CN107479358A - 一种信号发生器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种信号发生器装置，包括VCXO模块、射频信号产生模块、量子***和伺服环路模块，所述VCXO模块输出的频率信号经所述射频信号产生模块产生微波探询信号作用于量子***，所述量子***产生量子鉴频信号输送至伺服环路模块，所述伺服环路模块产生直流压控信号再反馈作用于VCXO模块，使其输出频率发生变化；所述量子***包括光谱灯和集成滤光共振泡；还包括控制时序发生模块、GPS信号接收机、逻辑门阵列和高速快门装置。本发明的信号发生器装置其内部模块协调性高，通过有效的时序控制能够适应不同情况。
Description
技术领域
本发明涉及原子钟技术领域，具体涉及一种信号发生器装置。
背景技术
被动型铷原子频标中，物理***是整个原子频标的核心部件，它提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线。经综合调制后，电子线路产生的源于石英晶体振荡器的带调制的微波探询信号作用于物理***，经量子鉴频后，通过伺服电路对量子鉴频信息的处理，最终将本振的输出频率锁定在铷原子的基态超精细0－0跃迁中心频率上。现有大多数伺服电路根据综合提供的同步鉴相信号对量子鉴频信号进行同步鉴相，并根据鉴相结果信息采用独立的D/A压控本振的方式来实现整机的闭环锁定，最终通过本振输出稳定度较高的频率信号。在数字化普及的今天，加上社会对原子钟小型化的要求，以及GPS同步校准的推广，对现有原子钟提出了更加苛刻的要求，需要将伺服控制的各个环节集中在微小的处理器上通过合理的时序控制来完成任务。然而现有原子钟伺服电路部分大多数都还是模块化“单兵做战”的情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种改进的信号发生器装置。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种信号发生器装置，包括VCXO模块、射频信号产生模块、量子***和伺服环路模块，所述VCXO模块输出的频率信号经所述射频信号产生模块产生微波探询信号作用于量子***，所述量子***产生量子鉴频信号输送至伺服环路模块，所述伺服环路模块产生直流压控信号再反馈作用于VCXO模块，使其输出频率发生变化；所述量子***包括光谱灯和集成滤光共振泡；
还包括控制时序发生模块、GPS信号接收机、逻辑门阵列和高速快门装置，所述GPS信号接收机的信号输出到所述控制时序发生模块，所述控制时序发生模块的控制端分别连接到所述逻辑门阵列和伺服环路模块，所述伺服环路模块的信号输出至所述控制时序发生装置，所述逻辑门阵列的输入端连接到所述伺服环路模块的输出端，所述逻辑门阵列的输出端经由所述伺服环路模块和控制时序发生模块反馈控制所述高速快门装置，所述高速快门装置设置于所述光谱灯和集成滤光共振泡之间适于通过快门装置的开或关以控制光的通过或阻断。
进一步的，还包括压控修正模块和增益控制模块，所述压控修正模块和增益控制模块依次设置在所述伺服环路模块和VCXO模块之间。
进一步的，还包括适于配合VCXO模块的温控模块，所述温控模块含有温控芯片和热敏电阻，所述温控模块置于高稳晶振VCXO中。
进一步的，所述热敏电阻设于电桥之中，当工作环境温度无变化时，电桥处于平衡，输送至加热线圈环路的温度补偿电压值为0，当工作环境温度发生变化时，热敏电阻的阻值将变小或变大，那么电桥两端存在电压差，经温控芯片差分放大后变为温度补偿电压输送至电压源，同时输出给外部加热丝线圈环路。
本发明的有益效果是：
本发明的信号发生器装置其内部模块协调性高，通过有效的时序控制能够适应不同情况。
附图说明
