本實用新型涉及汞離子微波頻標(biāo)熒光探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于汞離子微波頻標(biāo)熒光探測的差分式信號甄別電路。

背景技術(shù)：

汞離子微波頻標(biāo)是一種新型的被動型原子頻標(biāo)，其物理系統(tǒng)采用囚禁離子物理體系，不同于傳統(tǒng)微波頻標(biāo)的物理系統(tǒng)，它通過加在特定構(gòu)型的阱電極上的靜電、磁場或射頻場，將作為工作物質(zhì)的汞離子，長時間地約束在恒定的、幾乎無電磁干擾的的超高真空區(qū)，處于上述條件下的離子，具有基本不受實物粒子和場的影響、運(yùn)動效應(yīng)小和量子態(tài)相干時間長等內(nèi)在特點(diǎn)，各種頻移很小。同時，囚禁的汞離子作為工作物質(zhì)，其對空間環(huán)境中的溫度和磁場變化相對不敏感，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。汞離子基態(tài)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂大（40.5GHz），離子囚禁在超高真空中的“自由空間”里，無器壁、雜質(zhì)粒子的碰撞，鐘躍遷譜線線寬極窄（可達(dá)毫赫茲），Q（品質(zhì)因數(shù)）值高。汞離子微波頻標(biāo)因囚禁離子體系和汞離子自身的特點(diǎn)，具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定度和極低的漂移率，并且能夠長期連續(xù)運(yùn)行，易于小型化，是新一代高性能地面守時和星載原子鐘的首選。

汞離子微波頻標(biāo)工作原理如下：本地振蕩器發(fā)出10MHz頻率信號，并經(jīng)過頻率綜合器，產(chǎn)生頻率在鐘躍遷頻率（約40.5GHz）附近的微波輻射場；再利用汞同位素譜燈進(jìn)行光抽運(yùn)選態(tài)，實現(xiàn)光-微波雙共振，使汞離子發(fā)出鐘躍遷熒光；鐘躍遷熒光信號的強(qiáng)度代表汞離子與微波相互作用時的躍遷幾率，能夠反映微波輻射場頻率與鐘躍遷頻率偏差的大??；通過頻率偏差產(chǎn)生糾偏電壓對本地振蕩器的頻率進(jìn)行反饋控制，使本地振蕩器輸出頻率鎖定在汞離子的鐘躍遷譜線上，實現(xiàn)穩(wěn)定的頻率輸出。其電子系統(tǒng)包括離子囚禁系統(tǒng)以及熒光探測和控制系統(tǒng)。熒光探測系統(tǒng)檢測囚禁離子阱中的離子在抽運(yùn)光的作用下自發(fā)輻射的熒光信號，通過光電倍增管轉(zhuǎn)換成微弱電信號。弱電信號為高速負(fù)脈沖信號，通過熒光采集、放大、以及信號電壓甄別，將弱熒光信號裝換成高信噪比的壓控信號，用于鎖定恒溫晶振頻率。因此，在整個頻標(biāo)的電子系統(tǒng)中，囚禁離子的熒光探測是非常重要的環(huán)節(jié)，熒光信號的信噪比直接影響汞離子微波頻標(biāo)的性能指標(biāo)。

目前，汞離子微波頻標(biāo)實驗系統(tǒng)采用商用前置放大器將光電倍增管輸出信號放大，再利用商用光子計數(shù)器對信號進(jìn)行計數(shù)，最后利用計算機(jī)軟件LABVIEW控制數(shù)據(jù)采集卡得到本振晶振的電壓控制信號，其系統(tǒng)龐大、穩(wěn)定性差。為研制高性能、小型化汞離子微波頻標(biāo)，本實用新型研制了一種用于汞離子微波頻標(biāo)熒光探測的差分式信號甄別電路取代傳統(tǒng)商業(yè)儀器，差分信號能被可編程邏輯器件直接采集，使整個熒光光子的數(shù)據(jù)采集單元數(shù)字化、集成化，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，大大降低了整個電路的功耗，進(jìn)一步提高了汞離子微波頻標(biāo)系統(tǒng)中熒光信號的采集精度，為實現(xiàn)小型化汞離子微波頻標(biāo)應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在缺點(diǎn)和不足，提供一種用于汞離子微波頻標(biāo)熒光探測的差分式信號甄別電路。

本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的：

本實用新型包括現(xiàn)有的熒光放大電路、熒光采集裝置和直流穩(wěn)壓電源；

設(shè)置有反相模塊、驅(qū)動模塊、電壓參考模塊、差分甄別模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊；

