專利名稱：Cpt原子鐘伺服電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CPT原子鐘伺服電路。
背景技術(shù)：
對原子鐘的研究主要集中在兩個(gè)方面一方面是探索研制準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高的 原子鐘，近年來，已經(jīng)成功研制了許多不同種類的具備更高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的新型原子 鐘，例如冷原子噴泉鐘，離子阱鐘，光鐘等；另一方面是積極的尋找實(shí)現(xiàn)高精度的小型工程 原子鐘的途徑，以滿足各種工程技術(shù)的發(fā)展需要，例如研制小型星載原子鐘、利用相干布居 囚禁原理研制可微型化的相干布居囚禁原子鐘。相干布居囚禁(CPT，Coherent Population ^Trapping)是原子與相干光相互作用 所產(chǎn)生的一種量子干涉現(xiàn)象，利用激光良好的相干特性，在原子體系中制備相干布居囚禁 態(tài)，而實(shí)現(xiàn)的可芯片化被動(dòng)式新型CPT原子鐘是當(dāng)前原子鐘領(lǐng)域和導(dǎo)航領(lǐng)域的前沿技術(shù)。 其優(yōu)勢是一方面，不需要微波腔，可以明顯減小體積；另一方面，采用受微波頻率調(diào)制的 激光器制備相干雙色光，可以減小光頻移。盡管CPT原子鐘從1998年提出至今時(shí)間并不久， 但其發(fā)展迅速，已顯示出優(yōu)越的性能，而且還有較大的改進(jìn)空間。在實(shí)際中，一般的CPT桌面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只追求調(diào)測的方便，并沒有考慮體積和功耗 問題，而微型乃至芯片級CPT原子鐘確實(shí)很注重體積和功耗的減小，卻不方便調(diào)測。到目前 為止所實(shí)現(xiàn)CPT原子鐘的指標(biāo)都不是很高，主要表現(xiàn)在溫漂現(xiàn)象比較嚴(yán)重，溫控導(dǎo)致功率 消耗較大，原子頻標(biāo)輸出信號的穩(wěn)定度都偏低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、穩(wěn)定度高、功耗小的CPT原子鐘伺服電路。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種CPT原子鐘伺服電路，包括微 控制器，微控制器的信號輸入端與原子鐘物理單元的光電探測器相連，微控制器的信號輸 出端依次通過頻率信號輸出電路、頻率變換級電路與原子鐘物理單元的激光器相連，微機(jī) 控制器的信號輸出端通過恒定電流源電路與原子鐘物理單元的激光器相連，微控制器的信 號輸入輸出端分別與溫控電路、磁場監(jiān)測電路相連。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明以微控制器作為控制核心，負(fù)責(zé)監(jiān)控溫度和磁場、數(shù) 字器件的控制、相敏檢波、產(chǎn)生方波調(diào)制信號、調(diào)控恒流源電流，實(shí)現(xiàn)對激光頻率和微波頻 率的自動(dòng)掃描和鎖定控制。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了小體積數(shù)字化和就近控制，簡化了電路的實(shí)現(xiàn)，減 少了信號受到干擾的可能性，成本低、穩(wěn)定度高、功耗小。


圖1是本發(fā)明的電路框圖。
具體實(shí)施例方式一種CPT原子鐘伺服電路，包括微控制器1，微控制器1的信號輸入端與原子鐘物 理單元的光電探測器2相連，微控制器1的信號輸出端依次通過頻率信號輸出電路、頻率變 換級電路與原子鐘物理單元的激光器3相連，微控制器1的信號輸出端通過恒定電流源電 路與原子鐘物理單元的激光器3相連，微控制器1的信號輸入輸出端分別與溫控電路、磁場 監(jiān)測電路相連，如圖1所示。所述的頻率信號輸出電路采用壓控溫度補(bǔ)償晶振4，所述的頻 率變換級電路采用直接數(shù)字式頻率合成器和鎖相環(huán)5，所述的恒定電流源電路采用恒流源 控制器6。原子鐘物理單元是從激光器3發(fā)射光信號，光電探測器2接收光信號；原子鐘伺服 電路包括了兩個(gè)鎖定環(huán)路激光穩(wěn)頻環(huán)路和微波鎖頻環(huán)路，第一個(gè)環(huán)路的作用是將激光器 3的波長鎖定在原子Dl線光躍遷譜線上，以保證CPT的穩(wěn)定激勵(lì)，在這個(gè)環(huán)路鎖定之后，激 光光譜的其中兩個(gè)邊帶將分別對準(zhǔn)兩個(gè)基態(tài)超精細(xì)能級與激發(fā)態(tài)之間的光躍遷；第二個(gè)環(huán) 路的作用是將微波調(diào)制頻率鎖定在CPT共振頻率上，以給出高性能的頻率輸出信號。