CN202231698U - 用于铷原子频标的综合器及铷原子频标 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于铷原子频标的综合器及铷原子频标，属于原子频标领域。该综合器包括主控模块、数字频率合成器和滤波模块；所述主控模块分别与所述铷原子频标的压控晶振和所述数字频率合成器相连；所述数字频率合成器分别与所述压控晶振和所述滤波模块相连；所述压控晶振的频率为40MHz；所述数字频率合成器采用所述压控晶振的输出频率的6倍频作为***时钟。该铷原子频标包括物理***和电子线路，所述电子线路包括综合器、压控晶振、混频器、倍频器和伺服电路；所述综合器为前述用于铷原子频标的综合器。本实用新型可以减少铷原子频标的噪声，提高铷原子频标的稳定度。

Description

用于铷原子频标的综合器及铷原子频标

技术领域

本实用新型涉及原子频标领域，特别涉及一种用于铷原子频标的综合器及铷原子频标。

背景技术

由于铷原子频标可以将压控晶振的输出频率锁定在铷原子共振吸收峰上，从而获得高稳频率的输出，所以应用十分广泛。其一般包括物理***和电子线路两部分，而电子线路主要包括压控晶振、综合器、倍频器、混频器和伺服电路。

其中，综合器主要用于将压控晶振的输出信号转换为综合调制信号，并将该综合调制信号送入混频器混频，以获得频率近似于⁸⁷Rb原子0-0跃迁频率的微波探测信号。前述综合调制信号通常由综合器中的DDS(Digital Direct Frequency Synthesis，数字频率合成器)产生。

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

为了达到简化***的目的，现有的综合器的***时钟一般是将电子线路中压控晶振的输出频率进行倍频后获得，而通常铷原子频标都采用输出频率为10MHz或5MHz的压控晶振，所以获得***时钟时，需要倍频的次数较大，使得DDS中产生的相位噪声较大，进而影响铷原子频标的稳定度。

实用新型内容

为了减小铷原子频标的噪声，提高铷原子频标的稳定度，本实用新型实施例提供了一种用于铷原子频标的综合器及铷原子频标。所述技术方案如下：

一种用于铷原子频标的综合器，包括主控模块、数字频率合成器和滤波模块；所述主控模块分别与所述铷原子频标的压控晶振和所述数字频率合成器相连；所述数字频率合成器分别与所述压控晶振和所述滤波模块相连；所述压控晶振的输出频率为40MHz，所述数字频率合成器采用所述压控晶振的输出频率的6倍频作为***时钟。

其中，所述数字频率合成器输出的调制频率为114.6875MHz±Δf；其中，2*Δf小于所述铷原子频标的物理***中原子的线宽。

其中，所述主控模块包括：用于通过命令字控制所述数字频率合成器输出的命令字单元和用于产生键控调频信号的调频信号产生单元，所述键控调频信号为占空比为1∶1的低频方波信号。

具体地，所述键控调频信号的频率为10～200Hz。

其中，所述主控模块还包括用于产生同步参考信号的同步参考信号产生单元，所述同步参考信号的频率和占空比均与所述键控调频信号相同，且与所述键控调频信号存在固定的相位差。

具体地，所述主控模块为微处理器。

具体地，所述主控模块通过串口进行通讯。

具体地，所述数字频率合成器为芯片，且所述芯片上设有散热片。

具体地，所述滤波模块为低通滤波器。

一种铷原子频标，包括物理***和电子线路，所述电子线路包括压控晶振、混频器、倍频器、伺服电路和综合器；所述压控晶振分别与所述倍频器、所述伺服电路和所述综合器相连；所述倍频器与所述混频器相连；所述混频器分别与所述物理***和所述综合器相连；所述物理***与所述伺服电路连接；所述伺服电路与所述综合器相连；所述综合器为前述的用于铷原子频标的综合器。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过所述铷原子频标的压控晶振的频率为40MHz；所述综合器中的数字频率合成器采用所述压控晶振的输出频率的6倍频作为***时钟；减少了综合器的***时钟的倍频次数，进而能够减少铷原子频标的噪声，提高铷原子频标的稳定度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例1中提供的一种用于铷原子频标的综合器结构示意图；

