本發(fā)明涉及原子頻標(biāo)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于GPS的頻控發(fā)生裝置。

背景技術(shù)：

被動(dòng)型銣原子頻標(biāo)中，物理系統(tǒng)是整個(gè)原子頻標(biāo)的核心部件，它提供一個(gè)頻率穩(wěn)定、線寬較窄的原子共振吸收線。

在傳統(tǒng)的原子鐘中，參考源（VCXO）輸出的頻率信號(hào)經(jīng)處理送至射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生微波探詢信號(hào)作用于量子系統(tǒng)，按照傳統(tǒng)的量子鑒頻技術(shù)產(chǎn)生量子鑒頻信號(hào)輸送至伺服環(huán)路，伺服環(huán)路產(chǎn)生量子糾偏信號(hào)即直流壓控信號(hào)再反饋?zhàn)饔糜赩CXO，使其輸出頻率發(fā)生變化，再經(jīng)上述路程形成閉環(huán)，最終將本振的輸出頻率鎖定在集成濾光共振泡中的原子的基態(tài)超精細(xì)0－0躍遷中心頻率上?，F(xiàn)有大多數(shù)伺服電路根據(jù)綜合提供的同步鑒相信號(hào)對(duì)量子鑒頻信號(hào)進(jìn)行同步鑒相，并根據(jù)鑒相結(jié)果信息采用獨(dú)立的D/A壓控本振的方式來實(shí)現(xiàn)整機(jī)的閉環(huán)鎖定，最終通過本振輸出穩(wěn)定度較高的頻率信號(hào)。在數(shù)字化普及的今天，加上社會(huì)對(duì)原子鐘小型化的要求，以及GPS同步校準(zhǔn)的推廣，對(duì)現(xiàn)有原子鐘提出了更加苛刻的要求，需要將伺服控制的各個(gè)環(huán)節(jié)集中在微小的處理器上通過合理的時(shí)序控制來完成任務(wù)。然而現(xiàn)有原子鐘伺服電路部分大多數(shù)都還是模塊化“單兵做戰(zhàn)”的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提出一種可將伺服控制的各個(gè)環(huán)節(jié)集中在微小的處理器上并通過合理的時(shí)序控制來完成任務(wù)的頻控發(fā)生裝置。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題提出的技術(shù)方案是：一種基于GPS的頻控發(fā)生裝置，包括VCXO模塊、射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊、量子系統(tǒng)、伺服環(huán)路模塊和壓控修正模塊，所述量子系統(tǒng)包括光譜燈模塊、高速開關(guān)模塊和量子鑒頻模塊，所述量子鑒頻模塊的量子鑒頻信號(hào)輸出到伺服環(huán)路模塊，所述伺服環(huán)路模塊通過壓控修正模塊向VCXO模塊產(chǎn)生壓控信號(hào)，還包括控制時(shí)序發(fā)生模塊和邏輯門陣列；

所述控制時(shí)序發(fā)生模塊通過所述邏輯門陣列產(chǎn)生奇數(shù)級(jí)N個(gè)非門并串接，所述邏輯門陣列的輸入端接收來自于伺服環(huán)路模塊的信號(hào)，其輸出端反饋到所述高速開關(guān)模塊，每個(gè)門電路的平均傳輸時(shí)延遲間為t；

還包括用于檢測(cè)所述邏輯門陣列中一非門節(jié)點(diǎn)處信號(hào)周期T1的頻率信號(hào)檢測(cè)模塊，所述頻率信號(hào)檢測(cè)模塊將計(jì)算出的關(guān)于量子系統(tǒng)的時(shí)間參數(shù)Dt發(fā)送至所述控制時(shí)序發(fā)生模塊，計(jì)算公式為T1=2(Nt+Dt)；

所述控制時(shí)序發(fā)生模塊根據(jù)所述Dt產(chǎn)生同步鑒相時(shí)序信號(hào)并發(fā)生到伺服環(huán)路模塊。

進(jìn)一步的，還包括GPS接收機(jī)，所述GPS接收機(jī)獲得GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)并產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)送至控制時(shí)序發(fā)生模塊中，所述控制時(shí)序發(fā)生模塊在秒脈沖的一個(gè)周期范圍內(nèi)對(duì)VCXO輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)并獲得相應(yīng)的修正值送至所述伺服環(huán)路模塊并通過壓控修正模塊輸出相應(yīng)的直流糾集電壓作用于VCXO。

