CN101018056A - 铷原子频标数字伺服装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铷原子频标数字伺服装置，滤波放大电路的输入端连接到铷原子频标物理***光检信号输出端，滤波放大电路的输出端连接单片机输入端，单片机输出端为锁定指示端，单片机的SPI0口通过光耦电路隔离后连接到数模转换器的SPI口，电压基准电路的输出端连20位数模转换器的电压参考输入端，数模转换器的输出端连接隔离放大电路的输入端。该装置把光检信号数字化后在单片机内进行同步软件鉴相，得到的误差信号通过高精度数模转换后去伺服压控晶振。该装置可克服传统模拟伺服装置的不足，结构简单、体积小、全数字化、易于调试、可进行精确量化控制、促进频标快速锁定，可应用于小型化铷原子频标。

Description

铷原子频标数字伺服装置

技术领域

本发明涉及铷原子频标，具体地说是铷原子频标的电子学***，更具体涉及一种铷原子频标数字伺服装置，该装置可用于制作小型化铷原子频标。

背景技术

铷原子频标是提供高稳时间频率信号的设备，它具有体积小、重量轻的特点，是目前应用最广泛的原子频标。它的原理是利用铷原子跃迁谱线去锁定压控晶振，即铷原子频标的物理***通过输出具有鉴频特性的光检信号并经同步鉴相后得到直流误差信号去伺服压控晶振。因此根据功能不同，铷原子频标可以概括地分为物理***和电子学***，而电子学***又可分为射频倍频链和同步伺服装置。物理***的作用是输出光检信号，该信号反映压控晶振信号相对偏离原子谱线频率的程度；而电子学***的射频倍频链则把压控晶振输出频率倍频到铷原子跃迁频率附近并进行一个小调频去探询铷原子跃迁，当输入的微波信号与铷原子跃迁谱线频率相等时，光检输出的鉴频信号为调制信号的二次谐波信号，不相等而在原子跃迁谱线的吸收峰两侧(左或右)时，光检输出的鉴频信号为相位相反的基波信号；电子学***的同步伺服装置将光检信号进行基波的同步鉴相得到伺服压控晶振的误差信号。就铷原子频标环路控制的实现而言，电子学***的同步伺服装置是整个频标***的核心，频标进行参数优化时通常是改变该部分的相关参数去调整环路时间和增益，以获得铷原子频标最优的稳定度指标。因此，同步伺服装置是铷原子频标研究的重点之一。

铷原子频标传统的伺服装置广泛采用以模拟乘法器为基础的同步鉴相电路，其技术手段是将光检信号中的基波通过滤波器取出来与与调制信号同源且移相了的参考信号相乘，再把乘法器的输出通过低通滤波器，把高频信号滤掉后即为伺服压控晶振的直流直流误差信号；伺服装置的主要有晶体二极管与变压器组成的鉴相电路，以及采用场效应管组成的开关式鉴相电路。对于前者，由于需要变压器，一般很难制作对称性很好变压器，且二极管存在非线性以及饱和压降和反向漏电流大的不足，使这种方法在原子频标中使用较少；对于后者，由于使用了有源的场效应管器件，其参数易受环境(如温度)影响，会给带来附加的误差，电路结构也比较复杂。另外，由于低通部分的信号接近直流，其时间常数很大的，故构成这种伺服装置的电容容量也就很大，就会采用性能相对较差的电解电容而可能导致电路的长期稳定性和可靠性降低。采用模拟伺服装置制作的铷原子频标在优化参数时，需要调节伺服装置硬件参数，工作繁杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铷原子频标数字伺服装置，具有硬件全数字化、结构简单、滤波时间常数可任意设置、调试简单等特点，可应用于小型化铷原子频标。

