一种被动型铷原子频标的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及原子频标技术领域，尤其涉及一种被动型铷原子频标。包括用户终端模块、综合模块及依次电连接的压控晶振、隔离放大器、射频倍频模块、微波倍频模块、物理单元、伺服电路，伺服电路包括依次电连接的整形电路模块、相位检测模块、积分电路、模数转换器和数据处理模块，物理单元和综合模块的交流信号输出端与整形电路模块输入端电连接，数据处理模块的输出端及射频倍频模块的输出端均与用户终端模块电连接。伺服电路将频标的频率稳定度输入至用户终端模块，方便用户了解频标的工作状态稳定度。另外，综合模块采用直接数字式频率合成器代替传统的变容二级管调制电路，不受温度的影响，使得原子频标具有较高的稳定度。
【专利说明】
一种被动型挪原子频标
技术领域
[0001] 本实用新型涉及原子频标技术领域，尤其涉及一种被动型铷原子频标。
【背景技术】
[0002] 传统的被动型铷原子频标由物理单元及电子线路两大部分组成，其中物理单元包 括光谱灯、集成滤光共振泡、微波腔、光电探测器、C场、磁屏等组成；电子线路包括综合模 块、压控晶振、隔离放大器、射频倍频模块、微波倍频模块和伺服电路等。物理系统提供量子 鉴频基准，电子线路提供微波探询信号和锁频功能，将压控晶振的输出频率锁定在物理系 统的原子吸收峰上。
[0003] 原子频标广泛应用于卫星的定位、导航和通信、仪器仪表以及天文等领域，这就需 要原子频标均有较高的精度和稳定度，传统的原子频标不能对其工作状态的稳定度进行监 控，不利于原子频标的维护。此外，由于传统铷频标中采用了变容二级管调制电路，变容二 级管是温敏元件，当环境温度变化时，不可避免地造成方波调频的幅度发生变化，从而影响 铷频标的稳定度。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的在于提供一种被动型铷原子频标，其具有较好的稳定度，且便 于用户对其工作状态的稳定度进行监控。
[0005] 本实用新型的技术方案是：一种被动型铷原子频标，包括综合模块及依次电连接 的压控晶振、隔离放大器、射频倍频模块、微波倍频模块、物理单元和伺服电路，所述伺服电 路输出端与压控晶振连接，所述综合模块的输入端与隔离放大器输出端连接，综合模块的 输出端分别与射频倍频模块和伺服电路连接，还包括用于显示频标相关信息的用户终端模 块、用于无线通信的第一无线通信模块和第二无线通信模块，所述伺服电路包括依次电连 接的整形电路模块、相位检测模块、积分电路、模数转换器和数据处理模块，所述物理单元 和综合模块的交流信号输出端与整形电路模块输入端电连接，所述隔离放大器的输出端及 数据处理模块的输出端分别通过第一无线通信模块和第二无线通信模块与用户终端模块 连接。
[0006] 进一步的，所述整形电路模块包括第一整形电路和第二整形电路，所述综合模块 的交流信号输出端与第一整形电路输入端电连接，所述物理单元的交流信号输出端与第二 整形电路输入端电连接，所述第一整形电路和第二整形电路输出端均与相位检测模块电连 接。
[0007] 进一步的，所述综合模块包括依次连接的相位累加器、直接数字式频率合成器和 低通滤波器，所述相位累加器的输入端与键控调频信号输出端和设定频率信号输出端连 接，所述直接数字式频率合成器的时钟信号输入端与压控晶振时钟信号输出端连接，所述 低通滤波器输出端分别与射频倍频模块和伺服电路连接。
[0008] 进一步的，所述物理单元包括集成滤光共振泡，所述集成滤光共振泡内充有缓冲 气体。
[0009]进一步的，所述直接数字式频率合成器采用AD9832芯片。
[0010]本实用新型的有益效果是:综合模块和物理单元光电池产生的两路交流信号，分 别通过整形电路整形，得到沿比较好的窄脉冲，然后送入相位检测电路进行鉴相，得到对应 两信号相位差的脉冲信号，经过积分变成相应的直流电压，经模数转换和数据处理后既能 得到一连串的频差值数据，从而可以计算出频率稳定度，将频标的频率稳定度通过无线通 信模块发送至用户终端模块，既能方便用户了解频标的工作状态稳定度，同时还能实现远 程监控，即便用户不在现场，也能了解频标的实施工况。另外，综合模块采用直接数字式频 率合成器代替传统的变容二级管调制电路，不受温度的影响，使得原子频标具有较高的稳
