[發明專利]高速穩定的寬頻帶頻率電壓轉換方法、系統及存儲介質

在審

• 申請號: 202110131102.7
• 申請日: 2021-01-30
• 公開（公告）號: CN113162620A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 鄔黎明;羅順燁;郭彬;程冰;周順;楊秋海
• 申請（專利權）人: 杭州微伽量子科技有限公司
• 主分類號: H03L7/185
• 分類號: H03L7/185
• 代理公司: 杭州豐禾專利事務所有限公司 33214
• 代理人: 李久林

本發明一種寬頻帶頻率電壓轉換方法、系統及存儲介質，所述方法包括如下步驟：對輸入的頻率f進行鑒頻，若該頻率f不小于閾值f_thr，則首先對其進行降頻處理，使其頻率降至閾值f_thr以下后輸出；若該頻率f的頻率小于閾值f_thr，則直接將其輸出；將輸出的頻率轉換為數字信號；對所述數字信號進行計數，根據計數結果獲取與頻率f對應的電壓值；其中，1.5GHz≤f_thr≤2GHz。本發明拓寬了頻率電壓線性變換的范圍，且轉換速度高、抗干擾性強。

技術領域

本發明涉及頻率電壓轉換方法，尤其涉及一種高速穩定的寬頻帶頻率電壓轉換方法、系統及存儲介質。

背景技術

絕對量子重力儀是一種以原子作為質量體對重力進行測量的高精密儀器，以銣的一種同位素Rb₈₇作為質量體為例，其重力測量原理如下：在進行重力測量測量之前，首先通過由磁場及冷卻光束構成的（二維磁光阱和）三維磁光阱進行冷原子制備，關閉三維磁光阱的磁場及冷卻光束使得原子自由下落，原子下落過程中通過blow光束將對能級磁場敏感的原子吹散，提純對磁場不敏感的原子，而后開啟拉曼光束誘導Rb₈₇原子發生干涉，之后關閉拉曼光、開啟探測光對Rb₈₇原子處于兩個基態能級的原子數比例進行探測，最終根據拉曼光束的頻率和原子數比例計算得出所在重力場的重力值。這一過程中，吹送光束、blow光束、拉曼光束及探測光束均由同一激光器提供，且四者的頻率互不相同，不同光束的切換需要在極短的時間內完成，以吹送光束與blow光束為例，兩者的時間間隔僅為2-3ms，因此，激光器跳頻后的鎖頻速度直接影響相應光束的穩定性，進一步影響重力測量精度；基于此，如何在如此短的時間段內完成激光器出射頻率的跳轉及迅速鎖頻，盡量降低或避免頻率抖動，是目前絕對量子重力儀激光光源頻率控制方面的主要難點，也是提高絕對量子絕對重力儀性能指標的關鍵因素之一。

激光的跳頻及鎖頻過程通過電壓控制實現，這就使得該過程中頻率電壓轉換的精確度、速度等對激光跳頻、穩頻過程具有直接影響，公開號為CN107315440A的中國專利公開了一種高速寬頻帶頻率電壓轉換電路，該電路通過輸入信號的連續兩個上升沿對mos管進行開關，繼而對電容C進行充電，這樣，其開關的時間長短決定了電容的充電時長，繼而導致在不同頻率時經過電容積分的兩端電壓值呈現出差異；由于電容充電電流的非線性，相應的，頻率與電壓的關系也呈現出非線性，同時因為MOS管的響應速度相對較慢，對于高頻信號分辨能力較差，頻率與電壓的對應斜率較小，不能保證頻率電壓轉換精度。

ADI公司也推出過專門的用于頻率電壓轉換的芯片，只需要搭建簡單的外部電路就可以實現功能，方便工程師進行開發，中北大學發表的學術文章《一種頻率/電壓轉換電路的設計》基于的就是這種方法。該方法通過比較器將輸入信號轉換成數字信號，輸入AD650頻率電壓轉換芯片，該芯片輸出的即為對應頻率的電壓。但受限于芯片的性能，無法實現對頻率為1MHz以上信號的分辨；此外，由于芯片溫漂的存在，即使在頻率量程內也無法實現高精度的轉換。

公開號為CN 202998070 U的中國專利公開了一種數字型頻率電壓轉換電路，該電路課采用數字式的鑒頻方法，通過單片機對輸入頻率進行計數，采用“時間/周期”測頻法對信號的頻率進行精確測量，將該測量結果經處理后增加對應比例，再由數字模擬轉換器輸出對應電壓。該專利描述的方法對于低頻信號有較好的分辨能力，且電壓與頻率的對應關系為線性，但受限于單片機的性能，對于高頻段的信號不能準確分析，即其不能實現“寬頻帶”的頻率電壓轉換。

此外，上述的頻率電壓轉換方法普遍采用單片機的系統時鐘對輸入的數字信號進行計數，受限于奈奎斯特采樣定律，當輸入信號接近系統時鐘的二分之一時，計數將失效。所以只能在0.5Hz~20KHz頻率段工作。同時單片機的電平邏輯比較固定，當輸入信號的幅度較小時無法觸發對應的門電路，繼而使得處理器對輸入信號產生誤判。

發明內容