为了实现上述目的，本发明采用的技术措施是：滤波放大电路的输入端连接铷原子频标物理***光检信号输出端，滤波放大电路的输出端连接单片机集成的ADC输入端，单片机集成的12位DAC输出端为锁定指示端的输出端，单片机的SPI0口通过光耦电路隔离后连接20位数模转换器的SPI口，电压基准电路的输出端连接20位数模转换器的电压参考输入端，20位数模转换器的输出端连接隔离放大电路的输入端，隔离放大电路的输出端连接铷原子频标中压控晶振的电压调谐端。

铷原子频标的物理***包括铷光谱灯和腔泡***，两者直接连接，位于腔泡***的光电池对物理***内部发生的原子跃迁进行光检测并输出的光检信号，光检信号经过滤波放大电路进行放大和低通滤波后使信号幅度达到0-2.5V范围，满足单片机输入幅度要求；采用的单片机为TI公司的超低功耗16位单片机MSP430F169，它内部集成了12位ADC电路和12位的DAC电路，单片机的ADC采用连续定时中断方式对放大了的光检信号进行采集和转换，并在ADC中断服务程序中对采集进来的基波同步软件鉴相得到光检信号中基波的幅度和，这个幅度和加上一个正的初值后经20位数模转换器(DAC1220)转换为模拟电压信号，该电压信号经隔离放大电路进行一定增益的放大后即为伺服压控晶振的直流误差信号。单片机MSP430F169与20位数模转换器(DAC1220)之间采用SPI通讯，单片机进行同步软件鉴相后得到的待转换的数字信号即通过SPI数据发送给20位数模转换器(DAC1220)进行数模转换。为确保数模转换的高精度，20位数模转换器(DAC1220)与单片机之间的SPI通讯数据线采用光耦电路进行光电隔离，转换所需的电压基准为REF43电压基准芯片提供，输出模拟信号采用隔离放大电路进行隔离，以消除级间干扰。

单片机内进行的同步软件鉴相是本数字伺服装置的核心部分。因为铷原子频标输出的光检信号主要是微波调制信号的基波和二次谐波两种成分。设光检信号的基波信号周期为T，对该信号一个周期采样的次数为n，ADC中断设定器的设定间隔则为T/n，利用中断服务程序将光检信号中基波信号前半周期数据的和减去后半周期数据的和，得到的差即为一个周期内光检信号基波的交流幅度和。由于光检信号的基波信号相位可能与参考信号同相或者反相，所以这个交流幅度和可正可负，而数模转换器接收的数字值要求为正值，故需要在交流幅度和上加上一个正值F0，确保发送给20位数模转换器(DAC1220)的信号值均为正值。可把多个周期的交流幅度和求平均后发送给20位数模转换器(DAC1220)进行转换，以消除周期性的干扰(如供电的50Hz交流信号)的影响。还可通过人为设定20位数模转换器(DAC1220)两次转换时间间隔来改变伺服环路的时间常数。把采集的数字信号用单片机集成的12DAC转换为模拟信号输出作为铷原子频标锁定状态的指示信号，即当该输出信号出现二次谐波时铷频标进入锁定状态。本发明较现有技术具有如下特点：

1、电路结构简单，集成度高，可靠性强。本***几乎全部由集成贴片封装芯片组成，鉴相处理过程在单片机中完成，无模拟鉴相器的参考信号幅度不稳引起的所谓“伪误差信号”干扰，且数字器件抗环境干扰能力明显增强。

2、参数控制精确。鉴相***基本为数字器件，环路传递模型可精确获得，软件处理过程更可进行精确的量化控制，可把先进的控制论引入而提高铷原子频标性能指标。

3、参数优化简单，只需修改程序参数即可。对光检信号进行滤波放大后，主要的参数的设置调试及其优化都是在单片机中修改程序参数来完成，工作方法简单易行。

4、频标开机预热到锁定的时间短，且频标输出的标准频率波动小。一般的铷原子频标频标开机启动到锁定需要较长时间，在这段时间内压控晶振标准频率输出波动大；本数字伺服装置可提前给压控晶振设置一个电压初值，使压控晶振的在环路锁定前的输出始终在***锁定时的频率附近，物理***预热完进入正常工作状态后，环路即可由预设的频率点快速地到达锁定点实现频标环路锁定。由于整个过程始终在锁定时的频率附近，压控晶振输出频率变化不大，即压控晶振输出的准确度受锁定过程影响较小，可提前让铷原子频标进入较正常的工作状态。