其連接關(guān)系是：

熒光放大電路、反相模塊、驅(qū)動模塊依次連接，驅(qū)動模塊輸出端接入差分甄別模塊的正輸入端，差分甄別模塊通過電平轉(zhuǎn)換模塊將得到的高速差分信號送入熒光采集裝置；

直流穩(wěn)壓電源為反相模塊、驅(qū)動模塊、電壓參考模塊、差分甄別模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊供電，電壓參考模塊和差分甄別模塊的負(fù)輸入端連接，提供一種精準(zhǔn)的參考電壓。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

①與一種單光子計數(shù)放大/甄別電路（CN201110200406）相比，本實用新型更具體地針對甄別電路，利用了較低功耗的差分式信號處理方法，在差分甄別模塊添加了遲滯回路，具有更強(qiáng)的抗干擾能力和降噪功能；驅(qū)動模塊以及參考電壓模塊的添加與改進(jìn)使整個電路具有更強(qiáng)的實用性，能匹配不同狀況下的信號；

②電路輸出的差分信號可直接由可編程邏輯器件構(gòu)成的熒光采集裝置采集，摒棄了商用儀器，為整個熒光探測系統(tǒng)的小型化奠定了基礎(chǔ)；

③熒光探測過程中，熒光信號是脈寬約2.5ns高速不規(guī)則信號，本實用新型能夠?qū)晒夥糯箅娐份敵龅母咚倌M信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號，數(shù)字信號具有更高的信噪比，能提高后級熒光采集精度；

④差分式信號甄別電路通過R₂₂電阻和R₂₃電阻構(gòu)成遲滯差分比較器，能在一定程度上增強(qiáng)高速信號的抗干擾能力，進(jìn)一步提高采集精度。

⑤不僅能在汞離子微波頻標(biāo)小型化系統(tǒng)中使用，更能做類似信號處理的一般化推廣使用。

附圖說明

圖1為本實用新型的電路原理圖；

圖2為反相模塊的電路原理圖；

圖3為驅(qū)動模塊的電路原理圖；

圖4為電壓參考模塊的電路原理圖；

圖5為差分甄別模塊的電路原理圖；

圖6為電平轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖。

圖中：

100—熒光放大電路；

200—反相模塊,

201—R₁電阻，202—R₂電阻，203—R₃電阻，204—R₄電阻，205—R₅電阻，

206—C₁電容，207—C₂電容，208—U₁高速運(yùn)放芯片；

300—驅(qū)動模塊，

301—R₆電阻，302—R₇電阻，303—R₈電阻，304—R₉電阻,305—C₃電容，

306—C₄電容，307—C₅電容，308—U₂高速運(yùn)放芯片；

309—Q₁三極管；

400—電壓參考模塊，

401—R₁₀電阻，402—R₁₁電阻，403—R₁₂電阻，404—R₁₃電阻，

405—R₁₄可變電阻，406—R₁₅電阻，407—R₁₆電阻，408—R₁₇電阻，

409—R₁₈電阻，410—C₆電容，411—C₇電容，412—C₈電容，413—C₉電容，

414—U₃高速運(yùn)放芯片，415—Q₂三極管；

500—差分甄別模塊，

501—R₁₉電阻，502—R₂₀電阻，503—R₂₁電阻，504—R₂₂電阻，

505—R₂₃電阻，506—R₂₄電阻,507—C₁₀電容，508—C₁₁電容,

509—U₄高速PECL/LVPECL比較器；

600—電平轉(zhuǎn)換模塊，

601—R₂₅電阻，602—R₂₆電阻，603—R₂₇電阻，604—R₂₈電阻，

605—R₂₉電阻，606—R₃₀電阻，607—R₃₁電阻，608—C₁₂電容，

609—C₁₃電容，610—U₅差分型LVPECL轉(zhuǎn)LVDS電平轉(zhuǎn)換器；

700—熒光采集裝置；

800—直流穩(wěn)壓電源。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明：

一、結(jié)構(gòu)

1、總體

如圖1，本實用新型包括現(xiàn)有的熒光放大電路100、熒光采集裝置700和直流穩(wěn)壓電源800；

設(shè)置有反相模塊200、驅(qū)動模塊300、電壓參考模塊400、差分甄別模塊500和電平轉(zhuǎn)換模塊600；

其連接關(guān)系是：

熒光放大電路100、反相模塊200、驅(qū)動模塊300依次連接，驅(qū)動模塊300輸出端接入差分甄別模塊500的正輸入端，差分甄別模塊500通過電平轉(zhuǎn)換模塊600將得到的高速差分信號送入熒光采集裝置700；

