專利名稱：原子頻標漂移修復系統(tǒng)及具有該系統(tǒng)的原子頻標的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及原子鐘領域，特別涉及一種原子頻標漂移修復系統(tǒng)及具有該系統(tǒng)的原子頻標。
背景技術：
原子頻標作為高穩(wěn)定、高精度的時間同步源，正被廣泛應用于航天、通訊等眾多領域?，F(xiàn)有的原子頻標主要包括壓控晶振、隔離放大器、倍混頻模塊、物理單元、綜合模塊以及伺服電路。其中，壓控晶振輸出原始頻率信號；隔離放大器將壓控晶振的輸出頻率信號進行隔離和放大；綜合模塊產(chǎn)生綜合調(diào)制信號和同步參考信號；倍混頻模塊對隔離放大器的輸出信號和綜合模塊產(chǎn)生的綜合調(diào)制信號同時進行倍頻和混頻，以產(chǎn)生微波探詢信號；物理單元對微波探詢信號進行鑒頻，產(chǎn)生光檢信號；伺服電路對光檢信號進行選頻放大和方波整形并與參考信號進行同步鑒相，產(chǎn)生糾偏電壓作用于壓控晶振，以調(diào)整壓控晶振的輸出頻率；通過上述結(jié)構(gòu)模塊，最終將壓控晶振的輸出頻率鎖定在原子基態(tài)超精細0-0中心頻率上。 在實現(xiàn)本實用新型的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術至少存在以下問題:原子頻標長時間連續(xù)工作時，其輸出頻率值隨著時間推移會緩慢地變化，甚至會單方向變化，這種頻率變化稱為頻率漂移，頻率漂移會導致原子頻標的頻率準確度降低，而現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的原子頻標無法消除上述頻率漂移。

實用新型內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術原子頻標長時間連續(xù)工作時，產(chǎn)生的頻率漂移的問題，本實用新型實施例提供了一種原子頻標漂移修復系統(tǒng)及具有該系統(tǒng)的原子頻標。所述技術方案如下:—方面，本實用新型實施例提供了一種原子頻標漂移修復系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:用于檢測原子頻標的C場線圈當前電流值的電流檢測模塊；用于根據(jù)所述原子頻標的輸出頻率測量所述原子頻標的頻率穩(wěn)定度的穩(wěn)定度檢測模塊，所述頻率穩(wěn)定度是指輸出頻率與額定頻率的差值與額定頻率的比值；數(shù)模轉(zhuǎn)換器、恒流源驅(qū)動模塊；用于根據(jù)頻率穩(wěn)定度與電流變化值的對應關系，獲得與所述穩(wěn)定度檢測模塊檢測到的頻率穩(wěn)定度對應的電流變化值，將所述電流變化值除以n得到第一電流值，依次取第一電流值的I至n倍與所述電流檢測模塊檢測到的所述當前電流值求和，并將每次求和后的電流轉(zhuǎn)換為對應的電壓值，通過所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器將所述對應的電壓值輸出至所述恒流源驅(qū)動模塊的調(diào)整端的處理模塊，其中n彡2 ;其中，所述穩(wěn)定度檢測模塊分別與所述原子頻標的隔離放大器和所述處理模塊電連接，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器分別與所述處理模塊和所述恒流源驅(qū)動模塊電連接，所述電流檢測模塊分別與所述處理模塊和所述恒流源驅(qū)動模塊電連接。優(yōu)選地，所述穩(wěn)定度檢測模塊為頻率穩(wěn)定度測試儀。其中，所述恒流源驅(qū)動模塊為電壓控制電流源。進一步地，所述恒流源驅(qū)動模塊包括:采樣電阻R5、運算放大器U2、差分放大器U3、電壓調(diào)整器U1、二極管D4和滑動變阻器Rll ;所述采樣電阻R5與所述C場線圈串聯(lián)且連接在所述運算放大器U2的兩輸入端之間，所述差分放大器U3的反相輸入端與所述運算放大器U2的輸出端連接，所述差分放大器U3的同相輸入端與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連，所述差分放大器U3的輸出端與所述電壓調(diào)整器Ul的調(diào)整端ADJ相連，所述電壓調(diào)整器Ul的輸入端與電源相連，所述電壓調(diào)整器Ul的輸出端與所述C場線圈相連；所述滑動變阻器Rll連接在所述運算放大器U2反相輸入端和輸出端之間；所述二極管D4與所述C場線圈并聯(lián)，且所述二極管D4的負極與所述電壓調(diào)整器Ul電連接。