【附图说明】
[0011]图1为本实用新型连接原理框图；
[0012]图2为伺服电路内部模块连接关系图；
[0013]图3为伺服电路内部时序图；
[0014]图4为综合模块内部连接关系图；
[00?5]图中：1 一压控晶振，2-隔尚放大器，3-射频倍频模块，4一微波倍频模块，5-物 理单元，6-伺服电路，601a-第一整形电路，601b-第二整形电路，602-相位检测模块， 603-积分电路，604-模数转换器，605-数据处理模块，7-综合电路，701-相位累加器， 702-存储器，703-数模转换器，704-低通滤波器，8-用户终端模块，9 一第一无线通信模 块，10-第二无线通?目模块。
【具体实施方式】
[0016] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本实用新型进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新 型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的 技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0017] 如图1所示，本实用新型采用的被动型铷原子频标包括综合模块7、用户终端模块 8、第一无线通信模块9、第二无线通信模块10及依次电连接的压控晶振1、隔离放大器2、射 频倍频模块3、微波倍频模块4、物理单元5和伺服电路6。物理单元5内又包括光谱灯、集成滤 光共振泡、微波腔、光电探测器、C场、磁屏等。为使多普勒加宽大大减少，在集成滤光共振泡 中充以缓冲气体，本实施例中充入的缓冲气体一般是惰性气体或与87Rb原子作弹性碰撞的 非惰性气体。
[0018] 如图2所示，伺服电路6包括依次电连接的整形电路模块、相位检测模块602、积分 电路603、模数转换器604和数据处理模块605。整形电路模块又包括第一整形电路60 Ia和第 二整形电路601 b。其中，综合模块7的交流信号输出端与第一整形电路601 a输入端电连接， 所述物理单元5光电池的交流信号输出端与第二整形电路601b输入端电连接，第一整形电 路601a和第二整形电路601b输出端均与相位检测模块电连接602。
[0019] 如图3所示为伺服电路7处理前后的信号时序图。综合模块7和物理单元5光电池输 出两路交流信号至整形电路模块中进行处理，得到沿比较好的窄脉冲，然后送入相位检测 模块602中进行鉴相处理，得到对应两信号相位差的脉冲信号，经过积分电路几分处理，变 成相应的直流电压，将该直流电压进行模数转换，最后进行数据处理，可以得到纠偏电压和 频率的稳定性。将纠偏电压发送给压控晶振1，将频标的频率稳定性通过第二无线通信模块 10发送给用户终端模块8，同时，隔离放大器2通过第一无线通信模块9将其输出信号发送给 用户终端模块8,即可让用户了解目前原子频标整机的稳定性情况。用户终端模块8可以是 手机、平板电脑、手提电脑等，用户可以实现对频标的远程监控，即便用户不在现场，也能了 解频标的实施工况。
[0020]具体的积分细节如下：本实施例以8位模数转换器604采样为例，在数字信号上它 能够代表的数值范围为0-255,通常在测试前会要求用户给定一个校准值（比如122)，它用 来定义相位〇度时所对应的模数转换数字信号值，相应的可以容易地计算出相应的-1800、+ 1800的相位值所对应的模数转换数字信号值为61及186。若这样定义，那么最小分辨率大概 为30左右。以该模数转换器的校准值122,采集时间为10秒为例，实际采样过程中计算一次 需要1000个数据。我们取采集数据中第1个、第101个、第201个…电压数值V i,将其转化为相 位值约、W、…病，具体的转化公式为：
