[發(fā)明專利]基于芯片原子鐘的微型低功耗主動數(shù)字溫控裝置及方法

有效

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• 申請日: 2018-07-04
• 公開（公告）號: CN108873977B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張彥軍;劉召軍;李云超;張亮
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號: G05D23/24
• 分類號: G05D23/24
• 代理公司: 武漢華旭知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所 42214
• 代理人: 邱琳

本發(fā)明提供了一種基于芯片原子鐘的微型低功耗主動數(shù)字溫控裝置，包括溫度控制模塊，溫度控制模塊與溫度采集模塊和恒溫模塊連接，溫度控制模塊采用PIC單片機，溫度采集模塊包括一組熱敏電阻，通過信號調(diào)理電路接入PIC單片機的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，恒溫模塊包括TEC和ITO加熱膜，TEC和ITO加熱膜通過驅(qū)動電路與PIC單片機的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器以及PWM連接，該裝置體積小、功耗低，能夠改善目前模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、可控性差、穩(wěn)定性差的現(xiàn)狀，解決FPGA電路體積大、功耗高、調(diào)整不方便的問題。本發(fā)明同時提供了一種主動溫控方法，采用主動性溫控，實現(xiàn)PID算法自動主動溫控，響應(yīng)快速、精度高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于芯片原子鐘的微型低功耗主動數(shù)字溫控裝置及方法，適用于高集成度、高性能的芯片級原子鐘，屬于原子鐘技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

原子鐘是一種利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波來計時的精密時間計量儀器，廣泛應(yīng)用于定位、導(dǎo)航、通信、軍事等多個領(lǐng)域。由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進行控制，原子鐘的計時就可以非常準(zhǔn)確，精度可以達到每2000萬年誤差1秒，這為天文、航海、宇宙航行提供了強有力的保障。

其中，芯片原子鐘(Chip Scale Atomic Clock，CSAC)由于體積小、重量輕、功率消耗小等優(yōu)點，在便攜式低能耗的守時定時和導(dǎo)航領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用前景。目前國外CSAC技術(shù)研制出的芯片原子鐘的頻率穩(wěn)定度基本滿足了應(yīng)用需求，但體積和功耗上仍然離設(shè)定的目標(biāo)值相差一個數(shù)量級。國內(nèi)的芯片原子鐘研究起步較晚，技術(shù)不成熟，解決穩(wěn)定度、功耗和體積等方面的技術(shù)瓶頸迫在眉睫。

在穩(wěn)定度方面，芯片原子鐘的VCSEL(Vertical Cavity Surface EmittingLaser，垂直共振腔表面放射激光器)和原子氣室部分的溫度會對原子鐘的穩(wěn)定產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)VCSEL的溫度波動較大時，出射光頻在一個比較大的范圍內(nèi)波動，使VCSEL的光頻鎖定環(huán)路無法對其進行鎖定。另外，原子氣室也需要工作在一個穩(wěn)定的溫度，才能產(chǎn)生良好的CPT(相干布局囚禁Coherent Population Trapping，CPT)現(xiàn)象。所以，溫度的穩(wěn)定性對于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度將起到很大的作用。在功耗方面，原子氣室需工作在80℃～100℃，由于目標(biāo)工作溫度較高，能量傳遞損耗等因素，溫控部分的功耗較高，降低溫控裝置的功耗對于降低原子鐘的總功耗將會起到至關(guān)重要的作用。在體積方面，芯片原子鐘目前已達到16cm³～20cm³，對于尺寸要求苛刻的便攜式設(shè)備來說，體積問題嚴重限制了芯片原子鐘的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的溫控電路多采用模擬電路實現(xiàn)，利用橋式電路檢測熱敏電阻與預(yù)置電阻的差值，該差值經(jīng)運算放大及PID(比例(proportion)、積分(integral)、微分(derivative))電路處理后調(diào)節(jié)TEC(Thermo Electric Cooler，半導(dǎo)體制冷器)的加熱制冷電流。在設(shè)計中預(yù)置電阻等電路元件的精度會對整個系統(tǒng)造成誤差。另外，模擬PID電路調(diào)試比較復(fù)雜，不利于電路的開發(fā)。傳統(tǒng)模擬溫控電路在對溫度進行控制時存在調(diào)試復(fù)雜、功耗高、精度低及可控性差等缺點，目前溫控的為控芯片有51系列、ARM系列單片機或FPGA等，這幾類為控芯片體積較大、功耗較高、精度較低。

另外一種采用基于FPGA(Field－Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)的CPT原子鐘數(shù)字溫控方案。此方案多采用FPGA與ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)及DAC(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)的組合。FPGA通過ADC采集熱敏電阻的電壓信號，由DAC輸出控制信號，對金屬加熱絲的功率進行控制，并對原子鐘系統(tǒng)進行真空密封保溫。但真空保溫大大增加了系統(tǒng)體積，且不方便調(diào)整，因此此方案具有體積大、功耗高、加熱不均勻及調(diào)整不方便等缺點。

除此之外的現(xiàn)有方案也都為被動型溫控，僅根據(jù)VCSEL和原子氣室的溫度變化進行溫度糾正，使之在小范圍內(nèi)變化，穩(wěn)定性較差。

發(fā)明內(nèi)容