图2是本实用新型实施例1中提供的一种用于铷原子频标的综合器的主控模块的结构示意图；

图3是本实用新型实施例1中提供的一种用于铷原子频标的综合器的键控调频工作原理示意图；

图4是本实用新型实施例2中提供的一种用于铷原子频标结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

参见图1，本实用新型实施例提供了一种用于铷原子频标的综合器101，该综合器101包括：主控模块1011、DDS1012和滤波模块1013；主控模块1011分别与铷原子频标的压控晶振102和DDS1012相连；DDS1012分别与压控晶振102和滤波模块1013相连；铷原子频标的压控晶振102的输出频率为40MHz，DDS1012采用压控晶振102的输出频率的6倍频作为***时钟。

也就是说，DDS1012以240MHz作为***时钟，理论上输出的频率范围为0-240MHz。由于仅采用了40MHz的压控晶振102作为外部时钟，将其6倍频后得到240MHz的时钟信号，所以可以减少倍频次数，进而降低DDS1012内产生的相位噪声，同时便于得到114.6875MHz频率信号的输出。

下面以48位DDS为例，对DDS1012的工作原理进行简单说明。48位DDS的输出频率的分辨率为(240MHz/2⁴⁸)。主控模块1011通过软件命令控制字改变48位二进制位‘0’或‘1’，从而改变DDS1012的具体频率输出。设置软件命令控制字依据的公式如下，

$D=\frac{f}{f_0}\×2^{48}$

公式中的D为DDS1012的具体频率输出，f为预置在主控模块1011中的信号频率，f₀为DDS1012外部参考时钟信号的频率。

进一步地，DDS1012输出的调制频率为114.6875MHz±Δf；其中，2*Δf小于所述铷原子频标的物理***106(见图4)中原子的线宽。为得到114.6875MHz的输出信号，则主控模块1011中设置的软件命令控制字为：(114.6875MHz/240MHz)*2⁴⁸。

优选地，主控模块1011为微处理器。该微处理器的外部时钟参考源为压控晶振102输出的40MHz频率信号。

进一步地，参见图2，在本实施例中，主控模块1011包括命令字单元1011a和调频信号产生单元1011b。

其中，命令字单元1011a用于通过软件命令控制字设置所述DDS1012的具体频率输出。调频信号产生单元1011b用于产生键控调频信号，该键控调频信号为占空比为1∶1的低频方波信号。具体地，调频信号产生单元1011b产生一路占空比为1∶1的低频方波信号送至所述DDS1012的FSK引脚。

该调制信号的频率的优选范围为10～200Hz。值得说明的是，关于调制信号的频率的选择，需要考虑的因素包括：物理***106(见图4)中的光电池和电子线路中的压控晶振102的噪声谱。其中，光电池的闪相噪声具有1/f的频率特性，为避免闪相噪声的影响，需要测量光电池的闪相噪声谱，选择调制频率时，依据测得的光电池闪相噪声谱，在可能的情况下应尽量向高端靠，使闪相噪声的贡献与散弹噪声比可以忽略不计。而压控晶振作为***的本振，它对整机稳定度指标的影响主要是位于调制频率附近的相位噪声。离调制频率愈近，它们对长取样时间的稳定度影响愈大，反之，则对短取样时间的稳定度影响愈大。因此，在选择调制频率时除了考虑光电池闪相噪声之外，还应考虑避开晶体振荡器相位噪声比较强的区域。

进一步地，主控模块1011还包括同步参考信号产生单元1011c，同步参考信号产生单元1011c用于产生一路与前述键控调频信号有固定相位差的方波信号，作为伺服电路105的同步参考信号，该同步参考信号的频率和占空比均与前述键控调频信号相同，此为本领域人员熟知，故不再详述。

其中，主控模块1011通过串口进行通讯；进一步地，所述串口可以为RS-232。

具体地，为对准实际的物理***⁸⁷Rb原子中心0-0跃迁频率，满足调试工作的需要，能够方便地改变综合器101的输出频率114.6875MHz，主控模块1011通过串口时序通讯方式来实现此功能，并在相应的EEPROM寄存器中保存改变了的参数。

