恒溫晶體振蕩器高精度頻率控制裝置及其控制方法
【專利摘要】一種恒溫晶體振蕩器高精度頻率控制裝置及其方法，包括控制電腦、MCU單片機(jī)、高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器和恒溫晶體振蕩器；控制電腦將指定電壓值轉(zhuǎn)化為串行指令經(jīng)輸出到MCU單片機(jī)；MCU單片機(jī)將其轉(zhuǎn)化為三通道24bit的二進(jìn)制指令作為模擬時(shí)序傳遞給高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器；高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生指定的模擬電壓量控制恒溫晶體振蕩器的頻率。本發(fā)明提高了恒溫晶體振蕩器的電調(diào)控制電壓分辨率，達(dá)到了7.82μV；給恒溫晶體振蕩器一個(gè)恒定控制電壓，其輸出頻率的穩(wěn)定度達(dá)到其標(biāo)稱極限，為7.8×10-14(average time:8s)；只占用電腦的一個(gè)串口，不再占用數(shù)據(jù)采集卡通道，從而簡(jiǎn)化了對(duì)恒溫晶體振蕩器的控制過程；被原子噴泉裝置鎖定之后恒溫晶體振蕩器的短期穩(wěn)定度達(dá)到了2.8×10-13τ-1/2。
【專利說明】恒溫晶體振蕩器高精度頻率控制裝置及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及恒溫晶體振蕩器（0CX0)的高精度頻率控制方法，適用于原子頻標(biāo)等 對(duì)輸出頻率信號(hào)的控制分辨率和穩(wěn)定度要求較高的領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 晶體振蕩器作為頻率信號(hào)源被廣泛使用。按照工作原理，晶體振蕩器可以分為 溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器（TCX0)、電壓控制式晶體振蕩器（VCX0、恒溫控制式晶體振蕩器 (0CX0)等幾種類型。其中，恒溫晶體振蕩器具有低相位噪聲、高穩(wěn)定度的優(yōu)點(diǎn)，因而可以作 為本機(jī)振蕩器應(yīng)用在守時(shí)和授時(shí)的原子鐘系統(tǒng)上。
[0003] 如博士論文《銣原子噴泉鐘的運(yùn)行和性能評(píng)估》中所示，對(duì)恒溫晶體振蕩器的電 壓控制可以通過采用數(shù)據(jù)采集卡輸出的16位DAC信號(hào)與精密參考電壓構(gòu)成的比例加法 電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，選擇合適的比例系數(shù)（1/20或1/15)會(huì)使比例電路在一定程度上提高控制 電壓的分辨率，并完成對(duì)恒溫晶體振蕩器的控制，對(duì)應(yīng)恒溫晶體振蕩器（型號(hào)：BVA-8607， 電壓分?jǐn)?shù)頻率系數(shù)：6X1(T7V)輸出頻率信號(hào)短期穩(wěn)定度最好達(dá)到1. lXKT13(@aVeragetime:4s)。然而，這個(gè)頻率穩(wěn)定度指標(biāo)未能達(dá)到該恒溫晶體振蕩器標(biāo)稱的頻率穩(wěn)定度極限， 偏大的頻率噪聲會(huì)通過微波綜合鏈傳遞給原子頻標(biāo)的鑒頻頻率，由于本機(jī)振蕩器噪聲的頻 率下轉(zhuǎn)換會(huì)影響周期性鑒頻的原子頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度（Dick效應(yīng)）。另外，采用這種比例 電路也會(huì)縮小實(shí)際輸出電壓的可調(diào)范圍。因而需要研制更加精密且范圍更寬的電壓控制單 元，來(lái)改善受控的恒溫晶體振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度，進(jìn)而改善原子頻標(biāo)輸出頻率的穩(wěn)定 度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中恒溫晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度較差的問題，提 高恒溫晶體振蕩器控制電壓的分辨率，改善恒溫晶體振蕩器輸出頻率的短期穩(wěn)定度。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006] -種恒溫晶體振蕩器高精度頻率控制裝置，其特點(diǎn)在于，包括控制電腦、MCU單片 機(jī)、高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC)和恒溫晶體振蕩器；