其中，所述電流檢測模塊包括:用于檢測所述采樣電阻R5兩端電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及用于根據(jù)采樣電阻R5的電阻值和所述采樣到的電壓計算所述C場線圈的當前電流值的計算單元，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別與所述采樣電阻R5和所述計算單元電連接，所述計算單元與所述處理模塊電連接。其中，處理模塊包括:用于根據(jù)頻率穩(wěn)定度與電流變化值的對應關系，獲得與所述穩(wěn)定度檢測模塊檢測到的所述頻率穩(wěn)定度對應的電流變化值的查找單元；用于將所述電流變化值除以n得到第一電流值，依次取第一電流值的I至n倍與所述電流檢測模塊檢測到的所述當前電流值求和，并將每次求和后的電流值轉(zhuǎn)換為對應的電壓值的求和單元，其中n彡2 ;用于通過所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器將所述對應的電壓值輸出至所述恒流源驅(qū)動模塊的調(diào)整端的輸出單元； 其中，所述計算單元分別與所述查找單元和所述輸出單元電連接。其中，所述處理模塊為微控制器或可編程邏輯控制器。另一方面，本實用新型實施例還提供了一種具有漂移修復系統(tǒng)的原子頻標，所述原子頻標包括:壓控晶振、隔離放大器、倍混頻模塊、物理單元、綜合模塊和伺服電路，所述隔離放大器分別與所述壓控晶振、所述倍混頻模塊以及所述綜合模塊電連接，所述倍混頻模塊分別與所述物理單元和所述綜合模塊電連接，所述伺服電路分別與所述壓控晶振、所述物理單元以及所述綜合模塊電連接，所述原子頻標還包括:如上所述的漂移修復系統(tǒng)，所述漂移修復系統(tǒng)分別與所述隔離放大器和所述物理單元電連接。本實用新型實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:通過檢測原子頻標的頻率穩(wěn)定度，并根據(jù)頻率穩(wěn)定度與電流變化值的對應關系，獲得與檢測到的頻率穩(wěn)定度對應的電流變化值，將電流變化值除以n得到第一電流值，依次取第一電流值的I至n倍與檢測到的當前電流值求和，并將每次求和后的電流轉(zhuǎn)換為對應的電壓值輸出至恒流源驅(qū)動模塊調(diào)整端，使得調(diào)整后的C場線圈電流得到電流變化值的調(diào)整，從而修復原子頻標的漂移量。

[0026]為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本實用新型實施例一提供的原子頻標漂移修復系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型實施例一提供的原子頻標漂移修復系統(tǒng)中恒流源驅(qū)動模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型實施例一提供的螺旋管式C場線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實用新型實施例二提供的具有漂移修復系統(tǒng)的原子頻標的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實用新型實施方式作進一步地詳細描述。實施例一本實用新型實施例提供了一種原子頻標漂移修復系統(tǒng)，參見圖1，該系統(tǒng)包括:電流檢測模塊101、穩(wěn)定度檢測模塊102、數(shù)模轉(zhuǎn)換器103、處理模塊104和恒流源驅(qū)動模塊105，穩(wěn)定度檢測模塊102分別與原子頻標的隔離放大器106和處理模塊104電連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器103分別與處理模塊104和恒流源驅(qū)動模塊105電連接，電流檢測模塊101分別與處理模塊104和恒流源驅(qū)動模塊105電連接，恒流源驅(qū)動模塊105還與C場線圈107電連接。