CN203086445U - 一种新型微波原子钟*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型微波原子钟***，其特征在于，包括：第一原子频标单元、第二原子频标单元、混频单元、滤波单元、计数单元及DDS修正单元。第一原子频标单元依次与计数单元、混频单元连接；第二原子频标单元依次与计数单元、DDS修正单元连接；混频单元依次与DDS修正单元、滤波单元连接；计数单元与DDS修正单元连接。其中，计数单元对第一原子频标单元进行频率计数获得频率值M，对第二原子频标单元进行频率计数获得频率值N；DDS修正单元在第二原子频标单元的参考时钟下对所述M、N数值关系进行修正并将修正后的M、N传输至混频单元；进而传输至滤波单元。本实用新型实现了当外界因素改变时仍能输出稳定的频率信号。

Description

一种新型微波原子钟***

技术领域

本实用新型属于原子频标技术领域，特别涉及一种新型微波原子钟***。

背景技术

原子频标以其稳定的频率值输出作为一个时基标准已经广泛地应用于诸多领域，但是工作环境温度的变化，会对原子频标内部物理***以及电子线路造成致命的影响，最终造成原子频标整机输出信号频率的不稳定。在这方面人们通过许多方法来克服这方面的影响：例如将原子频标放置在一个恒温环境下工作，或是通过内部参数来补偿温度变化造成的输出信号频率值不稳定的影响。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是从原子频标***设计本身入手，提供一种当外界因素改变时能够实现输出稳定频率信号的新型微波原子钟***。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种新型微波原子钟***，包括：第一原子频标单元、第二原子频标单元、混频单元、滤波单元、计数单元及DDS修正单元。所述第一原子频标单元依次与所述计数单元、所述混频单元连接；所述第二原子频标单元依次与所述计数单元、所述DDS修正单元连接；所述混频单元依次与所述DDS修正单元、滤波单元连接；所述计数单元与所述DDS修正单元连接。进一步地，所述DDS修正单元包括：中央处理器、DDS芯片；所述中央处理器依次与所述计数单元、所述DDS芯片连接；所述DDS芯片依次与所述第二原子频标单元、所述混频单元连接。

进一步地，所述第一原子频标单元、所述第二原子频标单元具有相同的温度系数。

进一步地，所述第一原子频标单元的短期频率稳定度优于所述第二原子频标单元的短期频率稳定度。

进一步地，所述第一原子频标单元的长期频率稳定度优于所述第二原子频标单元的长期频率稳定度。

进一步地，经所述DDS修正单元修正后的M、N数值关系是：M=2N。

进一步地，所述计数单元是走时计数器。

进一步地，所述混频单元是混频器。

进一步地，所述滤波单元是滤波器。

本实用新型提供的一种新型微波原子钟***，其特征在于，包括：第一原子频标单元、第二原子频标单元、混频单元、滤波单元、计数单元及DDS修正单元。第一原子频标单元依次与计数单元、混频单元连接；第二原子频标单元依次与计数单元、DDS修正单元连接；混频单元依次与DDS修正单元、滤波单元连接；计数单元与DDS修正单元连接。其中，计数单元在第一原子频标单元的参考时钟下对第一原子频标单元进行频率计数获得频率值M，对第二原子频标单元进行频率计数获得频率值N；DDS修正单元在第二原子频标单元的参考时钟下对所述M、N数值关系进行修正并将修正后的M、N传输至混频单元；进而传输至滤波单元。本实用新型实现了当外界因素改变时仍能输出稳定的频率信号。同时，本实用新型具有结构简单、易操作、准确度高的特点。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种新型微波原子钟***原理结构框图。

其中，201-第一原子频标单元，202-第二原子频标单元，203-混频单元，204-滤波单元，205-计数单元，206-DDS修正单元。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型提供的具体实施方式作进一步详细说明。

参见图1，本实用新型实施例提供的一种新型微波原子钟***，包括：第一原子频标单元201、第二原子频标单元202、混频单元203、滤波单元204、计数单元205及DDS修正单元206。其中，第一原子频标单元201依次与计数单元205、混频单元203连接。第二原子频标单元202依次与计数单元205、DDS修正单元206连接。混频单元203依次与DDS修正单元206、滤波单元204连接。计数单元205与DDS修正单元206连接。