[0007] 所述控制電腦通過串口連接線與所述MCU單片機(jī)的RXD端口連接，所述MCU單片 機(jī)的3個(gè)I/O端口分別通過連接線與所述高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的3個(gè)數(shù)字控制端口連 接，該高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的模擬電壓輸出端與所述恒溫晶體振蕩器的電調(diào)控制端口連 接。
[0008] 還包括87Rb原子噴泉裝置，該87Rb原子噴泉裝置的輸入端與所述的恒溫晶體振蕩 器的頻率輸出端相連，其輸出端與所述的控制電腦相連。
[0009] -種利用所述的恒溫晶體振蕩器高精度頻率控制裝置對(duì)恒溫晶體振蕩器進(jìn)行高 精度頻率控制的方法，其特點(diǎn)在于，該方法包括如下步驟：
[0010] ①通電后進(jìn)行初始化指定字符、數(shù)字控制電壓值Dn、高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器由參 考電壓輸入端接收參考電壓；
[0011] ②控制電腦將該數(shù)字控制電壓值Dn轉(zhuǎn)化為串行指令輸出到MCU單片機(jī)的RXD端 n ；
[0012] ③MCU單片機(jī)對(duì)輸入的串行指令進(jìn)行判斷：
[0013] 當(dāng)該串行指令的首字符是指定字符時(shí)，將該串行指令轉(zhuǎn)化為三通道24bit的二進(jìn) 制指令并輸出給高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，進(jìn)入步驟④，否則，不輸出任何指令；
[0014] ④高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生與指定字符對(duì)應(yīng)的模擬電壓量，并輸入恒溫晶體振 蕩器的電調(diào)控制端口，以控制恒溫晶體振蕩器的頻率輸出。
[0015] 該方法還包括步驟⑤，用87Rb原子噴泉的躍遷譜線對(duì)恒溫晶體振蕩器頻率進(jìn)行鑒 頻，并將誤差信號(hào)傳輸?shù)娇刂齐娔X，控制電腦根據(jù)比例和積分反饋機(jī)制更新恒溫晶體振蕩 器的控制電壓，從而將恒溫晶體振蕩器輸出頻率鎖定。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果如下：
[0017] (l)DAC電壓輸出時(shí)延
[0018] 本發(fā)明采用一旦通過LabVIEW程序?qū)懡o單片機(jī)控制指令，受控的DAC就同步更新 輸出電壓的控制方式。在這種控制方式下，SYNC電平由低電平拉高時(shí)，DAC輸出電壓將更 新。如圖2所示，DAC電壓切換相對(duì)于^^的時(shí)延約為s，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于我們實(shí)驗(yàn)室冷原 子頻標(biāo)的反饋周期（3. 5s)，因而能夠滿足實(shí)驗(yàn)需要。
[0019] (2)恒溫晶體振蕩器輸出頻率的穩(wěn)定度
[0020] 給予DAC -個(gè)恒定的時(shí)序控制指令，恒溫晶體振蕩器將受控于一個(gè)恒定的控制電 壓，這樣就可以測(cè)試受控恒溫晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。將恒溫晶體振蕩器頻率輸出端接 入到頻率比對(duì)儀和一臺(tái)主動(dòng)氫鐘VCH1003a進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)得到的頻率穩(wěn)定度曲線如圖3中 三角點(diǎn)線所示，可見，受單片機(jī)和高分辨率DAC控制的恒溫晶體振蕩器在8s的平均時(shí)間里 短期頻率穩(wěn)定度達(dá)到7. 8X 1(T14,這個(gè)數(shù)據(jù)已達(dá)到了 BVA-8607標(biāo)稱的頻率穩(wěn)定度極限。