[0022]其中N为第i个1000个数据内3600完整的周期个数，Vi为第i个1000个数据时刻减 去第i-Ι个1000个数据时刻所对应的模数转换数值（有正负之分），Φ i即为所求的第i个 1000个数据时刻所经历的总相位值，则第i个1000个数据时刻差频数据心为：
[0024]按照该方法，可以获得一连串的频差值数据h。有了相应的匕值，将其代入以下公 式计算频率稳定度，并将结果输送至用户终端模块8,即可让用户了解目前原子频标整机稳 定性情况：
[0026] 其中τ为取样时间，h为上述数据处理获得的频率差值，m为测量次数。
[0027] 如图4所示为综合模块7的内部连接关系图。综合模块7主要由依次连接的相位累 加器701、直接数字式频率合成器和低通滤波器704组成。其中本实施例中的直接数字式频 率合成器采用AD9832芯片，其包括存储器702和数模转换器703。直接数字式频率合成器的 参考源为隔离放大器2输入至综合模块7的频率信号。相位累加器701的输入端输入有键控 调频信号（即79HZ调制方波信号)和频率设定信号。相位累加器701输出两个频率值F0、F1保 存在存储器702内，当AD9832芯片的FSELECT端口有方波信号输入时（即电平上升沿或下降 沿转换），AD9832芯片的IOUT端将会随之分别从存储器702中读出Fl或FO的值作为输出，并 且会保持信号的相位无变化。由于AD9832芯片的数模转换器703转换为数较多，进一步提高 了输出信号的质量。而为了提高相噪、抑制杂散等技术指标，本实施例在后面接入低通滤波 器704 了再进行输出。
[0028]以上所述，仅为本实用新型的【具体实施方式】，应当指出，任何熟悉本领域的技术人 员在本实用新型所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种被动型铷原子频标，包括综合模块(7)及依次电连接的压控晶振（I)、隔离放大 器(2)、射频倍频模块(3)、微波倍频模块(4)、物理单元(5)和伺服电路(6)，所述伺服电路 (6)输出端与压控晶振（1)连接，所述综合模块(7)的输入端与隔离放大器(2)输出端连接， 综合模块(7)的输出端分别与射频倍频模块(3)和伺服电路(6)连接，其特征在于:还包括用 于显示频标相关信息的用户终端模块(8)、用于无线通信的第一无线通信模块(9)和第二无 线通信模块(10)，所述伺服电路(6)包括依次电连接的整形电路模块、相位检测模块(602)、 积分电路(603)、模数转换器(604)和数据处理模块(605)，所述物理单元(5)和综合模块(7) 的交流信号输出端与整形电路模块输入端电连接，所述隔离放大器(2)的输出端及数据处 理模块(605)的输出端分别通过第一无线通信模块(9)和第二无线通信模块（10)与用户终 端丰旲块(8)连接。2. 如权利要求1所述的一种被动型铷原子频标，其特征在于:所述整形电路模块包括第 一整形电路(60 Ia)和第二整形电路(60 Ib )，所述综合模块(7)的交流信号输出端与第一整 形电路(601a)输入端电连接，所述物理单元(5)的交流信号输出端与第二整形电路(601b) 输入端电连接，所述第一整形电路(601a)和第二整形电路(601b)输出端均与相位检测模块 (602)电连接。3. 如权利要求1所述的一种被动型铷原子频标，其特征在于:所述综合模块(7)包括依 次连接的相位累加器(701)、直接数字式频率合成器和低通滤波器(704)，所述相位累加器 (701)的输入端与键控调频信号输出端和设定频率信号输出端连接，所述直接数字式频率 合成器的时钟信号输入端与压控晶振时钟信号输出端连接，所述低通滤波器(704)输出端 分别与射频倍频模块(3)和伺服电路(6)连接。4. 如权利要求1所述的一种被动型铷原子频标，其特征在于:所述物理单元(5)包括集 成滤光共振泡，所述集成滤光共振泡内充有缓冲气体。5. 如权利要求3所述的一种被动型铷原子频标，其特征在于:所述直接数字式频率合成 器采用AD9832芯片。
【文档编号】H03L7/26GK205490488SQ201620207801
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】孙永波
【申请人】江汉大学