具体地，参见图3，A代表主控模块1011的117Hz低频方波信号作为键控调频信号，B代表DDS1012产生的频率信号。A输送至DDS1012的FSK引脚，当出现高电平‘1’时，DDS1012产生频率信号为F1，当出现低电平‘0’时，DDS1012产生频率信号为F2，其中F1＝114.6875MHz-ΔF；F2＝114.6875MHz+ΔF。其中，114.6875MHz±Δf为DDS1012的调制频率；2*Δf为调制深度，其大小要小于物理***中原子的线宽。优选地，2*Δf为300Hz。

优选地，DDS1012为芯片，该芯片上还设有散热片。因为DDS工作的频率比较高，芯片在工作时会发烫，不但影响正常的电路工作状态，甚至会造成芯片的烧毁，故在设计时，考虑将散热片安装在DDS芯片上，其上方与铷原子频标的外壳相接，以获得更大的散热面。散热片上方通过四个弹簧与盒盖压紧接触，保证长期工作时，DDS芯片与散热片间的良好接触。

其中，滤波模块1013用于滤除DDS1012的输出频率中的高频分量及噪声干扰，提高环路的稳定性。具体地，滤波模块1013可以为低通滤波器。

实施例2

参见图4，本实用新型实施例还提供了一种铷原子频标，包括物理***106和电子线路，电子线路包括压控晶振102、混频器103、倍频器104、伺服电路105和综合器。其中，压控晶振102分别与倍频器104、伺服电路105和综合器相连；倍频器104与混频器103相连；混频器103分别与物理***106和综合器相连；物理***106与伺服电路105相连；伺服电路105与综合器相连。该综合器为实施例1中提供的综合器101。

铷原子频标的工作原理为本领域技术人员熟知，在此省略详细描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于铷原子频标的综合器，其特征在于，所述综合器包括主控模块、数字频率合成器和滤波模块；所述主控模块分别与所述铷原子频标的压控晶振和所述数字频率合成器相连；所述数字频率合成器分别与所述压控晶振和所述滤波模块相连；所述压控晶振的输出频率为40MHz，所述数字频率合成器采用所述压控晶振的输出频率的6倍频作为***时钟。

2.根据权利要求1所述的综合器，其特征在于，所述数字频率合成器输出的调制频率为114.6875MHz±Δf；其中，2*Δf小于所述铷原子频标的物理***中原子的线宽。

3.根据权利要求2所述的综合器，其特征在于，所述主控模块包括：用于通过命令字控制所述数字频率合成器输出的命令字单元和用于产生键控调频信号的调频信号产生单元，所述键控调频信号为占空比为1∶1的低频方波信号。

4.根据权利要求3所述的综合器，其特征在于，所述键控调频信号的频率为10～200Hz。

5.根据权利要求3所述的综合器，其特征在于，所述主控模块还包括用于产生同步参考信号的同步参考信号产生单元，所述同步参考信号的频率和占空比均与所述键控调频信号相同，且与所述键控调频信号存在固定的相位差。

6.根据权利要求1所述的综合器，其特征在于，所述主控模块为微处理器。

7.根据权利要求1所述的综合器，其特征在于，所述主控模块通过串口进行通讯。

8.根据权利要求1所述的综合器，其特征在于，所述数字频率合成器为芯片，且所述芯片上设有散热片。

9.根据权利要求1所述的综合器，其特征在于，所述滤波模块为低通滤波器。

10.一种铷原子频标，包括物理***和电子线路，所述电子线路包括压控晶振、混频器、倍频器、伺服电路和综合器；所述压控晶振分别与所述倍频器、所述伺服电路和所述综合器相连；所述倍频器与所述混频器相连；所述混频器分别与所述物理***和所述综合器相连；所述物理***与所述伺服电路相连；所述伺服电路与所述综合器相连；其特征在于，所述综合器为权利要求1-9任一项所述的综合器。

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