CN114884507A - 一种铷原子钟驯服*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铷原子钟驯服***，该驯服***包括：铷量子单元、铷伺服电路单元、恒温晶振、整机频率调节单元、主控MCU、第一分频器、第二分频器、第三分频器、第一时间数字转换单元、第二时间数字转换单元、数控振荡器、时差处理器、数字锁相环和倍频器，其中，主控MCU用于控制设置铷量子单元的参数和铷伺服电路单元的工作参数，以完成铷原子钟的频率锁定；铷原子钟的频率锁定完成后，铷原子钟的频率信号与外部输入的频率信号进行比较，主控MCU控制铷原子钟调整整机频率，从而完成驯服。
Description
技术领域
本发明涉及原子频率标准及测量领域，更具体地，涉及一种铷原子钟驯服***。
背景技术
铷原子钟是一种二级频率标准，在使用中常常会接受导航卫星信号进行授时和频率驯服校准，以此来得到准确的10MHz频率信号和时刻信息的1PPS脉冲信号。
通常铷原子钟只能接受1PPS信号驯服，它通过FPGA设计一个分频系数为107的固定分频器，将铷原子钟晶振输出的10MHz信号分频为1PPS脉冲信号，再用时差测量单元测量此1PPS信号和外部1PPS(通常为导航接收机生成)的上升沿时差，通过调整铷原子钟频率将此时差始终保持在某一恒定值。因为导航接收机生成的1PPS信号准确度由卫星星载钟决定，而卫星星载钟通过地面站校准溯源到协调世界时(UTC)，因此铷原子钟锁定到此1PPS信号后，铷原子钟本身频率被校准，同时铷原子钟输出的1PPS信号也被同步到UTC。
但遗憾的是，由于卫星信号传输存在干扰，使导航接收机生成的1PPS信号带有很大的噪声，加上1PPS信号速率过慢，因此使用它对铷原子钟进行校准通常需要12h以上。即使我们在现场有高级钟输出的低噪声1PPS作为标准，想校准铷原子钟频率仍需要几千秒的时间，这在一些需要快速响应的场合是不能接受的。这种场合下，如果我们使用外部仪器先测量铷原子钟频率再手工或程序对铷原子钟进行校准，那么所需要的仪器是复杂的，对操作人员的也有特定的专业要求，因此基本上是不可行的。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种铷原子钟驯服***。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种铷原子钟驯服***，包括：铷量子单元、铷伺服电路单元、恒温晶振、整机频率调节单元、主控MCU、第一分频器、第二分频器、第三分频器、第一时间数字转换单元、第二时间数字转换单元、数控振荡器、时差处理器、数字锁相环和倍频器，其中，
主控MCU用于控制设置铷量子单元的参数和铷伺服电路单元的工作参数，以完成铷原子钟的频率锁定；
铷原子钟的频率锁定完成后，铷原子钟的频率信号与外部输入的频率信号进行比较，主控MCU控制铷原子钟调整整机频率，从而完成驯服。
可选地，铷原子钟开始工作时，主控MCU设置铷量子单元的参数和铷伺服电路单元的工作参数，所述参数包括设定铷量子单元的温度，当铷量子单元的温度加热到指定的温度以及铷伺服电路单元的工作参数设置完成后，频率的扫描电路开始工作，频率扫过去，铷原子钟频率锁定，将恒温晶振的频率锁定到铷量子单元的铷跃迁频率上，铷原子钟锁定完成。
可选地，所述恒温晶振的频率为10MHz。
可选地，恒温晶振的频率作为铷原子钟的频率输出，需要与外部输入的频率信号进行比较，比较后主控MCU计算出需要调节的频率，整机频率调节单元开始工作，将恒温晶振的频率校准到跟输入的频率信号一样，铷原子钟的频率被校准，校准后进行授时。
可选地，外部输入的频率信号为1PPS或者10MHz。
