[實用新型]銣原子頻標數字伺服裝置

無效

• 申請號: 200720083602.3
• 申請日: 2007-02-16
• 公開（公告）號: CN201008146Y
• 公開（公告）日: 2008-01-16
• 發明（設計）人: 曹遠洪;張賢誼;康松柏;鐘達;梅剛華
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢物理與數學研究所
• 主分類號: H03L7/26
• 分類號: H03L7/26
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所
• 代理人: 王敏鋒

技術領域

本實用新型涉及銣原子頻標，具體地說是銣原子頻標的電子學系統，更具體涉及一種銣原子頻標數字伺服裝置，該裝置可用于制作小型化銣原子頻標。

背景技術

銣原子頻標是提供高穩時間頻率信號的設備，它具有體積小、重量輕的特點，是目前應用最廣泛的原子頻標。它的原理是利用銣原子躍遷譜線去鎖定壓控晶振，即銣原子頻標的物理系統通過輸出具有鑒頻特性的光檢信號并經同步鑒相后得到直流誤差信號去伺服壓控晶振。因此根據功能不同，銣原子頻標可以概括地分為物理系統和電子學系統，而電子學系統又可分為射頻倍頻鏈和同步伺服裝置。物理系統的作用是輸出光檢信號，該信號反映壓控晶振信號相對偏離原子譜線頻率的程度；而電子學系統的射頻倍頻鏈則把壓控晶振輸出頻率倍頻到銣原子躍遷頻率附近并進行一個小調頻去探詢銣原子躍遷，當輸入的微波信號與銣原子躍遷譜線頻率相等時，光檢輸出的鑒頻信號為調制信號的二次諧波信號，不相等而在原子躍遷譜線的吸收峰兩側(左或右)時，光檢輸出的鑒頻信號為相位相反的基波信號；電子學系統的同步伺服裝置將光檢信號進行基波的同步鑒相得到伺服壓控晶振的誤差信號。就銣原子頻標環路控制的實現而言，電子學系統的同步伺服裝置是整個頻標系統的核心，頻標進行參數優化時通常是改變該部分的相關參數去調整環路時間和增益，以獲得銣原子頻標最優的穩定度指標。因此，同步伺服裝置是銣原子頻標研究的重點之一。

銣原子頻標傳統的伺服裝置廣泛采用以模擬乘法器為基礎的同步鑒相電路，其技術手段是將光檢信號中的基波通過濾波器取出來與與調制信號同源且移相了的參考信號相乘，再把乘法器的輸出通過低通濾波器，把高頻信號濾掉后即為伺服壓控晶振的直流直流誤差信號；伺服裝置的主要有晶體二極管與變壓器組成的鑒相電路，以及采用場效應管組成的開關式鑒相電路。對于前者，由于需要變壓器，一般很難制作對稱性很好變壓器，且二極管存在非線性以及飽和壓降和反向漏電流大的不足，使這種方法在原子頻標中使用較少；對于后者，由于使用了有源的場效應管器件，其參數易受環境(如溫度)影響，會給帶來附加的誤差，電路結構也比較復雜。另外，由于低通部分的信號接近直流，其時間常數很大的，故構成這種伺服裝置的電容容量也就很大，就會采用性能相對較差的電解電容而可能導致電路的長期穩定性和可靠性降低。采用模擬伺服裝置制作的銣原子頻標在優化參數時，需要調節伺服裝置硬件參數，工作繁雜。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種銣原子頻標數字伺服裝置，具有硬件全數字化、結構簡單、濾波時間常數可任意設置、調試簡單等特點，可應用于小型化銣原子頻標。

為了實現上述目的，本實用新型采用的技術措施是：濾波放大電路的輸入端連接銣原子頻標物理系統光檢信號輸出端，濾波放大電路的輸出端連接單片機集成的ADC輸入端，單片機集成的12位DAC輸出端為鎖定指示端的輸出端，單片機的SPI0口通過光耦電路隔離后連接20位數模轉換器的SPI口，電壓基準電路的輸出端連接20位數模轉換器的電壓參考輸入端，20位數模轉換器的輸出端連接隔離放大電路的輸入端，隔離放大電路的輸出端連接銣原子頻標中壓控晶振的電壓調諧端。

銣原子頻標的物理系統包括銣光譜燈和腔泡系統，兩者直接連接，位于腔泡系統的光電池對物理系統內部發生的原子躍遷進行光檢測并輸出的光檢信號，光檢信號經過濾波放大電路進行放大和低通濾波后使信號幅度達到0-2.5V范圍，滿足單片機輸入幅度要求；采用的單片機為TI公司的超低功耗16位單片機MSP430F169，它內部集成了12位ADC電路和12位的DAC電路，單片機的ADC采用連續定時中斷方式對放大了的光檢信號進行采集和轉換，并在ADC中斷服務程序中對采集進來的基波同步軟件鑒相得到光檢信號中基波的幅度和，這個幅度和加上一個正的初值后經20位數模轉換器(DAC1220)轉換為模擬電壓信號，該電壓信號經隔離放大電路進行一定增益的放大后即為伺服壓控晶振的直流誤差信號。單片機MSP430F169與20位數模轉換器(DAC1220)之間采用SPI通訊，單片機進行同步軟件鑒相后得到的待轉換的數字信號即通過SPI數據發送給20位數模轉換器(DAC1220)進行數模轉換。為確保數模轉換的高精度，20位數模轉換器(DAC1220)與單片機之間的SPI通訊數據線采用光耦電路進行光電隔離，轉換所需的電壓基準為REF43電壓基準芯片提供，輸出模擬信號采用隔離放大電路進行隔離，以消除級間干擾。