直流穩(wěn)壓電源800為反相模塊200、驅(qū)動模塊300、電壓參考模塊400、差分甄別模塊500和電平轉(zhuǎn)換模塊600供電，電壓參考模塊400和差分甄別模塊500的負(fù)輸入端連接，提供一種精準(zhǔn)的參考電壓。

2、功能電路

1）熒光放大電路100

熒光放大電路100是一種對光電倍增管輸出的熒光信號進(jìn)行信號放大的電路。

2）反相模塊200

如圖2，反相模塊200是一種由高速運(yùn)放芯片U₁構(gòu)成電壓放大比為-1的比例放大電路，包括R₁電阻201、R₂電阻202、R₃電阻203、R₄電阻204、R₅電阻205、C₁電容206、C₂電容207、U₁高速運(yùn)放芯片208；

其連接關(guān)系是：

U₁高速運(yùn)放芯片208由直流穩(wěn)壓電源800的+5V和-5V供電，U₁高速運(yùn)放芯片208的供電引腳端分別接C₁電容206和C₂電容207到地，R₂電阻202一端與U₁高速運(yùn)放芯片208的正極輸入端口連接，R₂電阻202的另一端與R₁電阻201連接并連接熒光放大電路100，R₁電阻201另一端連接到地，R₃電阻203連接U₁高速運(yùn)放芯片208的負(fù)極輸入端口到地，R₄電阻204兩端分別與U₁高速運(yùn)放芯片208的正極輸入端和輸出端相連，R₅電阻205連接U₁高速運(yùn)放芯片208的輸出端到地。

上述的C ₁電容206和C₂電容207為0.1uF陶瓷電容；

U₁高速運(yùn)放芯片208選用AD8045。

其工作機(jī)理是：

熒光放大電路100輸出的信號是光電倍增管產(chǎn)生的負(fù)電壓信號，通過反相模塊200，得到電壓放大比為-1的正電壓信號，能被后級做進(jìn)一步處理。

3）驅(qū)動模塊300

如圖3，驅(qū)動模塊300是一種由U₂高速運(yùn)放芯片308和Q₁三極管309構(gòu)成的射極跟隨器，包括R₆電阻301、R₇電阻302、R₈電阻303、R₉電阻304、C₃電容305、 C₄電容306、C₅電容307、U₂高速運(yùn)放芯片308和Q₁三極管309；

其連接關(guān)系是：

U₂高速運(yùn)放芯片308由直流穩(wěn)壓電源800的+5V和-5V供電，U₂高速運(yùn)放芯片308供電引腳分別接C₃電容305和C₄電容306到地，反相模塊200輸出端與運(yùn)放U₂高速運(yùn)放芯片308負(fù)輸入端連接，C₅電容307與U₂高速運(yùn)放芯片308正輸入端和輸出端連接，U₂高速運(yùn)放芯片308輸出端通過R₆電阻301與Q₁三極管309基極連接，U₂高速運(yùn)放芯片308正輸入端通過R₇電阻302與Q₁三極管309射極連接，Q₁三極管309集電極通過R₈電阻303連接到直流穩(wěn)壓電源800的+5V，Q₁三極管309射極通過R₉電阻304連接到直流穩(wěn)壓電源800的-5V。

上述的C₃電容305和C₄電容306為0.1uF陶瓷電容；

U₂高速運(yùn)放芯片308選用AD8045。

其工作機(jī)理是：

驅(qū)動模塊300通過U₂高速運(yùn)放芯片308和Q₁三極管309構(gòu)成的射極跟隨器，對信號進(jìn)行一定的電流放大，使輸出的信號具備更強(qiáng)的驅(qū)動能力，以便被差分甄別模塊500甄別。

4）電壓參考模塊400

如圖4，電壓參考模塊400是一種由U₃高速運(yùn)放芯片414與Q₂三極管415構(gòu)成電壓參考電路，包括R₁₀電阻401、R₁₁電阻402、R₁₂電阻403、R₁₃電阻404、R₁₄可變電阻405、R₁₅電阻406、R₁₆電阻407、R₁₇電阻408、R₁₈電阻409、C₆電容410、C₇電容411、C₈電容412、C₉電容413、U₃高速運(yùn)放芯片414、Q₂三極管415和P₂接口416；