下面结合附图对本发明的信号发生器装置作进一步说明。
图1是本发明中信号发生器装置的结构框图；
图2是逻辑门阵列中的信号传输示意图；
图3是频率信号检测端检测到的信号周期图；
图4是控制时序产生模块产生的信号时序图；
图5是GPS秒脉冲信号与VCXO模块输出的频率信号时序图；
图6是总时序图；
图7是温度控制模块的电路结构示意图；
图8是增益调节模块的电路结构示意图。
具体实施方式
实施例
根据图1所示，本发明中的信号发生器装置，包括VCXO模块、射频信号产生模块、量子***和伺服环路模块，所述VCXO模块输出的频率信号经所述射频信号产生模块产生微波探询信号作用于量子***，所述量子***产生量子鉴频信号输送至伺服环路模块，所述伺服环路模块产生直流压控信号再反馈作用于VCXO模块，使其输出频率发生变化；所述量子***包括光谱灯和集成滤光共振泡。
还包括控制时序发生模块、GPS信号接收机、逻辑门阵列和高速快门装置，所述GPS信号接收机的信号输出到所述控制时序发生模块，所述控制时序发生模块的控制端分别连接到所述逻辑门阵列和伺服环路模块，所述伺服环路模块的信号输出至所述控制时序发生装置，所述逻辑门阵列的输入端连接到所述伺服环路模块的输出端，所述逻辑门阵列的输出端经由所述伺服环路模块和控制时序发生模块反馈控制所述高速快门装置，所述高速快门装置设置于所述光谱灯和集成滤光共振泡之间适于通过快门装置的开或关以控制光的通过或阻断。
关于逻辑门阵列由控制时序发生，产生奇数级N个非门，其输入端接收来自于伺服环路的信号，其输出端反馈到量子***的光谱灯模块中的高速Shutter，用以控制其状态‘开’或‘关’。
当图1原理图开始工作时，假定此时刻光谱灯模块中的高速Shutter是‘开’状态，那么，光谱灯激励的光通过高速Shutter后直接进入集成共振滤光泡中，在传统原子频标原理的作用下，完成量子***的量子鉴频。量子鉴频信号经伺服环路得到的信号送入逻辑门阵列，因为上时刻光谱灯激励光能够透过集成滤光共振泡，故此时刻经伺服环路产生的信号是高电平‘1’，奇数级逻辑非门后变成低电平‘0’，作用于光谱灯模块中的高速Shutter，使其为‘关’状态。依次循环，在逻辑门阵列的输出端会出现‘1’—‘0’—‘1’…‘0’的变化，通过频率信号检测，我们即可得出相应的时间参数送至控制时序发生模块。
通过微处理器产生奇数个非门串接在一起，会产生自激振荡，该电路构成一个环形振荡器。设电路中非门的个数N为奇数，每个门电路的平均传输时延迟间为t，环形振荡器产生的振荡周期为T。假定某时刻A1点的初态为1，则经过1个传输延迟t后，A2点变为0，再经过1个传输延迟t，A3点变为1，…，奇数N个传输延迟Nt后，初态‘1’变为‘0’。同样的道理：初态‘0’变为‘1’。信号传输示意如图2所示，可以得到：
T0＝2Nt （1）
当上述环形振荡器串入原子钟***后，可得图3。
在图3的频率信号检测端检测到的信号周期
T1=2(Nt+△t) （2）
其中，△t即为我们需要知道的原子钟时间参数。通过公式（1）和（2），可推导得出：
△t=（T1-T0）/2 （3）
上式中的△t对我们下下一步工作展开非常重要：根据图1我们可以知道△t由量子***及***的电路决定，而电子线路的响应时间是非常快的，通常也达到了10nS量级以上，所以决定△t值的关键应该是图1中的量子***部分。在获得了式（3）中的△t后，将它送至控制时序产生模块。
检测用各路时序产生控制时序产生模块在获得了上述的时间参数△t后，产生三路时序信号：检测、调制、同步鉴相，如图4所示。在这里需要根据时间参数△t来确定上述调制、同步鉴相信号的频率值，而检测信号则是。其中：（1）、产生的调制信号送至图1中的射频信号产生模块，用于完成传统原子钟技术中的“综合调制”；（2）、产生的与上述调制信号同步同相的同步鉴相信号送至图1中的伺服环路，用于完成传统原子钟技术中的“同步鉴相”功能；（3）、产生的与上述调制、同步鉴相信号4倍频关系的检测信号送至图1中的伺服环路，用于后述各功能时序的检测。
