專利名稱：一種帶溫度補償的原子頻標伺服方法和電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及原子頻標領域，特別涉及一種帶溫度補償的原子頻標伺服方法和電路。
背景技術：
數字化集成芯片的廣泛應用，為搭建集成度高、精度高的電路模塊提供了先決條件。在原子頻標伺服電路中，國內外均采用了 DDS (Direct Digital Synthesizer,直接數字式頻率合成器)和高集成度的處理器完成整個系統的閉環工作。在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題:在具體的一臺原子頻標中，由于壓控晶體振蕩器的輸出會受到溫度變化的影響，而現有的由DDS及高集成度的處理器組成的伺服電路，無法解決溫度變化帶來的壓控晶體振蕩器的輸出變化的問題，造成原子頻標輸出精度低。
發明內容
為了解決現有技術的問題，本發明實施例提供了一種帶溫度補償的原子頻標伺服方法和電路。所述技術方案如下:一方面，本發明實施例提供了一種帶溫度補償的原子頻標伺服方法，所述方法包括:對原子頻標的物理單元輸出的光檢信號進行放大，并對放大后的信號進行同步鑒相，得到糾偏信號；獲取原子頻標工作時壓控晶振的工作環境溫度；將獲取到的所述工作環境溫度與參考工作溫度的差值轉換為補償電壓；采用所述補償電壓對所述糾偏信號進行補償，得到壓控電壓，并將所述壓控電壓作用于所述壓控晶振。其中，所述采用所述補償電壓對所述糾偏信號進行補償，得到壓控電壓，包括:對所述補償電壓與所述糾偏信號的電壓進行求和，得到所述壓控電壓。其中，所述對原子頻標的物理單元輸出的光檢信號進行放大，包括:獲取原子頻標的物理單元輸出的光檢信號；采用差分儀用放大電路對獲取到的光檢信號進行放大。另一方面，本發明實施例還提供了一種帶溫度補償的原子頻標伺服電路，所述電路包括:放大模塊，用于對原子頻標的物理單元輸出的光檢信號進行放大；同步鑒相模塊，用于對所述放大模塊放大后的信號進行同步鑒相，得到糾偏信號;溫度采集模塊，用于獲取原子頻標工作時壓控晶振的工作環境溫度；溫度補償模塊，用于將獲取到的所述工作環境溫度與參考工作溫度的差值轉換為補償電壓；壓控變換模塊，用于采用所述補償電壓對所述糾偏信號進行補償，得到壓控電壓，并將所述壓控電壓作用于所述壓控晶振。其中，所述同步鑒相模塊包括:模數轉換器，用于對所述放大模塊放大后的信號進行采集；處理器，用于對所述模數轉換器的采樣值與參考信號進行同步鑒相，得到所述糾偏信號。其中，所述溫度補償模塊包括:溫度轉換電路，用于將所述溫度采集模塊獲取到的工作環境溫度與所述參考工作溫度的差值轉換為電壓差；第一運算放大器A，用于對所述電壓差進行差分放大，得到所述補償電壓；負反饋電阻Rw，用于調節所述第一運算放大器A的增益值；相應地，所述處理器，還用于通過控制所述負反饋電阻Rw的阻值調節所述第一運算放大器A的所述增益值。進一步地，所述溫度轉換電路包括電橋，所述電橋包括熱敏電阻Ra、電阻Rl及兩個電阻R，所述電阻Rl的電阻值與所述參考工作溫度對應，且所述電阻Rl的溫度系數與所述熱敏電阻Ra相同。其中，所述壓控變換模塊包括:求和電路，用于對所述補償電壓和所述糾偏信號的電壓進行求和，得到所述壓控電壓；數模轉換器，用于輸出所述壓控電壓作用于所述壓控晶振。其中，所述放大模塊包括:程控放大單元，用于對所述光檢信號進行增益放大；相應地，所述處理器，還用于對所述程控放大單元的增益值進行控制。進一步地，所述程控放大單元包括差分儀用放大電路；所述差分儀用放大電路包括第二運算放大器Al、第三運算放大器A2、第四運算放大器A3和用于調節所述第四運算放大器A3增益值的數字電位計Rk，所述數字電位計Rk連接在所述第四運算放大器A3的反相輸入端以及輸出端之間，所述第四運算放大器A3的同相輸入端與所述第二運算放大器Al的輸出端電連接，所述第四運算放大器A3的反相輸入端與所述第三運算放大器A2的輸出端電連接，所述第二運算放大器和所述第三運算放大器的同相輸入端與所述物理單元中的光電池電連接，所述第二運算放大器和所述第三運算放大器的反相輸入端通過電阻Rf連接。本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:通過將壓控晶振工作時的工作環境溫度與參考工作溫度的差值轉換為電壓，并將該電壓補償到糾偏信號中得到壓控電壓，再將壓控電壓作用于壓控晶振，降低了工作環境溫度對壓控晶振的輸出頻率的影響，使得壓控晶振輸出的頻率(即原子頻標的輸出頻率)更穩定和精確。