其連接關(guān)系是：

U₃高速運(yùn)放芯片414由直流穩(wěn)壓電源800的+5V和-5V供電，U₃高速運(yùn)放芯片414供電引腳端分別接C₇電容411和C₈電容412到地；P₂接口416的1腳通過R₁₀電阻401和R₁₁電阻402與U₃高速運(yùn)放芯片414的負(fù)輸入端連接，R₁₀電阻401和R₁₁電阻402之間接R₁₃電阻404到地，同時接R₁₂電阻403到R₁₄可變電阻405調(diào)節(jié)引腳，R₁₄可變電阻405另外兩個固定引腳分別連接直流穩(wěn)壓電源800的+5V和-5V；C₆電容410連接U₃高速運(yùn)放芯片414的負(fù)輸入端到地，C₉電容413與U₃高速運(yùn)放芯片414的正輸入端和輸出端連接，U₃高速運(yùn)放芯片414輸出端通過R₁₅電阻406與Q₂三極管415基極連接，U₃高速運(yùn)放芯片414的正輸入端通過R₁₆電阻407與Q₂三極管415射極連接，Q₂三極管415集電極通過R₁₇電阻408連接到直流穩(wěn)壓電源800的+5V，Q₂三極管415射極通過R₁₈電阻409連接到直流穩(wěn)壓電源800的-5V。

上述的C₇電容411和C₈電容412為0.1uF陶瓷電容；

U₃高速運(yùn)放芯片414選用AD8045。

其工作機(jī)理是：

電壓參考模塊400通過可選擇的P₂接口416連接外部電壓參考或者R₁₄可變電阻405調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源800的+5V到-5V的偏壓得到一個基準(zhǔn)電壓，通過U₃高速運(yùn)放芯片414與Q₂三極管415構(gòu)成射極跟隨器增加基準(zhǔn)電壓的驅(qū)動能力，形成驅(qū)動能力較強(qiáng)的參考電壓，適應(yīng)差分甄別模塊500的電壓參考要求。

5）差分甄別模塊500

如圖5，差分甄別模塊500是一種由U₄差分式PECL/LVPECL高速比較器芯片509構(gòu)成的遲滯電壓比較電路，包括R₁₉電阻501、R₂₀電阻502、R₂₁電阻503、R₂₂電阻504、R₂₃電阻505、R₂₄電阻506、C₁₀電容507、C₁₁電容508、U₄差分式PECL/LVPECL高速比較器芯片509；

其連接關(guān)系是：

差分甄別模塊500的供電引腳端接直流穩(wěn)壓電源800的+3.3V，同時接C₁₀電容507和C₁₁電容508到地，所述驅(qū)動模塊300的輸出端通過R₁₉電阻501與U₄差分式PECL/LVPECL高速比較器芯片509的正輸入端連接，所述電壓參考模塊400的輸出端通過R₂₀電阻502與U₄差分式PECL/LVPECL高速比較器芯片509的負(fù)輸入端連接，R₂₁電阻503兩端分別連接U₄差分式PECL/LVPECL高速比較器芯片509的正輸入端和正輸出端，R₂₂電阻504兩端分別連接U₄差分式PECL/LVPECL高速比較器芯片509的負(fù)輸入端和負(fù)輸出端，U₄差分式PECL/LVPECL高速比較器芯片509的正輸出端和負(fù)輸出端分別通過上拉R₂₃電阻505和R₂₄電阻506連接到直流穩(wěn)壓電源的+2.5V。

上述的C₁₁電容508為極性電解電容；

U₄差分式PECL/LVPECL高速比較器芯片509選用ADCMP553。

其工作機(jī)理是：

差分甄別模塊500是一種的遲滯電壓比較電路，信號由U₄差分式PECL/LVPECL高速比較器芯片509正輸入端輸入，U₄差分式PECL/LVPECL高速比較器芯片509的負(fù)輸入端連接電壓參考模塊400提供一定的電壓參考，對正輸入端信號進(jìn)行電壓比較；差分甄別模塊500通過R₂₁電阻503和R₂₂電阻504構(gòu)成U₄差分式PECL/LVPECL高速比較器芯片509正負(fù)兩個輸入輸出端口的遲滯回路，遲滯回路能使信號有更強(qiáng)的抗干擾能力，但過強(qiáng)的遲滯效應(yīng)會將原始輸入信號濾除，電路調(diào)節(jié)過程中，可根據(jù)電路產(chǎn)生信號的情況選擇其中一路或者兩路遲滯回路構(gòu)成遲滯比較器，選擇其中一路遲滯回路時，另一路斷開。

6）電平轉(zhuǎn)換模塊600

如圖6，電平轉(zhuǎn)換模塊600是一種由U₅差分型LVPECL（Low Voltage Positive Emitter-Couple Logic）轉(zhuǎn)LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）電平轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的信號電壓模式轉(zhuǎn)換電路，包括R₂₅電阻601、R₂₆電阻602、R₂₇電阻603、R₂₈電阻604、R₂₉電阻605、R₃₀電阻606、R₃₁電阻607、C₁₂電容608、C₁₃電容609和U₅差分型LVPECL轉(zhuǎn)LVDS電平轉(zhuǎn)換器610；