進(jìn)一步的，所述控制時(shí)序發(fā)生模塊還產(chǎn)生檢測(cè)時(shí)序信號(hào)和調(diào)制時(shí)序信號(hào)，所述同步鑒相時(shí)序信號(hào)和調(diào)制時(shí)序信號(hào)的頻率值V通過公式求得。

進(jìn)一步的，所述檢測(cè)時(shí)序信號(hào)的頻率值為4V。

進(jìn)一步的，所述調(diào)制時(shí)序信號(hào)送至射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊；與所述調(diào)制時(shí)序信號(hào)同步同相的同步鑒相信號(hào)送至伺服環(huán)路模塊。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明中基于GPS的頻控發(fā)生裝置，能夠使受控晶振輸出信號(hào)頻率更精準(zhǔn)、輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定度得以進(jìn)一步提高。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的基于GPS的頻控發(fā)生裝置作進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明中基于GPS的頻控發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)及配合關(guān)系示意圖；

圖2是N個(gè)非門之間信號(hào)傳輸示意圖；

圖3是邏輯門陣列串入到量子系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸示意圖；

圖4是控制時(shí)序產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的三路時(shí)序信號(hào)狀態(tài)示意圖；

圖5是改進(jìn)的基于GPS秒脈沖定義的VCXO頻率信號(hào)的修正值時(shí)序示意圖；

圖6是整機(jī)系統(tǒng)閉環(huán)控制總時(shí)序示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例

根據(jù)圖1所示，本發(fā)明中基于GPS的頻控發(fā)生裝置，包括VCXO模塊、射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊、量子系統(tǒng)、伺服環(huán)路模塊和壓控修正模塊，所述量子系統(tǒng)包括光譜燈模塊、高速開關(guān)模塊（高速Shutter）和量子鑒頻模塊。量子鑒頻模塊包括磁屏、集成濾光共振泡和內(nèi)磁場(chǎng)。

邏輯門陣列由控制時(shí)序發(fā)生模塊控制產(chǎn)生奇數(shù)級(jí)N個(gè)非門，邏輯門陣列輸入端接收來自于伺服環(huán)路的信號(hào)，邏輯門陣列的輸出端反饋到量子系統(tǒng)的光譜燈模塊中的高速Shutter，用以控制其狀態(tài)‘開’或‘關(guān)’。

如圖1所示，假定此時(shí)刻光譜燈模塊中的高速Shutter是‘開’狀態(tài)，那么，光譜燈激勵(lì)的光通過高速Shutter后直接進(jìn)入集成共振濾光泡中，在傳統(tǒng)原子頻標(biāo)原理的作用下，完成量子系統(tǒng)的量子鑒頻。量子鑒頻信號(hào)經(jīng)伺服環(huán)路得到的信號(hào)送入邏輯門陣列，因?yàn)樯蠒r(shí)刻光譜燈激勵(lì)光能夠透過集成濾光共振泡，故此時(shí)刻經(jīng)伺服環(huán)路產(chǎn)生的信號(hào)是高電平‘1’，奇數(shù)級(jí)邏輯非門后變成低電平‘0’，作用于光譜燈模塊中的高速Shutter，使其為‘關(guān)’狀態(tài)。依次循環(huán)，在邏輯門陣列的輸出端會(huì)出現(xiàn)‘1’—‘0’—‘1’…‘0’的變化。

通過微處理器產(chǎn)生奇數(shù)個(gè)非門串接在一起，會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，該電路構(gòu)成一個(gè)環(huán)形振蕩器。非門的個(gè)數(shù)N為奇數(shù)，每個(gè)門電路的平均傳輸時(shí)延遲間為t，環(huán)形振蕩器產(chǎn)生的振蕩周期為T。如圖2所示，假定某時(shí)刻A1點(diǎn)的初態(tài)為1，則經(jīng)過1個(gè)傳輸延遲t后，A2點(diǎn)變?yōu)?，再經(jīng)過1個(gè)傳輸延遲t，A3點(diǎn)變?yōu)?，…，奇數(shù)N個(gè)傳輸延遲Nt后，初態(tài)‘1’變?yōu)椤?’，反之亦然。