5、可实现铷原子频标物理***与高稳压控晶振进行优势组合提高标准频率输出的性能指标。。

6、具有较强的环境适应性。传统模拟器件，如晶体管和电解电容等的温度系数较大，易受电磁干扰，而本***采用大量的数字芯片，可克服环境变化带来的影响，抗干扰能力增强。

附图说明

图1  一种铷原子频标数字伺服装置方框图

其中，铷原子频标的物理***内光电池输出端连接滤波放大电路的输入端，单片机集成的ADC12的输入端连接滤波放大电路的输出端，单片机的SPI0接口通过光耦隔离后连接到20位数模转换器(DAC1220)的SPI接口，基准电路的2.5V基准电压连接到20位数模转换器(DAC1220)的基准电压输入端，DAC1120的模拟信号输出端连接隔离放大电路的输入端，隔离放大电路的输出端连接压控晶振的电压调谐端。

图2  同步软件鉴相原理图

(A)正旋波为输入光检信号，实线表示该信号与参考信号相位相同，虚线表示该信号与参考信号相位相反，点线为二次谐波信号，方波为单片机ADC采样中断产生的鉴相参考信号；(B)采集进来的数字信号与参考相乘后得到的基波的交流信号；(C)多个周期的交流信号求平均后得到直流信号；(D)直流信号加上一个正的初值后得到正极性信号，也为最终发送到20位数模转换器(DAC1220)的数字伺服信号。

图3主程序流程图

其中，主程序顺序执行后只接收ADC12中断，软件鉴相的所有处理过程均在这个中断服务程序中完成，所有程序都下载到单片机。

图4 ADC中断服务程序流程图

其中，n为基波一个周期的发生的中断总次数，i为基波一个周期内发生中断次数的计数器，j为20位数模转换器(DAC1220)每发送一次数据包含的基波信号周期个数，data12为MSP430F169集成的ADC12一次采集的数据，fd为基波一个周期的交流幅度和，m表示两次20位数模转换器(DAC1220)转换间隔为m个基波的周期数，F0为基波交流和需加的初始正值，FD为20位数模转换器(DAC1220)待转换的数据，send()为20位数模转换器(DAC1220)的数模转换子程序。

图5 20位数模转换器(DAC1220)的数模转换子程序send()流程图

其中，INSR为指令寄存器，可设定20位数模转换器(DAC1220)一次数据转换位的宽度，转换时低4位为无效位，需要把数据在发送前左移4位。

图6 20位数模转换器(DAC1220)输出放大后的S曲线

其中，该曲线可辅助调试环路，快速优化参数而实现电路环路与铷原子频标物理***锁定，也检查***是否能够正常锁定工作的辅助方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明：

由图1可知，一种铷原子频标数字伺服装置，主要由滤波放大电路1、单片机2、光耦电路4、20位数模转换器5(DAC1220)、电压基准电路6、隔离放大电路7组成。

滤波放大电路1的输入端作为本数字伺服装置的输入端，接收来自铷原子频标物理***的光检信号，滤波放大电路1的输出端连接单片机2集成的ADC输入端，单片机2集成的12位DAC输出端为锁定指示端3，单片机2的SPI0口通过光耦电路4隔离后连接到20位数模转换器5(DAC1220)的SPI口，电压基准电路6的输出端连接到20位数模转换器5(DAC1220)的电压参考输入端，20位数模转换器(DAC1220)的输出端连接到隔离放大电路7的输入端，隔离放大电路7的输出端作为本数字伺服装置的输出端，连接铷原子频标压控晶振的电压调谐端。