图4所示分为四种情况：
1、微波探询信号的频率f大于（小于）原子跃迁中心频率fo且在原子吸收线宽范围之内时，即f>fo(f<fo)，经量子鉴频得到的图4中未锁定频率信号与调制信号的频率一致，只是由于原子驰豫时间及相位时间延时而存在相位上的差异。
2、微波探询信号的频率等于原子跃迁中心频率时，即f=fo，得到的信号频率是原调制信号的2倍，此时原子频标处于锁定状态，出现图4所示的锁定信号；
3、微波探询信号的频率大大远离原子跃迁中心频率时，即f未进入有效的量子鉴频吸收带宽范围之内，经处理后得到的信号将是一个持续的电平，此时原子频标处于脱锁状态；
4、另一种特殊的情况就是，光谱灯有一个张驰振荡的过程，此时从量子***鉴频输出端会检测到高频无规律的信号波形，直至光谱灯进入正常工作状态，而整个张弛振荡过程持续的时间由具体的整机冷态或热态决定。
对于这四种情况，采用4倍频调制信号的检测时序的连续4个上升沿作为触发脉冲，分别对量子鉴频后的信号进行电平采样，并分别记录为D1、D2、D3、D4。
对于第一种情况，记录的4个电平中有3个低电平，1个高电平。伺服环路按照传统原子钟压控纠偏技术，发出纠偏电压信号至图1中的压控修正模块获得相应的单点直流纠偏电压作用于VCXO；
对于第二种情况，记录的电平有关系式：D1＝D3并且D2＝D4。此时伺服环路将不作用于压控修正模块，即VCXO不会受到直流纠偏电压作用；
对于第三种情况，记录的电平有关系式：D1＝D2＝D3＝D4。此时伺服环路将发出纠偏电压信号至图1中的压控修正模块，压控修正模块将按照预置的步进参数获得相应的直流纠集电压持续的作用于VCXO，实现对VCXO的扫频。
对于第四种情况，由于此时刻光谱灯处于张弛振荡过程，量子鉴频处的信号高频无规律，多组连续4个采样时序上升沿采样得到的数据中有可能会出现第一种情况或第二种情况或第三种情况，故无法通过采样电平进行判断，解决的方法是：由于在此环节中，所要判断的是原子频标是否处于锁定状态，第四种情况明显说明原子频标并未处于锁定，在以连续4个上升沿触发的4倍频调制信号频率的检测时序中，可以设置多于一组（连续4个上升沿触发为一组）采样的判断方式，对多组采样得到的电平分别作原子频标锁定状态判断，并对多组判断做与运算，得到最终的锁定状态判断结果，这样就能够很好的解决第四种情况带来的问题。此时伺服环路将不作用于压控修正模块，即VCXO不会受到直流纠偏电压作用。
关于GPS修正，按照图1，接收机获得GPS卫星发送的信号，经转换处理后获得秒脉冲信号送至控制时序发生模块中，在秒脉冲的一个周期范围内对VCXO输出的频率信号进行计数并获得相应的修正值送至图1中的伺服环路，并通过压控修正模块输出相应的直流纠集电压作用于VCXO，相应的时序如图5所示。
GPS秒脉冲闸门信号（宽度为T）在高电平时，经t1时间后，VCXO频率信号第一个脉冲的上升沿，使计数器使能端有效，开始VCXO频率信号计数，当T秒后，GPS秒脉冲闸门低电平到来时，没有停止计数，经过t2时间后，等到随后而至的VCXO频率信号的上升沿到来时计数器关闭。这里使能信号（实际闸门信号）的时间宽度，恰好等于VCXO频率信号的完整周期数。根据上述相关参数：T、t1、t2、N，按照传统GPS时差比对技术可以获得对应的VCXO频率信号的修正值。上述3个发明点的总时序如图6所示控制。图中以高电平代表使能，低电平代表停止。