T0＝2Nt （1）

還包括頻率信號(hào)檢測(cè)模塊（圖中未示出），如圖3所示，邏輯門陣列在串入量子系統(tǒng)后，頻率信號(hào)檢測(cè)端檢測(cè)到的信號(hào)周期。

T1=2(Nt+Dt) （2）

其中，Dt即為我們需要知道的關(guān)于量子系統(tǒng)的時(shí)間參數(shù)。通過公式（1）和（2），可推導(dǎo)得出：

Dt=（T1-T0）/2 （3）

上式中的Dt對(duì)我們下下一步工作展開非常重要：根據(jù)圖1我們可以知道Dt由量子系統(tǒng)及外圍的電路決定，而電子線路的響應(yīng)時(shí)間是非?？斓模ǔＲ策_(dá)到了10nS量級(jí)以上，所以決定Dt值的關(guān)鍵應(yīng)該是圖1中的量子系統(tǒng)部分。在獲得了式（3）中的Dt后，將它送至控制時(shí)序產(chǎn)生模塊。

如圖4所示，控制時(shí)序產(chǎn)生模塊在獲得了上述的時(shí)間參數(shù)Dt后，產(chǎn)生三路時(shí)序信號(hào)：檢測(cè)、調(diào)制、同步鑒相。

在這里需要根據(jù)時(shí)間參數(shù)Dt來確定上述調(diào)制、同步鑒相信號(hào)的頻率值，而檢測(cè)信號(hào)則是。其中：（1）、產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)送至圖1中的射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊，用于完成傳統(tǒng)原子鐘技術(shù)中的“綜合調(diào)制”；（2）、產(chǎn)生的與上述調(diào)制信號(hào)同步同相的同步鑒相信號(hào)送至圖1中的伺服環(huán)路，用于完成傳統(tǒng)原子鐘技術(shù)中的“同步鑒相”功能；（3）、產(chǎn)生的與上述調(diào)制、同步鑒相信號(hào)4倍頻關(guān)系的檢測(cè)信號(hào)送至圖1中的伺服環(huán)路，用于后述各功能時(shí)序的檢測(cè)。

圖4所示分為四種情況：

1、微波探詢信號(hào)的頻率f大于（小于）原子躍遷中心頻率fo且在原子吸收線寬范圍之內(nèi)時(shí)，即f>fo(f<fo)，經(jīng)量子鑒頻得到的圖4中未鎖定頻率信號(hào)與調(diào)制信號(hào)的頻率一致，只是由于原子馳豫時(shí)間及相位時(shí)間延時(shí)而存在相位上的差異。

2、微波探詢信號(hào)的頻率等于原子躍遷中心頻率時(shí)，即f=fo，得到的信號(hào)頻率是原調(diào)制信號(hào)的2倍，此時(shí)原子頻標(biāo)處于鎖定狀態(tài)，出現(xiàn)圖4所示的鎖定信號(hào)。

3、微波探詢信號(hào)的頻率大大遠(yuǎn)離原子躍遷中心頻率時(shí)，即f未進(jìn)入有效的量子鑒頻吸收帶寬范圍之內(nèi)，經(jīng)處理后得到的信號(hào)將是一個(gè)持續(xù)的電平，此時(shí)原子頻標(biāo)處于脫鎖狀態(tài)。

4、另一種特殊的情況就是，光譜燈有一個(gè)張馳振蕩的過程，此時(shí)從量子系統(tǒng)鑒頻輸出端會(huì)檢測(cè)到高頻無規(guī)律的信號(hào)波形，直至光譜燈進(jìn)入正常工作狀態(tài)，而整個(gè)張弛振蕩過程持續(xù)的時(shí)間由具體的整機(jī)冷態(tài)或熱態(tài)決定。

對(duì)于這四種情況，采用4倍頻調(diào)制信號(hào)的檢測(cè)時(shí)序的連續(xù)4個(gè)上升沿作為觸發(fā)脈沖，分別對(duì)量子鑒頻后的信號(hào)進(jìn)行電平采樣，并分別記錄為D1、D2、D3、D4。

