[發明專利]恒溫晶體振蕩器高精度頻率控制裝置及其控制方法

在審

• 申請號: 201410611955.0
• 申請日: 2014-11-04
• 公開（公告）號: CN104506140A
• 公開（公告）日: 2015-04-08
• 發明（設計）人: 杜遠博;魏榮;董日昌;王育竹
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: H03B5/04
• 分類號: H03B5/04
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 張澤純;張寧展

技術領域

本發明涉及恒溫晶體振蕩器(OCXO)的高精度頻率控制方法，適用于原子頻標等對輸出頻率信號的控制分辨率和穩定度要求較高的領域。

背景技術

晶體振蕩器作為頻率信號源被廣泛使用。按照工作原理，晶體振蕩器可以分為溫度補償式晶體振蕩器(TCXO)、電壓控制式晶體振蕩器(VCXO、恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)等幾種類型。其中，恒溫晶體振蕩器具有低相位噪聲、高穩定度的優點，因而可以作為本機振蕩器應用在守時和授時的原子鐘系統上。

如博士論文《銣原子噴泉鐘的運行和性能評估》中所示，對恒溫晶體振蕩器的電壓控制可以通過采用數據采集卡輸出的16位DAC信號與精密參考電壓構成的比例加法電路來實現，選擇合適的比例系數(1/20或1/15)會使比例電路在一定程度上提高控制電壓的分辨率，并完成對恒溫晶體振蕩器的控制，對應恒溫晶體振蕩器(型號：BVA-8607，電壓分數頻率系數：6×10^-9/V)輸出頻率信號短期穩定度最好達到1.1×10^-13(@average?time:4s)。然而，這個頻率穩定度指標未能達到該恒溫晶體振蕩器標稱的頻率穩定度極限，偏大的頻率噪聲會通過微波綜合鏈傳遞給原子頻標的鑒頻頻率，由于本機振蕩器噪聲的頻率下轉換會影響周期性鑒頻的原子頻標的頻率穩定度(Dick效應)。另外，采用這種比例電路也會縮小實際輸出電壓的可調范圍。因而需要研制更加精密且范圍更寬的電壓控制單元，來改善受控的恒溫晶體振蕩器的短期頻率穩定度，進而改善原子頻標輸出頻率的穩定度。

發明內容

本發明的目的是旨在解決現有技術中恒溫晶體振蕩器頻率穩定度較差的問題，提高恒溫晶體振蕩器控制電壓的分辨率，改善恒溫晶體振蕩器輸出頻率的短期穩定度。

為了解決上述技術問題,本發明采用以下技術方案：

一種恒溫晶體振蕩器高精度頻率控制裝置，其特點在于，包括控制電腦、MCU單片機、高精度數字模擬轉換器(DAC)和恒溫晶體振蕩器；

所述控制電腦通過串口連接線與所述MCU單片機的RXD端口連接，所述MCU單片機的3個I/O端口分別通過連接線與所述高精度數字模擬轉換器的3個數字控制端口連接，該高精度數字模擬轉換器的模擬電壓輸出端與所述恒溫晶體振蕩器的電調控制端口連接。

還包括⁸⁷Rb原子噴泉裝置，該⁸⁷Rb原子噴泉裝置的輸入端與所述的恒溫晶體振蕩器的頻率輸出端相連，其輸出端與所述的控制電腦相連。

一種利用所述的恒溫晶體振蕩器高精度頻率控制裝置對恒溫晶體振蕩器進行高精度頻率控制的方法，其特點在于，該方法包括如下步驟：

①通電后進行初始化指定字符、數字控制電壓值Dn、高精度數字模擬轉換器由參考電壓輸入端接收參考電壓；

②控制電腦將該數字控制電壓值Dn轉化為串行指令輸出到MCU單片機的RXD端口；

③MCU單片機對輸入的串行指令進行判斷：

當該串行指令的首字符是指定字符時，將該串行指令轉化為三通道24bit的二進制指令并輸出給高精度數字模擬轉換器，進入步驟④，否則，不輸出任何指令；

④高精度數字模擬轉換器產生與指定字符對應的模擬電壓量，并輸入恒溫晶體振蕩器的電調控制端口，以控制恒溫晶體振蕩器的頻率輸出。

該方法還包括步驟⑤，用⁸⁷Rb原子噴泉的躍遷譜線對恒溫晶體振蕩器頻率進行鑒頻，并將誤差信號傳輸到控制電腦，控制電腦根據比例和積分反饋機制更新恒溫晶體振蕩器的控制電壓，從而將恒溫晶體振蕩器輸出頻率鎖定。

與現有技術相比，本發明的技術效果如下：

(1)DAC電壓輸出時延

本發明采用一旦通過LabVIEW程序寫給單片機控制指令，受控的DAC就同步更新輸出電壓的控制方式。在這種控制方式下，電平由低電平拉高時，DAC輸出電壓將更新。如圖2所示，DAC電壓切換相對于的時延約為4μs，這遠遠小于我們實驗室冷原子頻標的反饋周期(3.5s)，因而能夠滿足實驗需要。

(2)恒溫晶體振蕩器輸出頻率的穩定度