1，且电阻Rl的温度系数与热敏电阻Ra相同；容易知道，该电桥还包括两个电阻R。电阻Rl的阻值表示的是参考工作温度。热敏电阻Ra贴于压控晶振200的表面，用以感知压控晶振200工作时的工作环境温度。故当压控晶振200的工作环境温度无变化时，图3中电桥处于平衡。压控晶振200的工作环境温度升高(降低)，则热敏电阻Ra的阻值将变小(变大)，那么电桥两端存在电压差。其中，负反馈电阻Rw可以是数字电位计。其中，压控变换模块205包括:用于对补偿电压和纠偏信号的电压进行求和，得到压控电压的求和电路；用于输出压控电压作用于压控晶振200的D/A (Digital to Analog Converter,数模转换器);求和电路分别与同步鉴相模块202和温度补偿模块204电连接，D/A分别与求和电路和压控晶振200电连接。容易知道，本实用新型实施例中A/D、D/A的范围不限于相同位数据采样，A/D、D/A也可应用于不同位采样；例如，选择8位A/D和10位D/A时，则将A/D的8位总路线直接接至10位D/A的低8位即可。进一步地，放大模块201包括:用于对光检信号进行增益放大的程控放大单元；程控放大单元分别与原子频标的物理单元和同步鉴相模块202电连接，相应地，处理器还与程控放大单元电连接，用以对程控放大单元的增益值进行控制。参见图4，程控放大单元包括差分仪用放大电路2011。该差分仪用放大电路2011包括第二运算放大器Al、第三运算放大器A2、第四运算放大器A3和用于调节第四运算放大器A3增益值的数字电位计Rk，数字电位计Rk连接在第四运算放大器A3的反相输入端以及输出端之间，第四运算放大器A3的同相输入端与第二运算放大器Al的输出端电连接，第四运算放大器A3的反相输入端与第三运算放大器A2的输出端电连接，第二运算放大器和第三运算放大器的同相输入端与光电池电连接，第二运算放大器和第三运算放大器的反相输入端通过电阻Rf连接。在原子频标中，两个光电池分别放置于原子频标中腔泡系统尾部两侦牝光电池接收光谱灯发出的光经过腔泡系统后照射出的光子，并形成光检信号光电流I1、12。光电池采集得到的光检信号11、12经阻抗变换后输送至第二运算放大器Al、第三运算放大器A2的同相输入端。程控放大单元中的增益值通过处理器改变数字电位计Rk的阻值进行调节，最终得到合适的信号输送到同步鉴相模块202。对于每一原子频标，由于物理系统及采用的压控晶振型号参数不同，故需要针对每一台原子频标中的程控放大单元中的增益值进行设置，找到满足实际工作要求的增益值。这里增益值主要是根据压控晶振的压控斜率获得，即施加在压控晶振上的电压值引起频率变化值。压控斜率数值是压控晶振厂商提供的，是程控增益大小设置的参考依据。本实用新型实施例通过将压控晶振工作时的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为电压，并将该电压补偿到纠偏信号中得到压控电压，再将压控电压作用于压控晶振，降低了工作环境温度对压控晶振的输出频率的影响，使得压控晶振输出的频率(即原子频标的输出频率)更稳定和精确。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种改进的原子频标伺服系统，其特征在于，所述系统包括: 用于对原子频标的物理单元输出的光检信号进行放大的放大模块(201); 用于对所述放大模块(201)放大后的信号进行同步鉴相，得到纠偏信号的同步鉴相模块(202)； 用于获取原子频标工作时压控晶振(200)的工作环境温度的温度采集模块(203)；用于将获取到的所述工作环境温度与参考工作温度的差值转换为补偿电压的温度补偿模块(204)； 用于采用所述补偿电压对所述纠偏信号进行补偿，得到压控电压，并将所述压控电压作用于所述压控晶振(200)的压控变换模块(205)； 其中，所述放大模块(201)分别与所述原子频标的物理单元和所述同步鉴相模块(202)电连接，所述温度采集模块(203)分别与所述压控晶振(200)和所述温度补偿模块(204)电连接，所述压控变换模块(205)分别与所述同步鉴相模块(202)、所述温度补偿模块(204)以及所述压控晶振(200)电连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述同步鉴相模块(202)包括:用于对所述放大模块(201)放大后的信号进行采集的模数转换器； 用于对所述模数转换器的采集值与参考信号进行同步鉴相，得到所述纠偏信号的处理器； 所述模数转换器分别与所述处理器和所述放大模块(201)电连接，所述处理器还与所述压控变换模块(205) 电连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述温度采集模块(203)包括热敏电阻Ra。