一种铷原子频标电路的制作方法

本发明涉及一种铷原子频标电路，适用于原子频标领域。

背景技术：

原子频标是一种具有优良稳定度和准确度的频率源，已广泛应用于卫星定位和导航、守时授时、通信、仪器仪表以及天文等领域。伽原子频率标准(铆原子频标)因其具有体积小、重量轻、功耗低、成本低等优势而成为目前应用最为广泛的原子频标。随着社会生产力的提高和科学技术的发展，对时间频率计量准确度和精密度的要求越来越高。

由于铷原子频标的优势，即其量子物理部分很小、电子线路简单，使得其造价越来越低，体积也越来越小，已经在通信设备、仪器仪表等工程领域中逐渐代替了高稳定石英晶体振荡器的应用。特别是近10多年来，随着加工工艺和技术的发展，使得铷气泡、谐振腔体积变小，电子电路体积变小，这些都使得铷原子频标在频率稳定度指标、适应恶劣环境、小型化等方面取得重大进展，最终使得铷原子频标成为了使用数量最多的原子频标。

在国内，铷频标研制单位也不少，但是具有自主研发商品原子频标能力的单位只有四川天奥星华时频技术有限公司和武汉中科时润频标技术有限公司，它们的铷钟产品在国内获得广泛应用。

铷原子频标的研制方向主要有两个:一是高性能，二是小型化。高性能主要是指对频率准确度、相位噪声等指标要求进行改善，是考虑到铷频标对环境的适应性，减小外部干扰对其的影响。小型化主要是考虑到经济成本，力求做到体积小、重量轻、结构简单和功耗低等。

技术实现要素：

本发明提供一种铷原子频标电路，电路结构简单，调试方便，成本较低，可以实现快速启动且在干扰下失锁后能迅速的回到锁定状态。

本发明所采用的技术方案是：铷原子频标电路由伺服放大器电路、积分扫描控制电路、压控晶体振荡器电路、三倍频电路和系统电源电路组成。

所述伺服放大器电路由三级电容耦合放大电路，第一路是经过两级放大得到同相信号，第二路是经过三级放大得到反相信号。Vin是经前级放大的光吸收信号，R1、R2和R4、R5和R8、

R9分别决定三个放大器的增益，而反馈电阻和反馈电容决定其通带截止频率，第一级和第二级放大电路都是带通滤波放大。

所述积分扫描控制电路中，A点断开时，同步解调器得到的误差信号1将作为反相积分U3的输入信号，反相积分U3对误差信号1进行积分，得到压控晶体振荡器的纠偏电压Vcon，反相积分器的输出与其正负输入端的电压差成比例，当负输入端比正输入端高1V时，其输出以O.5V/s的速度减小，直到达到其最小输出或者正负输入端没有电压差时，输出才保持不变。

所述压控晶体振荡器电路采用了结构简单、容易起振和调试简单的柯尔匹兹振荡电路实现，变容二极管采用与石英谐振器串联模式。控制电压vcon是由积分扫描控制电路的输出提供。压控晶体振荡器控制电压在枷原子频标锁定情况下为5.5V，这时的输出频率为20MHz，当铆原子频标没有锁定时，其压控电压的范围是:O.5V～11.5V。压控晶体振荡器的输出频率以20MHz为中心，调谐范围约1KHz。

所述三倍频电路采用了自偏置方式，Cl为隔直电容，Re为射极偏置电阻，利用射极电流在其压降得到适当的压降。Ll为隔交流电感，C3为输出隔离耦合电容，C2和L2组成谐振回路，调谐于60MHz。

所述系统电源电路中，Q1为N沟道的结型场效应管2N4091，其夹断电压UGS(off)=-40V，稳压管D4的稳压电压为6.2V； Q2为TIP31C功率三极管，其集电极峰值电流可达5A。

初始状态下，24V的直流电压通过保险管和防反偏压二极管后输入到场效应管Ql漏极和三极管Q2集电极，由于此时Q1的栅极和源极电压VGS=0，其耗尽层很窄，导电沟道很宽，漏源之间电阻R_DS仅为30欧，使得电压几乎全部加到Q2基极上，Q2导通，其射极电压(VCC)比基极电压低一个pn结压降，R3与R6分压使得U1B负输入端电压小于稳压管D4的稳压值(U1B正输入端)，U1B的输出为高电平，比U1B的电源电压VCC低O.5V～1V，此高电平反馈到Ql栅极，使得Q耗尽层加宽，导电沟道变窄，VCC随之降低到22V左右。

本发明的有益效果是：电路结构简单，调试方便，成本较低，可以实现快速启动且在干扰下失锁后能迅速的回到锁定状态。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的伺服放大器电路。

图2是本发明的积分扫描控制电路。

图3是本发明的压控晶体振荡器电路。

图4是本发明的三倍频电路。

图5是本发明的系统电源电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，伺服放大器电路由三级电容耦合放大电路，第一路是经过两级放大得到同相信号，第二路是经过三级放大得到反相信号。Vin是经前级放大的光吸收信号，R1、R2和R4、R5和R8、

R9分别决定三个放大器的增益，而反馈电阻和反馈电容决定其通带截止频率，第一级和第二级放大电路都是带通滤波放大。

如图2, 积分扫描控制电路中，A点断开时，同步解调器得到的误差信号1将作为反相积分U3的输入信号，反相积分U3对误差信号1进行积分，得到压控晶体振荡器的纠偏电压Vcon，反相积分器的输出与其正负输入端的电压差成比例，当负输入端比正输入端高1V时，其输出以O.5V/s的速度减小，直到达到其最小输出或者正负输入端没有电压差时，输出才保持不变。

如图3，压控晶体振荡器电路采用了结构简单、容易起振和调试简单的柯尔匹兹振荡电路实现，变容二极管采用与石英谐振器串联模式。控制电压vcon是由积分扫描控制电路的输出提供。压控晶体振荡器控制电压在枷原子频标锁定情况下为5.5V，这时的输出频率为20MHz，当铷原子频标没有锁定时，其压控电压的范围是:O.5V～11.5V。压控晶体振荡器的输出频率以20MHz为中心，调谐范围约1KHz。

如图4，三倍频电路采用了自偏置方式，Cl为隔直电容，Re为射极偏置电阻，利用射极电流在其压降得到适当的压降。Ll为隔交流电感，C3为输出隔离耦合电容，C2和L2组成谐振回路，调谐于60MHz。

如图5，系统电源电路中，Q1为N沟道的结型场效应管2N4091，其夹断电压UGS(off)=-40V，稳压管D4的稳压电压为6.2V； Q2为TIP31C功率三极管，其集电极峰值电流可达5A。

初始状态下，24V的直流电压通过保险管和防反偏压二极管后输入到场效应管Ql漏极和三极管Q2集电极，由于此时Q1的栅极和源极电压VGS=0，其耗尽层很窄，导电沟道很宽，漏源之间电阻R_DS仅为30欧，使得电压几乎全部加到Q2基极上，Q2导通，其射极电压(VCC)比基极电压低一个pn结压降，R3与R6分压使得U1B负输入端电压小于稳压管D4的稳压值(U1B正输入端)，U1B的输出为高电平，比U1B的电源电压VCC低O.5V～1V，此高电平反馈到Ql栅极，使得Q耗尽层加宽，导电沟道变窄，VCC随之降低到22V左右。