可选地，外部输入的频率信号经第一分频器，输出第一分频信号，作为第一时间数字转换单元的输入，第一时间数字转换单元将其转换为第一时间，送给时差处理器；恒温晶振的频率信号进入倍频器，输入给数控振荡器作为驱动时钟，由主控MCU控制数控振荡器与第二分频器联合输出与第一分频信号同频的第二分频信号，作为第二时间数字转换单元的输入，第二时间数字转换单元将其转换为第二时间，送给时差处理器；时差处理器将第一时间和第二时间的差值传输给主控MCU，主控MCU计算出需要调节的频率，传输给整机频率调节单元，整机频率调节单元13调节频率，控制铷原子钟整机频率使第二分频信号与第一分频信号相位同步，从而完成驯服。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案，实现了卫星1PPS驯服功能的同时，也实现了兼容10MHz信号驯服的功能，不需要额外增加任何仪器即可解决铷原子钟频率快速校准的问题，校准时间缩短为几十秒。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施例提供的铷原子钟驯服***的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种铷原子钟驯服***，如图1所示，该铷原子钟驯服***包括：铷量子单元10、铷伺服电路单元11、恒温晶振12、整机频率调节单元13、主控MCU 14、第一分频器15、第二分频器16、第三分频器17、第一时间数字转换单元18、第二时间数字转换单元19、数控振荡器20、时差处理器21、数字锁相环22和倍频器23，其中，
主控MCU 14用于控制设置铷量子单元10的参数和铷伺服电路单元11的工作参数，以完成铷原子钟的频率锁定；
铷原子钟的频率锁定完成后，铷原子钟的频率信号与外部输入的频率信号进行比较，主控MCU控制铷原子钟调整整机频率，从而完成驯服。
在一个具体示例中，铷原子钟开始工作时，主控MCU 14设置铷量子单元10的参数，所述参数包括设定铷量子单元10的温度以及设定铷伺服电路单元11的工作参数等，当铷量子单元10的温度加热到指定的温度以及铷伺服电路单元11的工作参数设置完成后，频率的扫描电路开始工作，频率扫过去，铷原子钟频率锁定，即将恒温晶振12的频率锁定到铷量子单元10的铷跃迁频率上，此时，铷原子钟锁定完成。
在一个具体示例中，所述恒温晶振12的频率为10MHz。
在一个具体示例中，铷原子钟锁定完成后，恒温晶振12的频率作为铷原子钟的频率输出，精度还不满足要求，需要与外部输入的准确的频率信号进行比较，比较后主控MCU计算出需要调节的频率，整机频率调节单元13开始工作，将10MHZ校准到跟输入的准确的频率信号一样，此时，铷原子钟的频率被校准，校准后可以进行授时。
本发明实施例中，外部输入的准确的频率信号可以选择1PPS或者10MHz。
在一个具体示例中，外部输入的准确的频率信号1PPS或10MHz，外部输入的1PPS信号经第一分频器15，输出第一分频信号31，作为第一时间数字转换单元18的输入，第一时间数字转换单元18将其转换为第一时间，送给时差处理器21；恒温晶振12输出的10MHz信号进入倍频器23，输入给数控振荡器20作为驱动时钟41，由主控MCU 14控制数控振荡器20与第二分频器16联合输出与第一分频信号31同频的第二分频信号32，作为第二时间数字转换单元19的输入，第二时间数字转换单元19将其转换为第二时间，送给时差处理器。
如果第一分频器15输入为1PPS，则第一分频器分频系数为1，设置数控振荡器20，使第二分频信号32，也是其为1Hz；如果第一分频器15输入为10MHz，则第一分频器分频系数不为1，而使第一分频信号31为尽量高的数值，同样设置数控，使第二分频信号32与第一分频信号31相同值。设置分频器完成后，启动时差处理器，时差处理器将第一时间和第二时间的差值传输给主控MCU，主控MCU计算出需要调节的频率，传输给整机频率调节单元13，整机频率调节单元13调节频率，控制铷原子钟整机频率使第二分频信号32与第一分频信号31相位同步，从而完成驯服。
在另一个具体示例中，外部输入的准确的频率信号10MHz时，一种快速校准铷原子钟10MHz的方法为：设置第一分频器和第二分频器，使第一分频信号31和第二分频信号32同频，且为尽量高的数值，启动数字锁相环进行锁定，此时取出数控振荡器数值，由此数值可得出铷原子钟本身的频率，调整铷原子钟整机频率，可完成铷原子钟频率校准。铷原子钟频率校准后，输入信号切换为1PPS，重新设置第一分频器和第二分频器，测出输入1PPS和本地1PPS的时差，从而快速调整和校准本地1PPS输出，使二者同步，这两步相结合可快速完成校频和授时。