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發明實施例提供的一種原子頻標的結構示意圖；圖2是本發明實施例一提供的帶溫度補償的原子頻標伺服方法流程圖；圖3是本發明實施例二提供的帶溫度補償的原子頻標伺服電路結構示意圖；圖4是本發明實施例二提供的帶溫度補償的原子頻標伺服電路中溫度采集模塊和溫度補償模塊的電路示意圖；圖5是本發明實施例二提供的帶溫度補償的原子頻標伺服電路中放大模塊的電路不意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。下面先結合圖1對原子頻標的基本結構和工作原理進行簡單介紹。該結構僅為舉例，并不作為對本發明的限制。如圖1所示，原子頻標包括壓控晶振1、隔離放大器2、微波倍混頻模塊3、物理單元
4、綜合模塊5以及伺服電路6。其中，壓控晶振I用于輸出原始頻率信號；隔離放大器2用于將壓控晶振I的輸出頻率信號進行隔離和放大；綜合模塊5用于產生一路綜合調制信號和一路與該綜合調制信號同頻同相的參考信號；微波倍混頻模塊3用于對隔離放大器2的輸出信號和綜合模塊5產生的綜合調制信號同時進行倍頻和混頻，以產生微波探詢信號；物理單元4用于對微波探詢信號進行鑒頻，產生光檢信號；伺服電路6用于對光檢信號進行選頻放大和方波整形并與上述參考信號進行同步鑒相，產生糾偏電壓作用于壓控晶振1，以調整壓控晶振I的輸出頻率；通過上述結構單元，最終將壓控晶振I的輸出頻率鎖定在原子基態超精細0-0中心頻率上。實施例一本發明實施例提供了一種帶溫度補償的原子頻標伺服方法，參見圖2，該方法包括:步驟101:對原子頻標的物理單元輸出的光檢信號進行放大，并對放大后的信號進行同步鑒相，得到糾偏信號。具體地，對原子頻標的物理單元輸出的光檢信號進行放大，包括:獲取原子頻標的物理單元輸出的光檢信號；采用差分儀用放大電路對獲取到的光檢信號進行放大。步驟102:獲取原子頻標工作時壓控晶振的工作環境溫度。具體地，可以采用貼在壓控晶振表面的熱敏電阻測量，測量得到的電阻值用來表示壓控晶振的工作環境溫度。容易知道，步驟102與上述步驟101沒有先后順序，可以同時執行，也可以分開執行。
步驟103:將獲取到的工作環境溫度與參考工作溫度的差值轉換為補償電壓。其中，參考工作溫度可以是，在壓控晶振穩定工作3-5個小時后，壓控晶振的工作環境溫度，可以通過貼于壓控晶振表面上的熱敏電阻事先測得。熱敏電阻的阻值反映了原子頻標工作時壓控晶振的工作環境溫度，同樣，參考環境溫度用一個與熱敏電阻溫度系數相同的固定電阻表示，該固定電阻與熱敏電阻以及另外兩個阻值相等的固定電阻組成一個電橋，當工作環境溫度與參考工作溫度不同時，即熱敏電阻的阻值與表示參考環境溫度的固定電阻的阻值不同時，電橋產生電壓差，對該電壓差進行放大得到補償電壓。步驟104:采用補償電壓對糾偏信號進行補償，得到壓控電壓，并將壓控電壓作用于壓控晶振。具體地，采用補償電壓對糾偏信號進行補償得到壓控電壓，包括:對補償電壓與糾偏信號的電壓進行求和，得到壓控電壓。本發明實施例通過將壓控晶振工作時的工作環境溫度與參考工作溫度的差值轉換為電壓，并將該電壓補償到糾偏信號中得到壓控電壓，再將壓控電壓作用于壓控晶振，降低了工作環境溫度對壓控晶振的輸出頻率的影響，使得壓控晶振輸出的頻率(即原子頻標的輸出頻率)更穩定和精確。實施例二本發明實施例提供了一種帶溫度補償的原子頻標伺服電路，參見圖3，該電路包括:放大模塊201，用于對原子頻標的物理單元輸出的光檢信號進行放大；同步鑒相模塊202，用于對放大模塊201放大后的信號進行同步鑒相，得到糾偏信號;溫度采集模塊203，用于獲取原子頻標工作時壓控晶振200的工作環境溫度；溫度補償模塊204，用于將獲取到的工作環境溫度與參考工作溫度的差值轉換為補償電壓；壓控變換模塊205，用于采用補償電壓對糾偏信號進行補償，得到壓控電壓，并將壓控電壓作用于壓控晶振200。其中，同步鑒相模塊202包括:A/D(Analog to Digital Converter,模數轉換器)，用于對放大模塊201放大后的信號進行采集；處理器，用于對A/D的采樣值與參考信號進行同步鑒相，得到糾偏信號。同步鑒相為現有技術這里不在贅述。參見圖3，溫度采集模塊203包括熱敏電阻Ra。參見圖3，溫度補償模塊204包括:溫度轉換電路，用于將溫度采集模塊203獲取到的工作環境溫度與參考工作溫度的差值轉換為電壓差；第一運算放大器A，用于對電壓差進行差分放大，得到補償電壓；負反饋電阻Rw，用于調節第一運算放大器A的增益值；相應地，處理器，還用于通過控制負反饋電阻Rw的阻值調節第一運算放大器A的