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述温度补偿模块(204)包括:用于将所述温度采集模块(203)获取到的所述工作环境温度与参考工作温度的差值转换为电压差的温度转换电路； 用于对所述电压差进行差分放大，得到补偿电压的第一运算放大器A ; 用于调节所述第一运算放大器A的增益值的负反馈电阻Rw ； 其中，所述温度转换电路与所述温度采集模块(203 )电连接，所述第一运算放大器A的输入端与所述温度转换电路电连接，所述第一运算放大器A的输出端与所述压控变换模块(205)电连接，所述负反馈电阻Rw连接在所述第一运算放大器A的反相输入端和输出端之间；相应地，所述处理器还与所述负反馈电阻Rw电连接，以通过控制所述负反馈电阻Rw的阻值调节所述第一运算放大器A的增益值。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述温度转换电路包括电桥，所述电桥包括所述热敏电阻Ra、电阻Rl及两个电阻R，所述电阻Rl的电阻值与所述参考工作温度对应，且所述电阻Rl的温度系数与所述热敏电阻Ra相同。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压控变换模块(205)包括: 用于对所述补偿电压和所述纠偏信号的电压进行求和，得到所述压控电压的求和电路； 用于输出所述压控电压作用于所述压控晶振(200)的数模转换器； 所述求和电路分别与所述同步鉴相模块(202)和所述温度补偿模块(204)电连接，所述数模转换器分别与所述求和电路和所述压控晶振(200 )电连接。
7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述放大模块(201)包括: 用于对所述光检信号进行增益放大的程控放大单元； 所述程控放大单元分别与所述原子频标的物理单元和所述同步鉴相模块(202)电连接，相应地，所述处理器还与所述程控放大单元电连接，用以对所述程控放大单元的增益值进行控制。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述程控放大单元包括差分仪用放大电路(2011);所述差分仪用放大电路(2011)包括第二运算放大器Al、第三运算放大器A2、第四运算放大器A3和用于调节所述第四运算放大器A3增益值的数字电位计Rk，所述数字电位计Rk连接在所述第四运算放大器A3的反相输入端以及输出端之间，所述第四运算放大器A3的同相输入端与所述第二运算放大器Al的输出端电连接，所述第四运算放大器A3的反相输入端与所述第三运算放大器A2的输出端电连接，所述第二运算放大器和所述第三运算放大器的同相 输入端与所述物理单元中的光电池电连接，所述第二运算放大器和所述第三运算放大器的反相输入端通过电阻Rf连接。
专利摘要本实用新型公开了一种改进的原子频标伺服系统，属于原子频标领域。所述系统包括放大模块、同步鉴相模块、温度采集模块、温度补偿模块和压控变换模块；其中，放大模块分别与原子频标的物理单元和同步鉴相模块电连接，温度采集模块分别与压控晶振和温度补偿模块电连接，压控变换模块分别与同步鉴相模块、温度补偿模块以及压控晶振电连接。本实用新型通过将压控晶振工作时的工作环境温度与参考工作温度的差值转换为电压，并将该电压补偿到纠偏信号中得到压控电压，再将压控电压作用于压控晶振，降低了工作环境温度对压控晶振的输出频率的影响，使得压控晶振输出的频率(即原子频标的输出频率)更稳定和精确。
文档编号H03L7/26GK203166871SQ20132003942
公开日2013年8月28日 申请日期2013年1月24日 优先权日2013年1月24日
发明者雷海东 申请人:江汉大学