来自铷原子频标物理***输出的光检信号输入到滤波放大电路1进行滤波、放大和电平移动处理，消除信号带宽以外的干扰。滤波放大电路1设计为三级同相放大形式，采用的运放为TI公司的低电压地噪声型贴片封装运放OPA2350。其中，第一级为电流转电压，第二级为低通带增益放大，最后一级为增益放大。运放的正向输入端由两个电阻组成直流偏置电路调节输出信号的直流电平，确保输出信号幅度在0-2.5V范围，满足单片机2内集成ADC采集时的电平要求。滤波放大电路1的输出信号连接到单片机2集成的ADC采集输入端进行数据采集。

单片机2为MSP430F169，内部集成了12位的ADC电路。来自滤波放大电路1的光检信号输入到单片机2集成的ADC输入端进行数据采集，单片机2对采集进来的数字信号进行同步软件鉴相得到伺服压控晶振的数字误差信号，该信号通过经光耦电路的进行光电隔离后SPI0口连接到数模转换器20位数模转换器5(DAC1220)的SPI接口。这样，单片机2把鉴相得到的待转换的数字误差信号通过单片机2的SPI方式发送给20位数模转换器5(DAC1220)进行数模转换，再经隔离放大电路2放大后得到伺服压控晶振的压控误差信号。同时，单片机2把采集进来的信号发送单片机2内部集成的12位DAC进行数模转换后的作为显示铷原子频标锁定状态的锁定指示信号，即当该输出信号为调制信号的二次谐波时表明频标进入锁定状态；隔离放大电路7采用两级运放组成，第一级连接成电压跟随器，第二级采用同相输入方式，这样的隔离度很好。单片机2的时钟信号来自铷原子频标的压控晶振输出，可确保同步软件鉴相处理过程的高稳定性。单片机2还通过PWM方式输出一个方波信号作为激励铷原子跃迁的微波的调制信号，该调制的微波信号与铷原子相互作用后得到光检信号。

在单片机2内进行的同步软件鉴相是本发明的核心内容。软件鉴相的方法如附图2所示，光检信号是来自铷原子频标物理***内调制的微波信号与铷原子相互作用输出的鉴频信号。该信号主要是调制信号的基波和二次谐波，当进入物理***的微波频率与铷原子跃迁产生的吸收峰中心频率相等时，光检信号只有调制信号的二次谐波信号，不相等而偏离吸收峰(或大或小)为相位相反的基波信号。如(A)的上部分曲线所示，(A)的正旋波为光检信号，实线表示该信号与参考信号相位相同，虚线表示该信号与参考信号相位相反，点线为二次谐波信号，方波为单片机ADC采样中断产生的鉴相参考信号；(B)为采集进来的数字信号与参考相乘后得到的基波的交流信号；(C)为多个周期的交流信号求平均后得到直流信号；(D)为直流信号加上一个正的初值后得到的正极性信号，也为最终发送到20位数模转换器(DAC1220)的数字伺服信号。基波信号的极性反映压控晶振信号相对偏离铷原子跃迁谱线吸收峰频率是高还是低，幅度大小可认这个偏离的距离成正比，利用基波信号的相位极性和幅度大小性质即可在单片机内对光检信号进行基波同步软件鉴相，得到直流误差信号去伺服压控晶振。

基于上述的原理设计，在单片机2中采用以下软件方法来实现同步软件鉴相：

1下载到单片机2内的主程序3，如附图1的3，具体如附图3所示。

(1)配置***时钟、SPI0和20位数模转换器5(DAC1220)；

(2)设置20位数模转换器5(DAC1220)初值；

(3)开ADC12中断，并响应中断服务程序；

(4)主程序结束。

其中，主程序负责对ADC，DAC、20位数模转换器(DAC1220)和自定义变量进行初始化，并设置20位数模转换器5(DAC1220)的初值，使压控晶振输出频率在铷原子频标锁定时的频率点附近，设置PWM调制信号。同步软件鉴相处理主要在中断服务程序中完成，主程序顺序执行后，单片机2就处于等待ADC中断状态，当ADC定时器到达定时设定值时发生中断，中断服务程序开始执行。