本实施例中，计数单元205在第一原子频标单元201的参考时钟下对第一原子频标单元201进行频率计数获得频率值M，同时对第二原子频标单元202进行频率计数获得频率值N。DDS修正单元206在第二原子频标单元202的参考时钟下对M、N数值关系进行修正。DDS修正单元206将修正后的M、N传输至混频单元203进行混频处理。混频单元203将混频处理后所获得频率值F传输至滤波单元204进行滤波处理。最终将经滤波单元204滤波处理后的信号输出。

本实施例中，DDS修正单元206包括：中央处理器、DDS芯片。其中，中央处理器依次与计数单元205、DDS芯片连接，用于根据从计数单元获得M、N的频率值来决定修正值的大小并送至DDS芯片内部的频率寄存器。DDS芯片依次与第二原子频标单元202、混频单元203连接，用于在第二原子频标单元202的参考时钟下，根据中央处理器所决定的修正值对DDS芯片内部频率寄存器值进行修正，进而输出合适的频率信号至混频单元203进行混频处理。

本实施例中，第一原子频标单元201、第二原子频标单元202具有相同的温度系数。即外界工作环境温度的变化造成的整机输出信号频率变化值大小和方向均相同。同时，第一原子频标单元201除温度性能外的其它性能优于第二原子频标单元202。

优选地，第一原子频标单元201的短期频率稳定度优于第二原子频标单元202的短期频率稳定度。

优选地，第一原子频标单元201的长期频率稳定度优于第二原子频标单元202的长期频率稳定度。

本实施例中，经DDS修正单元206修正后的M、N数值关系是：M=2N。具体操作方法如：修正前M=20.000000MHz，N=10.001000MHz（M、N的小数位与DDS芯片位数有关，例如AD9852其内部有48位频率寄存器，其频率分辨率可达2⁴⁸，对于10MHz的频率信号而言，可分辨为3.6×10^-8Hz）。本实施例中要求M是N的2倍，因此中央处理器在访问计数单元205所获得M、N值的前提下，发送具体修正值至DDS芯片中，使其在第二原子频标单元202输出频率信号N（10.001000MHz）参考下输出修正后频率值N‘=10.000000MHz的频率信号至混频单元203，以保证在混频单元203处M是N的2倍。

优选地，混频单元203是混频器。

优选地，滤波单元204是滤波器。

优选地，计数单元205是走时计数器。

下面通过理论分析，证明当外界因素改变时本实用新型实施例提供的一种新型微波原子钟***能够实现输出频率值稳定。

分析证明：

在本实施例提供的一种新型微波原子钟***中，设：

$F_1=F_{01}(1+\frac{\mathrm{\Δ}{F}_1}{F_{01}})=F_{01}(1+v_1)\→\left(1\right)$

$F_2=F_{02}(1+\frac{\mathrm{\Δ}{F}_2}{F_{02}})=F_{02}(1+v_2)\→\left(2\right)$

$F_3=F_{03}(1+\frac{\mathrm{\Δ}{F}_3}{F_{03}})=F_{03}(1+v_3)\→\left(3\right)$

其中，F₁、F₂、F₃分别是第一原子频标单元201、第二原子频标单元202、混频单元203输出的频率值；F₀₁、F₀₂、F₀₃分别是***稳定后第一原子频标单元201、第二原子频标单元202、混频单元203输出的频率初始值；v₁、v₂、v₃分别是第一原子频标单元201、第二原子频标单元202、混频单元203的相对平均频率偏差。

由式（3）得：

$v_3=\frac{F_3}{F_{03}}-1=\frac{F_1-F_2}{F_{03}}-1\→\left(4\right)$

1、当第一原子频标单元201、第二原子频标单元202的工作环境温度T发生变化时，将引起F₁＝F₀₁+ΔF₁，F₂＝F₀₂+ΔF₂，由于本实用新型实施例是选择的具有相同温度系数的第一原子频标单元201、第二原子频标单元202，因此：ΔF₁＝ΔF₂，代入式（4）得：

$v_3=\frac{(F_{01}+\mathrm{\Δ}{F}_1)-(F_{02}+\mathrm{\Δ}{F}_2)}{F_{03}}-1=\frac{F_{01}-F_{02}}{F_{03}}-1\→\left(5\right)$

本实施例中，由于是混频作用，有F₀₃＝F₀₁-F₀₂，所以式（5）的相对平均频率偏差v₃＝0，这说明选用温度系数相同的第一原子频标单元201、第二原子频标单元202，经混频单元203作用后获得的频率信号当温度变化时，并不会影响***的输出频率，达到了提高稳定性的目的。