其中，電流檢測模塊101用于檢測原子頻標的C場線圈107當前電流值；穩(wěn)定度檢測模塊102用于根據(jù)原子頻標的輸出頻率測量原子頻標整機的頻率穩(wěn)定度，頻率穩(wěn)定度是指輸出頻率與額定頻率的差值與額定頻率的比值；處理模塊104用于根據(jù)頻率穩(wěn)定度與電流變化值的對應關系，獲得與穩(wěn)定度檢測模塊102檢測到的頻率穩(wěn)定度對應的電流變化值，將電流變化值除以n得到第一電流值，依次取第一電流值的I至n倍與電流檢測模塊101檢測到的當前電流值求和，并將每次求和后的電流轉(zhuǎn)換為對應的電壓值，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器103將該對應的電壓值輸出值恒流源驅(qū)動模塊105的調(diào)整端，其中n > 2。容易知道，上述將電流變化值等分為n份，依次增大設定電壓，是為了避免過大的修正造成銣頻標輸出頻率的跳變，從而影響整機的短期頻率穩(wěn)定度指標。因此這里在進行修正時，需要分n次完成。其中，穩(wěn)定度檢測模塊102為頻率穩(wěn)定度測試儀。穩(wěn)定度檢測模塊102采用高穩(wěn)時鐘源作為參考。參見圖2，恒流源驅(qū)動模塊104為電壓控制電流源，容易知道，恒流源驅(qū)動模塊104包括:采樣電阻R5、運算放大器U2、差分放大器U3、電壓調(diào)整器U1、二極管D4和滑動變阻器Rll ;采樣電阻R5與C場線圈107串聯(lián)且連接在運算放大器U2的兩輸入端之間，差分放大器U3的反相輸入端與運算放大器U2的輸出端連接，差分放大器U3的同相輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器103相連，差分放大器U3的輸出端與電壓調(diào)整器Ul的調(diào)整端ADJ相連，電壓調(diào)整器Ul的輸入端與電源相連，電壓調(diào)整器Ul的輸出端與C場線圈107相連；滑動變阻器Rll連接在運算放大器U2反相輸入端和輸出端之間；二極管D4與C場線圈107并聯(lián)，且二極管D4的負極與電壓調(diào)整器Ul電連接。采樣電阻R5優(yōu)選為錳銅電阻。容易知道，恒流源驅(qū)動模塊104還包括電阻R1-R4、R6-R10，二極管D1-D3，電容C1-C8等外圍器件，屬于常見電路連接，這里不再贅述。具體地，C場線圈107電流經(jīng)采樣電阻R5，產(chǎn)生微弱的采樣電壓，經(jīng)過超低噪聲運算放大器U2同相放大,放大的電壓信號送往差分放大器U3的負端。差分放大器U3把負端采樣電壓與正端的處理模塊104輸出的設定電壓的差值進行放大，輸出到電壓調(diào)整器Ul的調(diào)整端，形成閉環(huán)反饋。當C場線圈107負載電流增加，則采樣電阻R5上的電壓增加，使運算放大器U2輸出電壓變大，差分放大器U3輸出電壓減小，電壓調(diào)整器Ul調(diào)整端電壓減小，電壓調(diào)整器Ul輸出電壓變低，使負載電流減小，從而維持了負載電流的動態(tài)穩(wěn)定，反之亦然。可以看出，差分放大器U3的正端的設定電壓決定了負載電流的大小。進一步地，電流檢測模塊101包括:用于檢測采樣電阻R5兩端電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及用于根據(jù)采樣電阻R5的電阻值和采樣電壓計算C場線圈107當前電流值的計算單元，模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別與采樣電阻R5和計算單元電連接，計算單元與處理模塊104電連接。因為，采樣電阻R5與C場線圈107串聯(lián)，所以計算單元根據(jù)采樣電阻R5的電阻值和采樣電壓計算出的電流值即為C場線圈的電流值。容易知道，由于采樣電阻R5的阻值容易知道，所以實際上可以針對采樣電阻R5計算與求和后電流值對應的電壓值，因為當采樣電阻R5的兩端電壓值鎖定該計算出的對應的電壓值時，采樣電阻R5的電流值為求和后的電流值，C場線圈107的電流也就同樣修正為該電流值，從而達到對漂移量的修復功能。