對(duì)于第一種情況，記錄的4個(gè)電平中有3個(gè)低電平，1個(gè)高電平。伺服環(huán)路按照傳統(tǒng)原子鐘壓控糾偏技術(shù)，發(fā)出糾偏電壓信號(hào)至圖1中的壓控修正模塊獲得相應(yīng)的單點(diǎn)直流糾偏電壓作用于VCXO；

對(duì)于第二種情況，記錄的電平有關(guān)系式：D1＝D3并且D2＝D4。此時(shí)伺服環(huán)路將不作用于壓控修正模塊，即VCXO不會(huì)受到直流糾偏電壓作用；

對(duì)于第三種情況，記錄的電平有關(guān)系式：D1＝D2＝D3＝D4。此時(shí)伺服環(huán)路將發(fā)出糾偏電壓信號(hào)至圖1中的壓控修正模塊，壓控修正模塊將按照預(yù)置的步進(jìn)參數(shù)獲得相應(yīng)的直流糾集電壓持續(xù)的作用于VCXO，實(shí)現(xiàn)對(duì)VCXO的掃頻。

對(duì)于第四種情況，由于此時(shí)刻光譜燈處于張弛振蕩過程，量子鑒頻處的信號(hào)高頻無規(guī)律，多組連續(xù)4個(gè)采樣時(shí)序上升沿采樣得到的數(shù)據(jù)中有可能會(huì)出現(xiàn)第一種情況或第二種情況或第三種情況，故無法通過采樣電平進(jìn)行判斷，解決的方法是：由于在此環(huán)節(jié)中，所要判斷的是原子頻標(biāo)是否處于鎖定狀態(tài)，第四種情況明顯說明原子頻標(biāo)并未處于鎖定，在以連續(xù)4個(gè)上升沿觸發(fā)的4倍頻調(diào)制信號(hào)頻率的檢測(cè)時(shí)序中，可以設(shè)置多于一組（連續(xù)4個(gè)上升沿觸發(fā)為一組）采樣的判斷方式，對(duì)多組采樣得到的電平分別作原子頻標(biāo)鎖定狀態(tài)判斷，并對(duì)多組判斷做與運(yùn)算，得到最終的鎖定狀態(tài)判斷結(jié)果，這樣就能夠很好的解決第四種情況帶來的問題。此時(shí)伺服環(huán)路將不作用于壓控修正模塊，即VCXO不會(huì)受到直流糾偏電壓作用。

可以作為優(yōu)選的是：還包括GPS接收機(jī)，接收機(jī)獲得GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后獲得秒脈沖信號(hào)送至控制時(shí)序發(fā)生模塊中，在秒脈沖的一個(gè)周期范圍內(nèi)對(duì)VCXO輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)并獲得相應(yīng)的修正值送至圖1中的伺服環(huán)路，并通過壓控修正模塊輸出相應(yīng)的直流糾集電壓作用于VCXO。

相應(yīng)的時(shí)序如圖5所示：GPS秒脈沖閘門信號(hào)（寬度為T）在高電平時(shí)，經(jīng)t1時(shí)間后，VCXO頻率信號(hào)第一個(gè)脈沖的上升沿，使計(jì)數(shù)器使能端有效，開始VCXO頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，當(dāng)T秒后，GPS秒脈沖閘門低電平到來時(shí)，沒有停止計(jì)數(shù)，經(jīng)過t2時(shí)間后，等到隨后而至的VCXO頻率信號(hào)的上升沿到來時(shí)計(jì)數(shù)器關(guān)閉。這里使能信號(hào)（實(shí)際閘門信號(hào)）的時(shí)間寬度，恰好等于VCXO頻率信號(hào)的完整周期數(shù)。根據(jù)上述相關(guān)參數(shù)：T、t1、t2、N，按照傳統(tǒng)GPS時(shí)差比對(duì)技術(shù)可以獲得對(duì)應(yīng)的VCXO頻率信號(hào)的修正值。

本發(fā)明的不局限于上述實(shí)施例，本發(fā)明的上述各個(gè)實(shí)施例的技術(shù)方案彼此可以交叉組合形成新的技術(shù)方案，另外凡采用等同替換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。