其連接關(guān)系是：

電平轉(zhuǎn)換模塊600的供電引腳接穩(wěn)壓電源800的+3.3V，同時接C₁₂電容608和C₁₃電容609到地，差分甄別模塊500的正輸出端口和負(fù)輸出端口分別通過R₂₅電阻601和R₂₆電阻602與U₅差分型LVPECL轉(zhuǎn)LVDS電平轉(zhuǎn)換器610的正輸入端口和負(fù)輸入端口，R₂₇電阻603和R₂₈電阻604分別連接U₅差分型LVPECL轉(zhuǎn)LVDS電平轉(zhuǎn)換器610的正輸入端口和負(fù)輸入端口到地；U₅差分型LVPECL轉(zhuǎn)LVDS電平轉(zhuǎn)換器610的正輸出端口和負(fù)輸出端口分別通過R₂₉電阻605和R₃₀電阻606連接到熒光采集裝置700，同時U₅差分型LVPECL轉(zhuǎn)LVDS電平轉(zhuǎn)換器610的正輸出端口和負(fù)輸出端口之間通過R₃₁電阻607連接。

上述的C₁₂電容608為極性電解電容。

其工作機(jī)理是：

差分甄別模塊500輸出的信號是LVPECL電平的數(shù)字脈沖信號，通過U₅差分型LVPECL轉(zhuǎn)LVDS電平轉(zhuǎn)換器610轉(zhuǎn)換成LVDS電平的脈沖信號，以便被后級熒光采集裝置700做進(jìn)一步信號處理。

7）熒光采集裝置700

熒光采集裝置700是一種由可編程邏輯器件組成的數(shù)據(jù)采集裝置。

其功能是對處理后的熒光信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并轉(zhuǎn)換成壓控信號控制汞離子微波頻標(biāo)系統(tǒng)中的恒溫晶振。

二、工作機(jī)理

本實用新型主要實現(xiàn)功能是將熒光放大電路100輸出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和降噪處理，輸出到由可編程邏輯器件構(gòu)成的熒光采集裝置700進(jìn)行采集處理。

熒光放大電路100輸出的是由光電倍增管產(chǎn)生并按一定比例放大的負(fù)電壓信號，附帶較多的噪聲信號，且驅(qū)動能力較差；本實用新型首先通過反相模塊200將熒光放大電路100輸出的信號進(jìn)行反相處理，然后通過驅(qū)動模塊300的電流放大作用增加信號驅(qū)動能力，再進(jìn)入差分甄別模塊500；差分甄別模塊500正輸入端連接驅(qū)動模塊300輸出端，接收待處理信號；差分甄別模塊500負(fù)輸入端連接電壓參考模塊400，以獲得甄別參考電壓；電壓參考模塊400由雙端口可選擇輸入?yún)⒖茧妷哼B接射極跟隨器構(gòu)成，既可以通過P2接口416連接外部直流電壓信號提供相應(yīng)參考電壓，也可通過R₁₄可變電阻405調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源提供的-5V到+5V得到相應(yīng)分壓；電壓參考模塊400中射極跟隨器的添加能使參考電壓具有更好的驅(qū)動能力，滿足不同狀況下的電壓參考需求；差分甄別模塊500采用了可選擇性雙遲滯比較電路，能通過連通一路或者兩路遲滯回路增強(qiáng)射頻信號的抗干擾能力；差分甄別模塊500的電壓比較功能可以對輸入信號進(jìn)行整形降噪處理，進(jìn)一步提高信號信噪比，其輸出信號為差分式脈沖信號，這樣的信號通過電平轉(zhuǎn)換模塊600處理后能被可編程邏輯器件直接采集，能有效降低系統(tǒng)整體功耗，減小系統(tǒng)體積，對系統(tǒng)小型化有著重要的意義。

三、實驗結(jié)果

本實用新型以100MHz射頻小信號進(jìn)行測試，通過熒光采集裝置700后，得到的光子采集相對誤差低至4.48×10^-8，功耗僅1W左右。實驗結(jié)果表明，本實用新型不僅能降低系統(tǒng)體積功耗，更能精準(zhǔn)地采集熒光信號。

四、應(yīng)用

本實用新型主要應(yīng)用于汞離子微波頻標(biāo)熒光探測系統(tǒng)中對熒光信號的處理，也適用于高速微弱負(fù)電壓信號的處理。本實用新型不僅能在汞離子微波頻標(biāo)小型化系統(tǒng)中使用，更能做類似信號處理的一般化推廣使用。