一种基于恒温的时域信号源装置的制作方法

本实用新型属于原子钟技术领域，尤其涉及一种基于恒温的时域信号源装置。

背景技术：

被动型铷原子频标中，物理系统是整个原子频标的核心部件，它提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线。经综合调制后，电子线路产生的源于石英晶体振荡器的带调制的微波探询信号作用于物理系统，经量子鉴频后，通过伺服电路对量子鉴频信息的处理，最终将本振的输出频率锁定在铷原子的基态超精细0－0跃迁中心频率上。现有大多数伺服电路根据综合提供的同步鉴相信号对量子鉴频信号进行同步鉴相，并根据鉴相结果信息采用独立的D/A压控本振的方式来实现整机的闭环锁定，最终通过本振输出稳定度较高的频率信号。在数字化普及的今天，加上社会对原子钟小型化的要求，以及GPS同步校准的推广，对现有原子钟提出了更加苛刻的要求，需要将伺服控制的各个环节集中在微小的处理器上通过合理的时序控制来完成任务。然而现有原子钟伺服电路部分大多数都还是模块化“单兵做战”的情况。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种原子钟控制时序的恒温信号源装置，能够将伺服控制的各个环节集中在微小的处理器上通过合理的时序控制来完成。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于恒温的时域信号源装置，包括参考源VCXO、射频信号产生模块、量子系统和伺服环路；还包括控制时序发生模块、逻辑门阵列、GPS信号接收机、温度控制模块、增益 控制模块和压控修正模块；控制时序发生模块分别连接参考源VCXO、GPS信号接收机、射频信号产生模块、逻辑门阵列、伺服环路和量子系统；射频信号产生模块与量子系统连接；量子系统连接伺服环路；伺服环路分别连接逻辑门阵列和压控修正模块；压控修正模块依次连接增益控制模块和参考源VCXO；温度控制模块与参考源VCXO连接。

在上述的基于恒温的时域信号源装置中，量子系统包括光谱灯、高速开关、磁屏、集成滤光共振泡和内磁场；逻辑门阵列的输入端分别连接控制时序发生模块和伺服环路，输出端连接伺服环路；控制时序发生模块输出端连接高速开关。

在上述的基于恒温的时域信号源装置中，温度控制模块包括电压源、温度采集模块、差分放大器A、负反馈电阻Rw和加热线圈环路；温度采集模块分别连接电压源和差分放大器A，差分放大器A分别连接负反馈电阻Rw、加热线圈环路和电压源。

在上述的基于恒温的时域信号源装置中，温度采集模块包括两个电阻R、电阻R1和电阻Rk组成的电桥；且两个电阻R以及电阻R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值与电阻Rk相当。

在上述的基于恒温的时域信号源装置中，电阻Rk为热敏电阻，且贴于温度控制模块的表面，用于感知实际工作环境温度。

在上述的基于恒温的时域信号源装置中，电阻Rw采用数字电位计。

在上述的基于恒温的时域信号源装置中，温度控制模块置于参考源VCXO中。

在上述的基于恒温的时域信号源装置中，压控修正模块包括电桥测温模块、 电压跟随器A1、A2，差分放大器A3；电桥测温模块包括两个电阻R4、电阻R₀和电阻Rk1组成电桥，两个电阻R4以及电阻R₀为具有相同温度系数的电阻，其阻值与电阻Rk1相当。

在上述的基于恒温的时域信号源装置中，增益控制模块为增益线性调节电路A4；与差分放大器A3的输出端连接。

在上述的基于恒温的时域信号源装置中，电阻Rk1为热敏电阻，电阻R₀为热敏电阻传感器。

本实用新型的有益效果是：该恒温信号源装置满足了原子钟小型化的要求，通过得到原子钟时间参数Δt，产生检测用各路时序，可以实现GPS信号的修正，保持恒温的工作环境。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例基于恒温的时域信号源装置电路原理图；其中，1-量子系统、2-光谱灯、3-高速开关、4-磁屏、5-集成滤光共振泡、6-内磁场；