2、当其它因素（除温度外）导致的第一原子频标单元201、第二原子频标单元202的输出频率变化时，由于本实施例中第一原子频标单元201的性能优于第二原子频标单元202（如第一原子频标单元201的短期频率稳定度优于第二原子频标单元202的短期频率稳定度，第一原子频标单元201的长期频率稳定度优于第二原子频标单元202的长期频率稳定度），因此假设式（1）中的v₁相对于v₂来说，可以忽略，于是由式（4）可得：

$v_3=\frac{F_{01}-F_{02}(1+v_2)}{F_{03}}-1=\frac{(F_{01}-F_{02})-F_{02}{v}_2}{F_{03}}-1=-\frac{F_{02}}{F_{03}}{v}_2\→\left(6\right)$

此时，本实施例通过DDS修正单元206获得F₀₁=2F₀₂，从而F₀₃＝F₀₁-F₀₂＝F₀₂，因此式（6）变为：

v₃＝-v₂→(7)

由式（7）可知通过混频单元203处理后整个***的相对平均频率偏差可以反映第二原子频标单元202的相对平均频率偏差，同时结合式（5）获得的结论，证明了当外界因素改变时本实用新型实施例提供的一种新型微波原子钟***能够实现输出稳定频率信号。

在实际应用中，当外界环境变化时（如温度），按照传统独立的原子频标***，其输出信号频率稳定性将会因此而受影响，但本发明设计的差分式结构，混频模块输出的信号频率稳定性能够反映原来的独立的原子频标***的信号频率稳定性，且不会受外界环境变化而影响。

本实用新型提供的一种新型微波原子钟***，其特征在于，包括：第一原子频标单元201、第二原子频标单元202、混频单元203、滤波单元204、计数单元205及DDS修正单元206。第一原子频标单元201依次与计数单元205、混频单元203连接；第二原子频标单元202依次与计数单元205、DDS修正单元206连接；混频单元203依次与DDS修正单元206、滤波单元204连接；计数单元205与DDS修正单元206连接。其中，计数单元205在第一原子频标单元201的参考时钟下对第一原子频标单元201进行频率计数获得频率值M，对第二原子频标单元202进行频率计数获得频率值N；DDS修正单元206在第二原子频标单元202的参考时钟下对M、N数值关系进行修正并将修正后的M、N传输至混频单元203；进而传输至滤波单元204。本实用新型实现了当外界因素改变时仍能输出稳定的频率信号。同时，本实用新型具有结构简单、易操作、准确度高的特点。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种新型微波原子钟***，其特征在于，包括：第一原子频标单元、第二原子频标单元、混频单元、滤波单元、计数单元及DDS修正单元；

所述第一原子频标单元依次与所述计数单元、所述混频单元连接；

所述第二原子频标单元依次与所述计数单元、所述DDS修正单元连接；

所述混频单元依次与所述DDS修正单元、滤波单元连接；

所述计数单元与所述DDS修正单元连接。

2.根据权利要求1所述新型微波原子钟***，其特征在于，所述DDS修正单元包括：中央处理器、DDS芯片；

所述中央处理器依次与所述计数单元、所述DDS芯片连接；

所述DDS芯片依次与所述第二原子频标单元、所述混频单元连接。

3.根据权利要求2所述新型微波原子钟***，其特征在于：

所述第一原子频标单元、所述第二原子频标单元具有相同的温度系数。

4.根据权利要求3所述新型微波原子钟***，其特征在于：

所述第一原子频标单元的短期频率稳定度优于所述第二原子频标单元的短期频率稳定度。

5.根据权利要求3所述新型微波原子钟***，其特征在于：

所述第一原子频标单元的长期频率稳定度优于所述第二原子频标单元的长期频率稳定度。

6.根据权利要求1-5任一项所述新型微波原子钟***，其特征在于：

经所述DDS修正单元修正后的M、N数值关系是：M=2N。

7.根据权利要求6所述新型微波原子钟***，其特征在于：

所述计数单元是走时计数器。

8.根据权利要求7所述新型微波原子钟***，其特征在于：

所述混频单元是混频器。

9.根据权利要求8所述新型微波原子钟***，其特征在于：

所述滤波单元是滤波器。

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