進一步地，處理模塊104包括:用于根據(jù)頻率穩(wěn)定度與電流變化值的對應關系，獲得與穩(wěn)定度檢測模塊102檢測到的頻率穩(wěn)定度對應的電流變化值的查找單元；用于將電流變化值除以n得到第一電流值，依次取第一電流值的I至n倍與電流檢測模塊101檢測到的當前電流值求和，并將每次求和后的電流值轉(zhuǎn)換為對應的電壓值的求和單元，其中n > 2 ;用于通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器103將對應的電壓值輸出至恒流源驅(qū)動模塊105的調(diào)整端的輸出單兀；其中，計算單元分別與查找單元和輸出單元電連接。具體地，處理模塊104為微控制器或可編程邏輯控制器。值得說明的是，處理模塊104中存儲有頻率穩(wěn)定度與電流變化值的對應關系，該對應關系可以根據(jù)以下方式事先獲得:集成泡中的銣原子的基態(tài)超精細0-0躍遷頻率即是銣原子頻標的鑒頻參考頻率f0。集成濾光共振泡內(nèi)的銣原子運動方向是雜亂無章的，加上一個固定電流大小及方向的磁場(即C場)，能夠很好的起到“原子分裂”及“量子化軸”的作用。對于87Rb原子0 — 0躍遷而言，其頻率f0與H的二次方成正比，與H的一次方無關，即f = fO+574.14H2 (I)式中f0為外界磁場為零時的頻率，f是外界磁場為H時的共振頻率。式(I)中H(磁場)的單位為“高斯”，f (共振頻率)的單位為“赫茲”。在式(I)中對H進行求導得df = 1148.28HdH(2)式(2)兩邊除以原子共振中心頻率f0，對于銣原子頻標而言，我們?nèi)0 =6834.6875MHz，則有
權(quán)利要求1.一種原子頻標漂移修復系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括: 用于檢測原子頻標的C場線圈(107)當前電流值的電流檢測模塊(101); 用于根據(jù)所述原子頻標的輸出頻率，測量所述原子頻標的頻率穩(wěn)定度的穩(wěn)定度檢測模塊(102)，所述頻率穩(wěn)定度是指所述輸出頻率與額定頻率的差值與額定頻率的比值； 數(shù)模轉(zhuǎn)換器(103)、恒流源驅(qū)動模塊(105)； 用于根據(jù)頻率穩(wěn)定度與電流變化值的對應關系，獲得與所述穩(wěn)定度檢測模塊(102)檢測到的所述頻率穩(wěn)定度對應的電流變化值，將所述電流變化值除以n得到第一電流值，依次取第一電流值的I至n倍與所述電流檢測模塊(101)檢測到的所述當前電流值求和，并將每次求和后的電流值轉(zhuǎn)換為對應的電壓值，通過所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(103)將所述對應的電壓值輸出至所述恒流源驅(qū)動模塊(105)的調(diào)整端的處理模塊(104)，其中n > 2 ; 其中，所述穩(wěn)定度檢測模塊(102)分別與所述原子頻標的隔離放大器(106)和所述處理模塊(104)電連接，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(103)分別與所述處理模塊(104)和所述恒流源驅(qū)動模塊(105)電連接，所述電流檢測模塊(101)分別與所述處理模塊(104)和所述恒流源驅(qū)動模塊(105)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述穩(wěn)定度檢測模塊(102)為頻率穩(wěn)定度測試儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述恒流源驅(qū)動模塊(105)為電壓控制電流源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述恒流源驅(qū)動模塊(105)包括:采樣電阻R5、運算放大器U2、差分放大器U3、電壓調(diào)整器U1、二極管D4和滑動變阻器Rll ;所述采樣電阻R5與所述C場線圈(107)串聯(lián)且連接在所述運算放大器U2的兩輸入端之間，所述差分放大器U3的反相輸入端與所述運算放大器U2的輸出端連接，所述差分放大器U3的同相輸入端與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(103)相連，所述差分放大器U3的輸出端與所述電壓調(diào)整器Ul的調(diào)整端ADJ相連，所述電壓調(diào)整器Ul的輸入端與電源相連，所述電壓調(diào)整器Ul的輸出端與所述C場線圈(107)相連；所述滑動變阻器Rll連接在所述運算放大器U2反相輸入端和輸出端之間；所述二極管D4與所述C場線圈(107)并聯(lián)，且所述二極管D4的負極與所述電壓調(diào)整器Ul電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電流檢測模塊(101)包括:用于檢測所述采樣電阻R5兩端電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及用于根據(jù)采樣電阻R5的電阻值和所述采樣到的電壓計算所述C場線圈(107)的當前電流值的計算單元，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別與所述采樣電阻R5和所述計算單元電連接，所述計算單元與所述處理模塊(104)電連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理模塊(104)包括: 用于根據(jù)頻率穩(wěn)定度與電流變化值的對應關系，獲得與所述穩(wěn)定度檢測模塊(102)檢測到的所述頻率穩(wěn)定度對應的電流變化值的查找單元； 用于將所述電流變化值除以n得到第一電流值，依次取第一電流值的I至n倍與所述電流檢測模塊(101)檢測到的所述當前電流值求和，并將每次求和后的電流值轉(zhuǎn)換為對應的電壓值的求和單元，其中n彡2 ; 用于通過所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器(103)將所述對應的電壓值輸出至所述恒流源驅(qū)動模塊(105)的調(diào)整端的輸出單元；其中，所述計算單元分別與所述查找單元和所述輸出單元電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理模塊(104)為微控制器或可編程邏輯控制器。
8.一種具有漂移修復系統(tǒng)的原子頻標，所述原子頻標包括:壓控晶振(I)、隔離放大器(2)、倍混頻模塊(3)、物理單元(4)、綜合模塊(5)和伺服電路(6)，所述隔離放大器(2)分別與所述壓控晶振(I)、所述倍混頻模塊(3)以及所述綜合模塊(5)電連接，所述倍混頻模塊(3)分別與所述物理單元(4)和所述綜合模塊(5)電連接，所述伺服電路(6)分別與所述壓控晶振(I)、所述物理單元(4)以及所述綜合模塊(5)電連接，其特征在于，所述原子頻標還包括:如權(quán)利要求1-7任一項所述的漂移修復系統(tǒng)(7)，所述漂移修復系統(tǒng)(7)分別與所述隔離放大器(2)和所述物理·單元(4)電連接。
專利摘要本實用新型公開了一種原子頻標漂移修復系統(tǒng)及具有該系統(tǒng)的原子頻標，屬于原子頻標領域。所述系統(tǒng)包括電流檢測模塊、穩(wěn)定度檢測模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、處理模塊和恒流源驅(qū)動模塊。本實用新型通過檢測原子頻標的頻率穩(wěn)定度，并根據(jù)頻率穩(wěn)定度與電流變化值的對應關系，獲得與檢測到的頻率穩(wěn)定度對應的電流變化值，將電流變化值除以n得到第一電流值，依次取第一電流值的1至n倍與檢測到的當前電流值求和，并將每次求和后的電流轉(zhuǎn)換為對應的電壓值輸出至恒流源驅(qū)動模塊調(diào)整端，使得調(diào)整后的C場線圈電流得到電流變化值的調(diào)整，從而修復原子頻標的漂移量。
文檔編號H03L7/26GK203166872SQ20132005954
公開日2013年8月28日 申請日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者雷海東 申請人:江漢大學