图2为本实用新型一个实施例奇数个非门串联信号传输示意图；

图3为本实用新型一个实施例环形振荡器串入原子钟系统示意图；

图4为本实用新型一个实施例控制时序产生模块的检测、调制、同步鉴相时序信号示意图；

图5为本实用新型一个实施例GPS秒脉冲、VCXO频率信号时序图；

图6为本实用新型一个实施例总时序控制图；

图7为本实用新型一个实施例温度控制模块电路原理图；其中，7-温度采集；

图8为本实用新型一个实施例增益控制模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例采用以下技术方案来实现，一种基于恒温的时域信号源装置，包括参考源VCXO、射频信号产生模块、量子系统和伺服环路；还包括控制时序发生模块、逻辑门阵列、GPS信号接收机、温度控制模块、增益控制模块和压 控修正模块；控制时序发生模块分别连接参考源VCXO、GPS信号接收机、射频信号产生模块、逻辑门阵列、伺服环路和量子系统；射频信号产生模块与量子系统连接；量子系统连接伺服环路；伺服环路分别连接逻辑门阵列和压控修正模块；压控修正模块依次连接增益控制模块和参考源VCXO；温度控制模块与参考源VCXO连接。

进一步，量子系统包括光谱灯、高速开关、磁屏、集成滤光共振泡和内磁场；逻辑门阵列的输入端分别连接控制时序发生模块和伺服环路，输出端连接伺服环路；控制时序发生模块输出端连接高速开关。

进一步，温度控制模块包括电压源、温度采集模块、差分放大器A、负反馈电阻Rw和加热线圈环路；温度采集模块分别连接电压源和差分放大器A，差分放大器A分别连接负反馈电阻Rw、加热线圈环路和电压源。

进一步，温度采集模块包括两个电阻R、电阻R1和电阻Rk组成的电桥；且两个电阻R以及电阻R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值与电阻Rk相当。

进一步，电阻Rk为热敏电阻，且贴于温度控制模块的表面，用于感知实际工作环境温度。

进一步，电阻Rw采用数字电位计。

进一步，温度控制模块置于参考源VCXO中。

进一步，压控修正模块包括电桥测温模块、电压跟随器A1、A2，差分放大器A3；电桥测温模块包括两个电阻R4、电阻R₀和电阻Rk1组成电桥，两个电阻R4以及电阻R₀为具有相同温度系数的电阻，其阻值与电阻Rk1相当。

进一步，增益控制模块为增益线性调节电路A4；与差分放大器A3的输出端连接。

更进一步，电阻Rk1为热敏电阻，电阻R₀为热敏电阻传感器。

具体实施时，如图1所示，涉及传统原子钟技术，参考源VCXO输出的频率信号经处理送至射频信号产生模块产生微波探询信号作用于量子系统，按照传统的量子鉴频技术产生量子鉴频信号输送至伺服环路，伺服环路产生量子纠偏信号即直流压控信号再反馈作用于VCXO，使其输出频率发生变化，再经上述路程形成闭环，最终将本振的输出频率锁定在集成滤光共振泡中的原子的基态超精细0－0跃迁中心频率上。

本实施例一种基于恒温的时域信号源装置,包括参考源VCXO、射频信号产生模块、量子系统、伺服环路和压控修正模块；还包括控制时序发生模块、逻辑门阵列、GPS信号接收机、温度控制模块、增益控制模块；控制时序发生模块分别连接参考源VCXO、GPS信号接收机、射频信号产生模块、逻辑门阵列、伺服环路和量子系统；射频信号产生模块与量子系统连接；量子系统连接伺服环路；伺服环路分别连接逻辑门阵列和压控修正模块；温度控制模块与参考源VCXO连接；参考源VCXO依次连接增益控制模块和压控修正模块。工作过程如下：

一、时间参数测量：

逻辑门阵列由控制时序发生，产生奇数级N个非门，其输入端接收来自于伺服环路的信号，其输出端反馈到量子系统的光谱灯模块中的高速开关，用以控制其状态‘开’或‘关’。

如图1所示，时域信号源装置开始工作时，假定此时刻光谱灯模块中的高速开关是‘开’状态，那么，光谱灯激励的光通过高速开关后直接进入集成共振滤光泡中，在传统原子频标原理的作用下，完成量子系统的量子鉴频。量子鉴频 信号经伺服环路得到的信号送入逻辑门阵列，因为上时刻光谱灯激励光能够透过集成滤光共振泡，故此时刻经伺服环路产生的信号是高电平‘1’，奇数级逻辑非门后变成低电平‘0’，作用于光谱灯模块中的高速开关，使其为‘关’状态。依次循环，在逻辑门阵列的输出端会出现‘1’—‘0’—‘1’…‘0’的变化，通过频率信号检测，我们即可得出相应的时间参数送至控制时序发生模块。