增益值。具體地，溫度轉換電路包括電橋，該電橋包括熱敏電阻Ra和一個電阻值與參考工作溫度對應的電阻R1，且電阻Rl的溫度系數與熱敏電阻Ra相同；容易知道，該電橋還包括兩個電阻R。電阻Rl的阻值表示的是參考工作溫度。熱敏電阻Ra貼于壓控晶振200的表面，用以感知壓控晶振200工作時的工作環境溫度。故當壓控晶振200的工作環境溫度無變化時，圖3中電橋處于平衡。壓控晶振200的工作環境溫度升高(降低)，則熱敏電阻Ra的阻值將變小(變大)，那么電橋兩端存在電壓差。其中，負反饋電阻Rw可以是數字電位計。其中，壓控變換模塊205包括: 求和電路，用于對補償電壓和糾偏信號的電壓進行求和，得到壓控電壓；D/A (Digital to Analog Converter,數模轉換器),用于輸出壓控電壓作用于壓控晶振200。容易知道，本發明實施例中A/D、D/A的范圍不限于相同位數據采樣，A/D、D/A也可應用于不同位采樣；例如，選擇8位A/D和10位D/A時，則將A/D的8位總路線直接接至10位D/A的低8位即可。進一步地，放大模塊201包括:程控放大單元，用于對光檢信號進行增益放大；相應地，處理器，還用于對程控放大單元的增益值進行控制。參見圖4，程控放大單元包括差分儀用放大電路2011。該差分儀用放大電路2011包括第二運算放大器Al、第三運算放大器A2、第四運算放大器A3和用于調節第四運算放大器A3增益值的數字電位計Rk，數字電位計Rk連接在第四運算放大器A3的反相輸入端以及輸出端之間，第四運算放大器A3的同相輸入端與第二運算放大器Al的輸出端電連接，第四運算放大器A3的反相輸入端與第三運算放大器A2的輸出端電連接，第二運算放大器和第三運算放大器的同相輸入端與物理單元中的光電池電連接，第二運算放大器和第三運算放大器的反相輸入端通過電阻Rf連接。在原子頻標中，兩個光電池分別放置于原子頻標中腔泡系統尾部兩側，光電池接收光譜燈發出的光經過腔泡系統后照射出的光子，并形成光檢信號光電流11、12。光電池采集得到的光檢信號11、12經阻抗變換后輸送至第二運算放大器Al、第三運算放大器A2的同相輸入端。程控放大單元的增益值通過處理器改變數字電位計Rk的阻值進行調節，最終得到合適的信號輸送到同步鑒相模塊202。對于每一原子頻標，由于物理系統及采用的壓控晶振型號參數不同，故需要針對每一臺原子頻標中的程控放大單元的增益值進行設置，找到滿足實際工作要求的增益值。這里增益值主要是根據壓控晶振的壓控斜率獲得，即施加在壓控晶振上的電壓值引起頻率變化值。壓控斜率數值是壓控晶振廠商提供的，是程控增益大小設置的參考依據。本發明實施例通過將壓控晶振工作時的工作環境溫度與參考工作溫度的差值轉換為電壓，并將該電壓補償到糾偏信號中得到壓控電壓，再將壓控電壓作用于壓控晶振，降低了工作環境溫度對壓控晶振的輸出頻率的影響，使得壓控晶振輸出的頻率(即原子頻標的輸出頻率)更穩定和精確。本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例的全部或部分步驟可以通過硬件來完成，也可以通過程序來指令相關的硬件完成，所述的程序可以存儲于一種計算機可讀存儲介質中，上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器，磁盤或光盤等。 以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種帶溫度補償的原子頻標伺服方法，其特征在于，所述方法包括: 對原子頻標的物理單元輸出的光檢信號進行放大，并對放大后的信號進行同步鑒相，得到糾偏信號； 獲取原子頻標工作時壓控晶振的工作環境溫度； 將獲取到的所述工作環境溫度與參考工作溫度的差值轉換為補償電壓； 采用所述補償電壓對所述糾偏信號進行補償，得到壓控電壓，并將所述壓控電壓作用于所述壓控晶振。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用所述補償電壓對所述糾偏信號進行補償，得到壓控電壓，包括: 對所述補償電壓與所述糾偏信號的電壓進行求和，得到所述壓控電壓。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述對原子頻標的物理單元輸出的光檢信號進行放大，包括: 獲取原子頻標的物理單元輸出的光檢信號； 采用差分儀用放大電路對獲取到的光檢信號進行放大。