本发明所述技术方案，通过增加的分频系数可变的时差测量及数字锁相单元，使其铷原子钟可接受1PPS和10MHz两种信号，甚至任意频率信号的驯服，从而允许用户使用导航卫星授时，也可以使用铯钟、氢钟等高级原子钟对铷原子钟频率进行快速校准。同时，本发明技术方案还可以允许用户开环测量输入10MHz和铷原子钟本身的频差，大大增加了用户的使用灵活度。本发明技术方案体积小、成本低、适应频率范围广、便于集成，除铷量子单元和恒温晶振外，甚至所有功能可以集成到一颗芯片内，大大加强了铷原子钟的功能和易用性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (6)
1.一种铷原子钟驯服***，其特征在于，包括：铷量子单元、铷伺服电路单元、恒温晶振、整机频率调节单元、主控MCU、第一分频器、第二分频器、第三分频器、第一时间数字转换单元、第二时间数字转换单元、数控振荡器、时差处理器、数字锁相环和倍频器，其中，
主控MCU用于控制设置铷量子单元的参数和铷伺服电路单元的工作参数，以完成铷原子钟的频率锁定；
铷原子钟的频率锁定完成后，铷原子钟的频率信号与外部输入的频率信号进行比较，主控MCU控制铷原子钟调整整机频率，从而完成驯服。
2.根据权利要求1所述的铷原子钟驯服***，其特征在于，铷原子钟开始工作时，主控MCU设置铷量子单元的参数和铷伺服电路单元的工作参数，所述参数包括设定铷量子单元的温度，当铷量子单元的温度加热到指定的温度以及铷伺服电路单元的工作参数设置完成后，频率的扫描电路开始工作，频率扫过去，铷原子钟频率锁定，将恒温晶振的频率锁定到铷量子单元的铷跃迁频率上，铷原子钟锁定完成。
3.根据权利要求2所述的铷原子钟驯服***，其特征在于，所述恒温晶振的频率为10MHz。
4.根据权利要求2所述的铷原子钟驯服***，其特征在于，恒温晶振的频率作为铷原子钟的频率输出，需要与外部输入的频率信号进行比较，比较后主控MCU计算出需要调节的频率，整机频率调节单元开始工作，将恒温晶振的频率校准到跟输入的频率信号一样，铷原子钟的频率被校准，校准后进行授时。
5.根据权利要求4所述的铷原子钟驯服***，其特征在于，外部输入的频率信号为1PPS或者10MHz。
6.根据权利要求4所述的铷原子钟驯服***，其特征在于，外部输入的频率信号经第一分频器，输出第一分频信号，作为第一时间数字转换单元的输入，第一时间数字转换单元将其转换为第一时间，送给时差处理器；恒温晶振的频率信号进入倍频器，输入给数控振荡器作为驱动时钟，由主控MCU控制数控振荡器与第二分频器联合输出与第一分频信号同频的第二分频信号，作为第二时间数字转换单元的输入，第二时间数字转换单元将其转换为第二时间，送给时差处理器；时差处理器将第一时间和第二时间的差值传输给主控MCU，主控MCU计算出需要调节的频率，传输给整机频率调节单元，整机频率调节单元13调节频率，控制铷原子钟整机频率使第二分频信号与第一分频信号相位同步，从而完成驯服。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115128937A (zh) * | 2022-08-25 | 2022-09-30 | 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 | 防欺骗式干扰铷原子钟驯服方法及*** |
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2022
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Cited By (2)
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| CN115128937B (zh) * | 2022-08-25 | 2022-11-04 | 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 | 防欺骗式干扰铷原子钟驯服方法及*** |
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