通过微处理器产生奇数个非门串接在一起，会产生自激振荡，该电路构成一个环形振荡器。设电路中非门的个数N为奇数，每个门电路的平均传输时延迟间为t，环形振荡器产生的振荡周期为T。假定某时刻A1点的初态为1，则经过1个传输延迟t后，A2点变为0，再经过1个传输延迟t，A3点变为1，…，奇数N个传输延迟Nt后，初态‘1’变为‘0’。同样的道理：初态‘0’变为‘1’。信号传输如图2所示，可以得到：

T0＝2Nt (1)

当上述环形振荡器串入原子钟系统后，如图3所示，在图3的频率信号检测端检测到的信号周期：

T1＝2(Nt+Δt) (2)

其中，Δt即为我们需要知道的原子钟时间参数。

通过公式(1)和(2)，可推导得出：

Δt＝(T1-T0)/2 (3)

上式中的Δt对于下一步工作展开非常重要：如图1所示，我们可以知道Δt由量子系统及外围的电路决定，而电子线路的响应时间是非常快的，通常也达到了10nS量级以上，所以决定Δt值的关键应该是如图1中的量子系统部分。在获得了式(3)中的Δt后，将它送至控制时序产生模块。

二、检测用各路时序的产生：

控制时序产生模块在获得了上述的时间参数Δt后，产生三路时序信号：检测、调制、同步鉴相，如图4所示。

在这里需要根据时间参数Δt来确定上述调制、同步鉴相信号的频率值 而检测信号则是4ν。其中：(1)、产生的调制信号送至射频信号产生模块，用于完成传统原子钟技术中的“综合调制”；(2)、产生的与上述调制信号同步同相的同步鉴相信号送至伺服环路，用于完成传统原子钟技术中的“同步鉴相”功能；(3)、产生的与上述调制、同步鉴相信号4倍频关系的检测信号送至伺服环路，用于后述各功能时序的检测。

如图4所示，分为四种情况：

1、微波探询信号的频率f大于(小于)原子跃迁中心频率fo且在原子吸收线宽范围之内时，即f>fo(f<fo)，经量子鉴频得到的图4所示未锁定频率信号与调制信号的频率一致，只是由于原子驰豫时间及相位时间延时而存在相位上的差异。

2、微波探询信号的频率等于原子跃迁中心频率时，即f＝fo，得到的信号频率是原调制信号的2倍，此时原子频标处于锁定状态，出现图4所示的锁定信号。

3、微波探询信号的频率大大远离原子跃迁中心频率时，即f未进入有效的量子鉴频吸收带宽范围之内，经处理后得到的信号将是一个持续的电平，此时原子频标处于脱锁状态。

4、另一种特殊的情况就是，光谱灯有一个张驰振荡的过程，此时从量子系统鉴频输出端会检测到高频无规律的信号波形，直至光谱灯进入正常工作状态， 而整个张弛振荡过程持续的时间由具体的整机冷态或热态决定。

对于这四种情况，采用4倍频调制信号的检测时序4ν的连续4个上升沿作为触发脉冲，分别对量子鉴频后的信号进行电平采样，并分别记录为D1、D2、D3、D4。

对于第一种情况，记录的4个电平中有3个低电平，1个高电平。伺服环路按照传统原子钟压控纠偏技术，发出纠偏电压信号至压控修正模块获得相应的单点直流纠偏电压作用于VCXO；

对于第二种情况，记录的电平有关系式：D1＝D3并且D2＝D4。此时伺服环路将不作用于压控修正模块，即VCXO不会受到直流纠偏电压作用；

对于第三种情况，记录的电平有关系式：D1＝D2＝D3＝D4。此时伺服环路将发出纠偏电压信号至压控修正模块，压控修正模块将按照预置的步进参数获得相应的直流纠集电压持续的作用于VCXO，实现对VCXO的扫频。