[0021] (3)被鎖定之后的恒溫晶體振蕩器頻率輸出的穩(wěn)定度
[0022] 如圖1所示，如果將恒溫晶體振蕩器輸出頻率用銣87原子噴泉的躍遷譜線來(lái)鑒 頻，并將鑒頻得到的誤差信號(hào)反饋到對(duì)恒溫晶體振蕩器電調(diào)的控制電壓上，就可以將恒溫 晶體振蕩器輸出頻率鎖定在銣87原子噴泉的躍遷譜線上，對(duì)應(yīng)得到恒溫晶體振蕩器輸出 頻率的穩(wěn)定度如圖3中帶方格點(diǎn)線所示，該曲線可以用2. 8X 1(T13 ^1/2來(lái)擬合?？梢婃i定 之后恒溫晶體振蕩器的輸出頻率性能有了大幅改善。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是基于單片機(jī)和20位DAC的恒溫晶體振蕩器高精度頻率控制裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0024] 圖2是DAC電壓切換時(shí)延測(cè)量實(shí)驗(yàn)（測(cè)試儀器，示波器）：線（帶方塊）對(duì)應(yīng) ,線（帶菱形塊）對(duì)應(yīng)DAC輸出電壓切換。
[0025] 圖3是鎖定在銣87原子噴泉上之后恒溫晶體振蕩器輸出頻率的穩(wěn)定度與非鎖定 情況下穩(wěn)定度的對(duì)比。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明 作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0027] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種恒溫晶體振蕩器高精度頻率控制裝置，包括 控制電腦1、MCU單片機(jī)2、高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器3、恒溫晶體振蕩器4和87Rb原子噴泉裝 置5 ;
[0028] 所述控制電腦通過串口連接線與所述MCU單片機(jī)的RXD端口連接，所述MCU單片 機(jī)的3個(gè)1/0(例如PL 0、P1. 1、P1. 2)端口分別通過連接線與所述高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 的3個(gè)數(shù)字控制端口連接，該高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的模擬電壓輸出端經(jīng)屏蔽雙絞線與所 述恒溫晶體振蕩器的電調(diào)控制端口連接。87Rb原子噴泉裝置5的輸入端與所述的恒溫晶體 振蕩器的頻率輸出端相連，其輸出端與所述的控制電腦1相連。
[0029] 系統(tǒng)通電后，完成初始化設(shè)置，控制電腦將指定的控制電壓值轉(zhuǎn)化為8位16進(jìn)制 的串行指令通過串口線傳輸?shù)組CU單片機(jī)的RXD端口，MCU單片機(jī)判斷輸入串行指令的首 字符，如果其為指定的字符"AF"，則其后的6位16進(jìn)制字符轉(zhuǎn)化為24位二進(jìn)制SDIN數(shù)據(jù) 時(shí)序指令，否則不產(chǎn)生時(shí)序指令輸出。SDIN時(shí)序指令，伴隨SCLK和WC時(shí)序指令，同步傳 輸?shù)礁呔葦?shù)字模擬轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)的數(shù)字控制端口，高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生模擬電壓控 制恒溫晶體振蕩器電調(diào)端口，從而控制恒溫晶體振蕩器的頻率輸出。
[0030] 給定恒溫晶體振蕩器一個(gè)固定的控制電壓值，可以用來(lái)測(cè)量恒溫晶體振蕩器的頻 率穩(wěn)定度，以及評(píng)估其老化率，測(cè)試得到的穩(wěn)定度曲線如圖3中三角點(diǎn)線中所示。
[0031] 提高了恒溫晶體振蕩器的電調(diào)控制電壓分辨率，達(dá)到了 7.82 UV;給恒溫晶體振 蕩器一個(gè)恒定控制電壓，其輸出頻率的穩(wěn)定度達(dá)到其標(biāo)稱極限，為7. 8X 10-14(Oaverage time: 8s);采用這種控制方法只占用電腦的一個(gè)串口，不再占用數(shù)據(jù)采集卡通道，從而簡(jiǎn)化 了對(duì)恒溫晶體振蕩器的控制過程。