如圖1所示，所述的光電探測器2與第一放大器7的輸入端相連，第一放大器7的 輸出端分別與第一、二帶通濾波器相連，所述的微控制器1由A/D轉(zhuǎn)換器、相敏檢測單元、方 波調(diào)制單元和D/A轉(zhuǎn)換器組成，第一、二帶通濾波器分別與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，A/D轉(zhuǎn) 換器的輸出端與相敏檢測單元的輸入端相連，相敏檢測單元的輸出端與D/A轉(zhuǎn)換器的輸入 端相連，方波調(diào)制單元的輸出端分別與頻率變換級電路、相敏檢測單元和恒定電流源電路 相連，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端通過低通濾波器分別與第二、三放大器8、9的輸入端相連。為了減少工作量、降低成本和獲得最佳解調(diào)效果，采用正交解調(diào)的方法進(jìn)行相敏 檢測；先將兩路模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器采樣，得到的數(shù)字信號與數(shù)字本振信號分別相乘， 再經(jīng)過兩路低通濾波器分別得到同相和正交基帶信號，再分別進(jìn)行平方后相加，再進(jìn)行開 方運(yùn)算，最后再加上確定的符號位給出最終解調(diào)結(jié)果。如圖1所示，所述的溫控電路包括熱敏電阻10和帕爾貼11，熱敏電阻10設(shè)置在 激光器3、銣泡16的旁側(cè)，帕爾貼11緊貼原子鐘物理單元的外表面，原子鐘物理單元的外 部填充隔熱材料，熱敏電阻10與微控制器1的信號輸入端相連，微控制器1的信號輸出端 與帕爾貼11相連。所述的磁場監(jiān)測電路包括磁阻傳感器13，軸向磁場線圈12纏繞在銣泡 16上，磁阻傳感器13與微控制器1的信號輸入端相連，微控制器1的信號輸出端與軸向磁 場線圈12相連。由于原子鐘需要工作在恒定弱磁場的環(huán)境中，采用高精度的A/D轉(zhuǎn)換器量化控制 軸向磁場線圈12上電流值以達(dá)到改變恒定弱磁場的目的，采用小型、低成本、高靈敏度的 磁阻傳感器13進(jìn)行磁場監(jiān)測，以滿足系統(tǒng)對弱磁場大小的要求。由于激光器3和銣泡16需 要控溫，采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻10進(jìn)行溫度傳感，帕爾貼11對激光器3和銣泡16進(jìn) 行精密溫度控制；兩片帕爾貼11分別緊貼原子鐘物理單元的外表面，原子鐘物理單元的外 部填充隔熱材料。
如圖1所示，所述第二放大器8的輸出端與壓控溫度補(bǔ)償晶振4相連，壓控溫度補(bǔ) 償晶振4與直接數(shù)字式頻率合成器和鎖相環(huán)5相連，直接數(shù)字式頻率合成器和鎖相環(huán)5與 可編程數(shù)字功率衰減器14相連，可編程數(shù)字功率衰減器14與阻抗匹配電路相連，阻抗匹配 電路與偏置器15相連，偏置器15與激光器3相連。所述的第三放大器9的輸出端與恒流 源控制器6相連，恒流源控制器6與偏置器15相連，偏置器15與激光器3相連。采用直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)和鎖相環(huán)(PLL)相結(jié)合的技術(shù)方案提供原子鐘 所需微波信號；采用相位噪聲、諧雜抑制都很好的壓控溫度補(bǔ)償晶振4提供頻率變換級電 路所需的參考源；出于實(shí)用化的考慮，然后經(jīng)過濾波和輸出緩沖得到最終的高性能頻率標(biāo) 準(zhǔn)信號。采用可編程數(shù)字功率衰減器14實(shí)現(xiàn)任意脈沖形式的微波信號，可以得到更加優(yōu)越 的鑒頻曲線，簡化了原子鐘結(jié)構(gòu)，減小了光頻移，優(yōu)化并改善了原子鐘的性能，最終提高其 頻率穩(wěn)定度。原子鐘物理單元可看作頻率基準(zhǔn)，而伺服電路單元?jiǎng)t可看作頻率的產(chǎn)生與頻 率的修正，用以產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出信號。通過微控制器1控制高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，改變激光器3工作電流的直流部分實(shí) 現(xiàn)激光頻率掃描，激光器3輸出受到微波頻率調(diào)制的多色光，與自然銣原子作用后獲得吸 收譜。為了將激光頻率鎖定在最大吸收峰的極小值點(diǎn)，激光器3供電電流的直流部分還疊 加了一個(gè)低頻小幅度調(diào)制。光電探測器2輸出的光檢測信號先經(jīng)過第一放大器7使信號幅 度達(dá)到合適范圍，再經(jīng)過第一、二帶通濾波器取出需要的基波信號，再由A/D轉(zhuǎn)換器采集送 入微控制器1進(jìn)行同步相敏解調(diào)，從而獲得吸收譜的微分曲線，作為鎖定激光頻率的糾偏 曲線，最終使整個(gè)系統(tǒng)閉環(huán)鎖定。用基本相同的方法通過控制壓控溫度補(bǔ)償晶振4的壓控 電壓實(shí)現(xiàn)微波環(huán)路的頻率鎖定。