关于温度控制模块：里面含有温控芯片（控温用）、以及热敏电阻（测温用）。受中央处理器控制可以设定温度值T，由于整个温度控制模块置于高稳晶振VCXO(温控模块)中，所以中央处理器可以设置对应的工作环境温度、以及获得实际的工作环境温度信息。其原理如图7所示。其中两个R以及R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值应该选择与Rk相当。这里R1的值反映了实际工作环境温度T。Rk为一个热敏电阻，它贴于温控模块的表面，用以感知实际的工作环境温度T。故当工作环境温度T无变化时，上图中电桥处于平衡，输送至加热线圈环路的温度补偿电压值为0。一旦工作环境温度T发生变化，则热敏电阻Rk的阻值将变小（温度升高）或变大（温度降低），那么电桥两端存在电压差，经运算放大器A差分放大后变为温度补偿电压输送至电压源，同时输出给传统加热丝线圈环路。整个电路的放大增益由运算放大器的负反馈电阻Rw调节，Rw为一数字电位计，通过调节Rw的阻值以达到上述电路补偿因子改变功能。
关于增益调节模块，图8中的桥路测温模块与上述所说的温控模块原理一致。压控模块中的桥路测温主要由两个阻值相同的R，一个预设温度值热敏电阻传感器Ro（它决定了VCXO的工作环境温度）及测温热敏电阻Rk组成。当VCXO工作环境温度恒定时，即热敏电阻Rk测量值与预设值Ro相等，此时电阻桥路A、B端输出电压差将为0，整个压控模块输出端Uout输出为0。当VCXO工作环境温度发生改变时，则桥路的A、B端形成一定的电压差，通过电压跟随器A1及A2的传递送至A3进行差分放大，考虑到放大后的电压差能够有效得采集，所以在差分放大A3的输出端增加了一个增益线性调节电路A4。得到的电压差Uout与压控修正模块产生的压控电压求和后，送至VCXO模块。
本发明的不局限于上述实施例，本发明的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案，另外凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种信号发生器装置，包括VCXO模块、射频信号产生模块、量子***和伺服环路模块，所述VCXO模块输出的频率信号经所述射频信号产生模块产生微波探询信号作用于量子***，所述量子***产生量子鉴频信号输送至伺服环路模块，所述伺服环路模块产生直流压控信号再反馈作用于VCXO模块，使其输出频率发生变化；所述量子***包括光谱灯和集成滤光共振泡；
其特征在于：还包括控制时序发生模块、GPS信号接收机、逻辑门阵列和高速快门装置，所述GPS信号接收机的信号输出到所述控制时序发生模块，所述控制时序发生模块的控制端分别连接到所述逻辑门阵列和伺服环路模块，所述伺服环路模块的信号输出至所述控制时序发生装置，所述逻辑门阵列的输入端连接到所述伺服环路模块的输出端，所述逻辑门阵列的输出端经由所述伺服环路模块和控制时序发生模块反馈控制所述高速快门装置，所述高速快门装置设置于所述光谱灯和集成滤光共振泡之间适于通过快门装置的开或关以控制光的通过或阻断。
2.根据权利要求1所述信号发生器装置，其特征在于：还包括压控修正模块和增益控制模块，所述压控修正模块和增益控制模块依次设置在所述伺服环路模块和VCXO模块之间。
3.根据权利要求2所述信号发生器装置，其特征在于：还包括适于配合VCXO模块的温控模块，所述温控模块含有温控芯片和热敏电阻，所述温控模块置于高稳晶振VCXO中。
4.根据权利要求3所述信号发生器装置，其特征在于：所述热敏电阻设于电桥之中，当工作环境温度无变化时，电桥处于平衡，输送至加热线圈环路的温度补偿电压值为0，当工作环境温度发生变化时，热敏电阻的阻值将变小或变大，那么电桥两端存在电压差，经温控芯片差分放大后变为温度补偿电压输送至电压源，同时输出给外部加热丝线圈环路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20171215 |