4.一種帶溫度補償的原子頻標伺服電路，其特征在于，所述電路包括: 放大模塊(201 )，用于對原子頻標的物理單元輸出的光檢信號進行放大； 同步鑒相模塊(202)，用于對所述放大模塊(201)放大后的信號進行同步鑒相，得到糾偏信號； 溫度采集模塊(203)，用于獲取原子頻標工作時壓控晶振(200)的工作環境溫度；溫度補償模塊(204)，用于將獲取到的所述工作環境溫度與參考工作溫度的差值轉換為補償電壓； 壓控變換模塊(205)，用于采用所述補償電壓對所述糾偏信號進行補償，得到壓控電壓，并將所述壓控電壓作用于所述壓控晶振(200 )。
5.根據權利要求4所述的電路，其特征在于，所述同步鑒相模塊(202)包括: 模數轉換器，用于對所述放大模塊(201)放大后的信號進行采集； 處理器，用于對所述模數轉換器的采樣值與參考信號進行同步鑒相，得到所述糾偏信號。
6.根據權利要求5所述的電路，其特征在于，所述溫度補償模塊(204)包括: 溫度轉換電路，用于將所述溫度采集模塊(203)獲取到的工作環境溫度與所述參考工作溫度的差值轉換為電壓差； 第一運算放大器A，用于對所述電壓差進行差分放大，得到所述補償電壓； 負反饋電阻Rw，用于調節所述第一運算放大器A的增益值； 相應地，所述處理器，還用于通過控制所述負反饋電阻Rw的阻值調節所述第一運算放大器A的所述增益值。
7.根據權利要求6所述的電路，其特征在于，所述溫度轉換電路包括電橋，所述電橋包括熱敏電阻Ra、電阻Rl及兩個電阻R，所述電阻Rl的電阻值與所述參考工作溫度對應，且所述電阻Rl的溫度系數與所述熱敏電阻Ra相同。
8.根據權利要求5所述的電路， 其特征在于，所述壓控變換模塊(205)包括: 求和電路，用于對所述補償電壓和所述糾偏信號的電壓進行求和，得到所述壓控電壓； 數模轉換器，用于輸出所述壓控電壓作用于所述壓控晶振(200)。
9.根據權利要求5所述的電路，其特征在于，所述放大模塊(201)包括: 程控放大單元，用于對所述光檢信號進行增益放大； 相應地，所述處理器，還用于對所述程控放大單元的增益值進行控制。
10.根據權利要求9所述的電路，其特征在于，所述程控放大單元包括差分儀用放大電路(2011);所述差分儀用放大電路(2011)包括第二運算放大器Al、第三運算放大器A2、第四運算放大器A3和用于調節所述第四運算放大器A3增益值的數字電位計Rk，所述數字電位計Rk連接在所述第四運算放大器A3的反相輸入端以及輸出端之間，所述第四運算放大器A3的同相輸入端與所述第二運算放大器Al的輸出端電連接，所述第四運算放大器A3的反相輸入端與所述第三運算放大器A2的輸出端電連接，所述第二運算放大器和所述第三運算放大器的同相輸入端與所述物理單元中的光電池電連接，所述第二運算放大器和所述第三運算放大器 的反相輸入端通過電阻Rf連接。
全文摘要
本發明公開了一種帶溫度補償的原子頻標伺服方法和電路，屬于原子頻標領域。所述方法包括對原子頻標的物理單元輸出的光檢信號進行放大，并對放大后的信號進行同步鑒相，得到糾偏信號；獲取原子頻標工作時壓控晶振的工作環境溫度；將獲取到的所述工作環境溫度與參考工作溫度的差值轉換為補償電壓；采用所述補償電壓對所述糾偏信號進行補償，得到壓控電壓，并將所述壓控電壓作用于所述壓控晶振。本發明通過將壓控晶振工作時的工作環境溫度與參考工作溫度的差值轉換為電壓，并將該電壓補償到糾偏信號中得到壓控電壓，再將壓控電壓作用于壓控晶振，降低了工作環境溫度對壓控晶振的輸出頻率的影響，使得壓控晶振輸出的頻率更穩定和精確。
文檔編號H03L7/26GK103138756SQ201310027199
公開日2013年6月5日 申請日期2013年1月24日 優先權日2013年1月24日
發明者雷海東 申請人:江漢大學