權(quán)利要求
1.一種CPT原子鐘伺服電路，其特征在于包括微控制器(1)，微控制器(1)的信號輸 入端與原子鐘物理單元的光電探測器(2)相連，微控制器(1)的信號輸出端依次通過頻率 信號輸出電路、頻率變換級電路與原子鐘物理單元的激光器(3)相連，微控制器(1)的信號 輸出端通過恒定電流源電路與原子鐘物理單元的激光器(3)相連，微控制器(1)的信號輸 入輸出端分別與溫控電路、磁場監(jiān)測電路相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CPT原子鐘伺服電路，其特征在于所述的頻率信號輸出電 路采用壓控溫度補(bǔ)償晶振(4)，所述的頻率變換級電路采用直接數(shù)字式頻率合成器和鎖相 環(huán)(5 )，所述的恒定電流源電路采用恒流源控制器(6 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CPT原子鐘伺服電路，其特征在于所述的光電探測器(2)與 第一放大器(7)的輸入端相連，第一放大器(7)的輸出端分別與第一、二帶通濾波器相連， 所述的微控制器(1)由A/D轉(zhuǎn)換器、相敏檢測單元、方波調(diào)制單元和D/A轉(zhuǎn)換器組成，第一、 二帶通濾波器分別與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與相敏檢測單元的輸 入端相連，相敏檢測單元的輸出端與D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，方波調(diào)制單元的輸出端分 別與頻率變換級電路、相敏檢測單元和恒定電流源電路相連，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端通過低通 濾波器分別與第二、三放大器(8、9)的輸入端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CPT原子鐘伺服電路，其特征在于所述的溫控電路包括 熱敏電阻(10)和帕爾貼(11)，熱敏電阻(10)設(shè)置在激光器(3)、銣泡(16)的旁側(cè)，帕爾貼 (11)緊貼原子鐘物理單元的外表面，原子鐘物理單元的外部填充隔熱材料，熱敏電阻(10) 與微控制器(1)的信號輸入端相連，微控制器(1)的信號輸出端與帕爾貼(11)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CPT原子鐘伺服電路，其特征在于所述的磁場監(jiān)測電路包 括磁阻傳感器(13)，軸向磁場線圈(12)纏繞在銣泡(16)上，磁阻傳感器(13)與微控制器 (1)的信號輸入端相連，微控制器(1)的信號輸出端與軸向磁場線圈(12)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的CPT原子鐘伺服電路，其特征在于所述第二放大器(8) 的輸出端與壓控溫度補(bǔ)償晶振(4)相連，壓控溫度補(bǔ)償晶振(4)與直接數(shù)字式頻率合成器 和鎖相環(huán)(5)相連，直接數(shù)字式頻率合成器和鎖相環(huán)(5)與可編程數(shù)字功率衰減器(14)相 連，可編程數(shù)字功率衰減器(14)與阻抗匹配電路相連，阻抗匹配電路與偏置器(15)相連， 偏置器(15)與激光器(3)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的CPT原子鐘伺服電路，其特征在于所述的第三放大器 (9)的輸出端與恒流源控制器(6)相連，恒流源控制器(6)與偏置器(15)相連，偏置器(15) 與激光器(3)相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種CPT原子鐘伺服電路，包括微控制器，微控制器的信號輸入端與原子鐘物理單元的光電探測器相連，微控制器的信號輸出端依次通過頻率信號輸出電路、頻率變換級電路與原子鐘物理單元的激光器相連，微機(jī)控制器的信號輸出端通過恒定電流源電路與原子鐘物理單元的激光器相連，微控制器的信號輸入輸出端分別與溫控電路、磁場監(jiān)測電路相連。本發(fā)明以微控制器作為控制核心，負(fù)責(zé)監(jiān)控溫度和磁場、數(shù)字器件的控制、相敏檢波、產(chǎn)生方波調(diào)制信號、調(diào)控恒流源電流，實(shí)現(xiàn)對激光頻率和微波頻率的自動(dòng)掃描和鎖定控制。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了小體積數(shù)字化和就近控制，簡化了電路的實(shí)現(xiàn)，減少了信號受到干擾的可能性，成本低、穩(wěn)定度高、功耗小。
文檔編號H03L7/26GK102075187SQ201110042069
公開日2011年5月25日 申請日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者周群, 宋道斌, 章四兵, 竺小松, 管超, 葛坤 申請人:合肥威師智能電子電器廠