对于第四种情况，由于此时刻光谱灯处于张弛振荡过程，量子鉴频处的信号高频无规律，多组连续4个采样时序上升沿采样得到的数据中有可能会出现第一种情况或第二种情况或第三种情况，故无法通过采样电平进行判断，解决的方法是：由于在此环节中，所要判断的是原子频标是否处于锁定状态，第四种情况明显说明原子频标并未处于锁定，在以连续4个上升沿触发的4倍频调制信号频率的检测时序中，可以设置多于一组(连续4个上升沿触发为一组)采样的判断方式，对多组采样得到的电平分别作原子频标锁定状态判断，并对多组判断做与运算，得到最终的锁定状态判断结果，这样就能够很好的解决第四种情况带来的问题。此时伺服环路将不作用于压控修正模块，即VCXO不会受到直流纠偏电压作用。

三、GPS修正：

如图1所示，GPS接收机获得GPS卫星发送的信号，经转换处理后获得秒脉冲信号送至控制时序发生模块中，在秒脉冲的一个周期范围内对VCXO输出的频率信号进行计数并获得相应的修正值送至伺服环路，并通过压控修正模块输出相应的直流纠集电压作用于VCXO；对应的时序如图5所示。

GPS秒脉冲闸门信号，宽度为T。在高电平时，经t1时间后，VCXO频率信号第一个脉冲的上升沿，使计数器使能端有效，开始VCXO频率信号计数，当T秒后，GPS秒脉冲闸门低电平到来时，没有停止计数，经过t2时间后，等到随后而至的VCXO频率信号的上升沿到来时计数器关闭。这里使能信号(实际闸门信号)的时间宽度，恰好等于VCXO频率信号的完整周期数。根据上述相关参数：T、t1、t2、N，按照传统GPS时差比对技术可以获得对应的VCXO频率信号的修正值。

四、总时序的控制：如图6所示，图中以高电平代表使能，低电平代表停止。

五、控制模块：

1、温度控制模块：包含有温控芯片，用于控温，以及热敏电阻，用于测温。受中央处理器控制可以设定温度值T，由于整个温度控制模块置于高稳晶振VCXO的温控模块中，所以中央处理器可以设置对应的工作环境温度、以及获得实际的工作环境温度信息。其原理如图7所示：其中两个R以及R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值应该选择与Rk相当。这里R1的值反映了实际工作环境温度T。Rk为一个热敏电阻，它贴于温控模块的表面，用以感知实际的工作环境温度T。故当工作环境温度T无变化时，图7中电桥处于平衡，输送至 加热线圈环路的温度补偿电压值为0。一旦工作环境温度T发生变化，热敏电阻Rk的阻值将随温度升高而变小，随温度降低而变大，那么电桥两端存在电压差，经运算放大器A差分放大后变为温度补偿电压输送至电压源，同时输出给传统加热丝线圈环路。整个电路的放大增益由运算放大器的负反馈电阻Rw调节，Rw为一数字电位计，通过调节Rw的阻值以达到上述电路补偿因子改变功能。

2、增益调节模块：如图7所示，包括增益控制模块和压控修正模块，其中压控修正模块的桥路测温模块与温度控制模块中的温度采集模块原理一致。压控修正模块中的桥路测温主要由两个阻值相同的R4，一个预设温度值热敏电阻传感器Ro及测温热敏电阻Rk1组成。预设温度值热敏电阻传感器Ro决定了VCXO的工作环境温度。当VCXO工作环境温度恒定时，即热敏电阻Rk1测量值与预设值Ro相等，此时电阻桥路A、B端输出电压差将为0，整个压控模块输出端Uout输出为0。当VCXO工作环境温度发生改变时，则电桥的A、B端形成一定的电压差，通过电压跟随器A1及A2的传递送至A3进行差分放大，考虑到放大后的电压差能够有效的采集，所以在差分放大A3的输出端增加了一个增益线性调节电路A4。得到的电压差Uout与压控修正模块产生的压控电压求和后，送至VCXO模块。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。