[0032] 為了進(jìn)一步提高恒溫晶體振蕩器的頻率輸出的穩(wěn)定性，可以用本實(shí)驗(yàn)室的銣87 原子噴泉裝置將恒溫晶體振蕩器的輸出頻率鎖定。用銣87原子噴泉裝置中原子躍遷譜線 對(duì)恒溫晶體振蕩器頻率進(jìn)行鑒頻，其中頻率失諧的鑒頻斜率為2. 15X103/HZ，鑒頻得到的 誤差信號(hào)通過比例和積分反饋反饋機(jī)制傳遞給控制電腦，提供給恒溫晶體振蕩器的電壓 控制量，P = 0. 75, I = 0. 15,從而將恒溫晶體振蕩器頻率鎖定，鎖定后的頻率穩(wěn)定度曲線 如圖3中方塊點(diǎn)線所示。被原子噴泉裝置鎖定之后恒溫晶體振蕩器的短期穩(wěn)定度達(dá)到了 2. 8X10-13 t -1/2。
【權(quán)利要求】
1. 一種恒溫晶體振蕩器高精度頻率控制裝置，其特征在于，包括控制電腦（1)、MCU單 片機(jī)（2)、高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（3)和恒溫晶體振蕩器（4); 所述控制電腦通過串口連接線與所述MCU單片機(jī)的RXD端口連接，所述MCU單片機(jī)的 3個(gè)I/O端口分別通過連接線與所述高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的3個(gè)數(shù)字控制端口連接，該高 精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的模擬電壓輸出端與所述恒溫晶體振蕩器的電調(diào)控制端口連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒溫晶體振蕩器高精度頻率控制裝置，其特征在于，還包括87Rb原子噴泉裝置（5)，該87Rb原子噴泉裝置（5)的輸入端與所述的恒溫晶體振蕩器的頻率 輸出端相連，其輸出端與所述的控制電腦（1)相連。
3. -種利用權(quán)利要求1或2所述的恒溫晶體振蕩器高精度頻率控制裝置對(duì)恒溫晶體振 蕩器進(jìn)行高精度頻率控制的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟： ① 通電后進(jìn)行初始化指定字符、數(shù)字控制電壓值Dn、高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器由參考電 壓輸入端接收參考電壓； ② 控制電腦將該數(shù)字控制電壓值Dn轉(zhuǎn)化為串行指令輸出到MCU單片機(jī)的RXD端口； ③ MCU單片機(jī)對(duì)輸入的串行指令進(jìn)行判斷： 當(dāng)該串行指令的首字符是指定字符時(shí)，將該串行指令轉(zhuǎn)化為三通道24bit的二進(jìn)制指 令并輸出給高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，進(jìn)入步驟④，否則，不輸出任何指令； ④ 高精度數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生與指定字符對(duì)應(yīng)的模擬電壓量，并輸入恒溫晶體振蕩器 的電調(diào)控制端口，以控制恒溫晶體振蕩器的頻率輸出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的對(duì)恒溫晶體振蕩器進(jìn)行高精度頻率控制的方法，其特征在 于，該方法還包括步驟⑤，用87Rb原子噴泉的躍遷譜線對(duì)恒溫晶體振蕩器頻率進(jìn)行鑒頻，并 將誤差信號(hào)傳輸?shù)娇刂齐娔X，控制電腦根據(jù)比例和積分反饋機(jī)制更新恒溫晶體振蕩器的控 制電壓，從而將恒溫晶體振蕩器輸出頻率鎖定。
【文檔編號(hào)】H03B5/04GK104506140SQ201410611955
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月4日
【發(fā)明者】杜遠(yuǎn)博, 魏榮, 董日昌, 王育竹 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所