2中断程序在附图3中的10，详细的流程如附图4，具体为

(1)单片机把ADC中断缓存中的数赋值给中间变量data12，中断记录器i加1，data12赋值给单片机集成DAC的输出缓存；

(2)判断i

A进行基波鉴相，如果i＜n/2，则把data12作一次累加给fd，如果n/2＜i＜n，则把data12乘以-1后累加到fd；

B采集完一个基波周期的相关处理，中断记录器i清零，基波周期采集个数j加1，一个周期的交流幅度和fd累加一次到FD后清零；

(3)判断j

如果j＝m，FD除以n后加上初值F0后通过子程序send()发送到20位数模转换器(DAC1220)进行数模转换，FD清零。

其中，n为基波一个周期的发生的中断总次数，i为基波一个周期的发生的中断次数计数器，j为20位数模转换器(DAC1220)每发送一次数据包含的基波信号周期个数，data12为ADC12一次中断采集的数据，fd为基波一个周期的交流幅度和，m为一次基波信号一个周期内中断发送数据基波的周期个数，F0为基波交流和需加的初始正值，FD为20位数模转换器(DAC1220)发送的数据，send()为20位数模转换器(DAC1220)的发送子程序，以上所有变量均为全局变量。主程序负责对ADC，DAC、20位数模转换器(DAC1220)和自定义变量进行初始化，中断服务程序完成同步软件鉴相处理。

3数模转换器DAC1220的转换子程序，即图4的子程序11，具体如图5所示。

(1)发送程序开始；

(2)发送指令寄存器INSR，设置数据宽度为20位；

(3)数模转换程序结束

本发明中，通过选择高分辨率的20位数模转换器5(DAC1220)，可保证伺服的高精度和用本伺服***制作铷原子频标的高性能。如某铷原子频标所用10M压控晶振的压控率为0.5Hz/V，相对调谐率则为5E-8/V，20位数模转换器(DAC1220)的输出范围位0-5V，1LSB对应的电压＝5/12²⁰＝4.7683×10^-6V，故20位数模转换器(DAC1220)的1LSB加到压控晶振上的相对调谐率＝2.38×10^-13，而铷原子频标短期稳定度的最高指标都在10^-12量级，所以20位数模转换器(DAC1220)可以满足高精度伺服要求。

按照本发明方案设计的数字伺服装置***与铷原子频标物理***进行连接调试时首先把环路断开，即暂不把20位数模转换器5(DAC1220)后的隔离放大电路7的输出端连接到压控晶振上，而是扫描压控晶振调谐电压，20位数模转换器5(DAC1220)则输出伺服的压控信号，同步记录这个两个电压信号就得到如附图6的所谓“S曲线”图，根据这个图调节程序中的D0值使曲线交点对应铷原子吸收峰的顶部，然后把环路闭合即可实现锁定。

Claims (1)

1、一种铷原子频标数字伺服装置，它包括滤波放大电路(1)、单片机(2)、20位数模转换器(5)、隔离放大电路(7)，其特征在于：滤波放大电路(1)的输入端连接铷原子频标物理***光检信号输出端，滤波放大电路(1)的输出端连接单片机(2)集成的ADC输入端，单片机(2)集成的12位DAC输出端为锁定指示端(3)的输出端，单片机(2)的SPI0口通过光耦电路(4)隔离后连接20位数模转换器(5)的SPI口，电压基准电路(6)的输出端连接20位数模转换器(5)的电压参考输入端，20位数模转换器(5)的输出端连接隔离放大电路(7)的输入端，隔离放大电路(7)的输出端连接铷原子频标中压控晶振的电压调谐端。

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