銣原子頻標數字伺服裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種銣原子頻標數字伺服裝置，濾波放大電路的輸入端連接到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輸入端，單片機輸出端為鎖定指示端，單片機的ＳＰＩ０口通過光耦電路隔離后連接到數模轉換器的ＳＰＩ口，電壓基準電路的輸出端連２０位數模轉換器的電壓參考輸入端，數模轉換器的輸出端連接隔離放大電路的輸入端。該裝置把光檢信號數字化后在單片機內進行同步軟件鑒相，得到的誤差信號通過高精度數模轉換后去伺服壓控晶振。該裝置可克服傳統模擬伺服裝置的不足，結構簡單、體積小、全數字化、易于調試、可進行精確量化控制、促進頻標快速鎖定，可應用于小型化銣原子頻標。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及銣原子頻標，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。
技術介紹
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。
技術實現思路
本專利技術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，本專利技術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。單片機內進行的同步軟件鑒相是本數字伺服裝置的核心部分。因為銣原子頻標輸出的光檢信號主要是微波調制信號的基波和二次諧波兩種成分。設光檢信號的基波信號周期為T，對該信號一個周期采樣的次數為n，ADC中斷設定器的設定間隔則為T/n，利用中斷服務程序將光檢信號中基波信號前半周期數據的和減去后半周期數據的和，得到的差即為一個周期內光檢信號基波的交流幅度和。由于光檢信號的基波信號相位可能與參考信號同相或者反相，所以這個交流幅度和可正可負，而數模轉換器接收的數字值要求為正值，故需要在交流幅度和上加上一個正值F0，確保發送給20位數模轉換器(DAC1220)的信號值均為正值。可把多個周期的交流幅度和求平均后發送給20位數模轉換器(DAC1220)進行轉換，以消除周期性的干擾(如供電的50Hz交流信號)的影響。還可通過人為設定20位數模轉換器(DAC1220)兩次轉換時間間隔來改變伺服環路的時間常數。把采集的數字信號用單片機集成的12DAC轉換為模擬信號輸出作為銣原子頻標鎖定狀態的指示信號，即當該輸出信號出現二次諧波時銣頻標進入鎖定狀態。本專利技術較現有技術具有如下特點1、電路結構簡單，集成度高，可靠性強。本系統幾乎全部由集成貼片封裝芯片組成，鑒相處理過程在單片機中完成，無模擬鑒相器的參考信號幅度不穩引起的所謂“偽誤差信號”干擾，且數字器件抗環境干擾能力明顯增強。2、參數控制精確。鑒相系統基本為數字器件，環路傳遞模型可精確獲得，軟件處理過程更可進行精確的量化控制，可把先進的控制論引入而提高銣原子頻標性能指標。3、參數優化簡單，只需修改程序參數即可。對光檢信號進行濾波放大后，主要的參數的設置調試及其優化都是在單片機中修改程序參數來完成，工作方法簡單易行。4、頻標開機預熱到鎖定的時間短，且頻標輸出的標準頻率波動小。一般的銣原子頻標頻標開機啟動到鎖定需要較長時間，在這段時間內壓控晶振標準頻率輸出波動大；本數字伺服裝置可提前給壓控晶振設置一個電壓初值，使壓控晶振的在環路鎖定前的輸出始終在系統鎖定時的頻率附近，物理系統預熱完進入正常工作狀態后，環路即可由預設的頻率點快速地到達鎖定點實現頻標環路鎖定。由于整個過程始終在鎖定時的頻率附近，壓控晶振輸出頻率變化不大，即壓控晶振輸出的準確度受鎖定過程影響較小，可提前讓銣原子頻標進入較正常的工作狀態。5、可實現銣原子頻標物理系統與高穩壓控晶振進行優勢組合提高標準頻率輸出的性能指標。。6、具有較強的環境適應性。傳統模擬器件，如晶體管和電解電容等的溫度系數較大，易受電磁干擾，而本系統采用大量的數字芯片，可克服環境變化帶來的影響，抗干擾能力增強。附圖說明圖1 一種銣原子頻標數字伺服裝置方框圖其中，銣原子頻標的物理系統內光電池輸出端連接濾波放大電路的輸入端，單片機集成的ADC12的輸入端連接濾波放大電路的輸出端，單片機的SPI本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種銣原子頻標數字伺服裝置，它包括濾波放大電路（１）、單片機（２）、２０位數模轉換器（５）、隔離放大電路（７），其特征在于：濾波放大電路（１）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（１）的輸出端連接單片機（２）集成的ＡＤＣ輸入端，單片機（２）集成的１２位ＤＡＣ輸出端為鎖定指示端（３）的輸出端，單片機（２）的ＳＰＩ０口通過光耦電路（４）隔離后連接２０位數模轉換器（５）的ＳＰＩ口，電壓基準電路（６）的輸出端連接２０位數模轉換器（５）的電壓參考輸入端，２０位數模轉換器（５）的輸出端連接隔離放大電路（７）的輸入端，隔離放大電路（７）的輸出端連接銣原子頻標中壓控晶振的電壓調諧端。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：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，
類型：發明
國別省市：83[中國|武漢]