一种基于二阶积分的铷原子钟数字伺服系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于二阶积分的铷原子钟数字伺服系统及方法，该系统包括单片机、积分单元、晶振单元、频率综合单元和光检单元，单片机用以产生调制信号，对频率综合单元输出的微波频率进行调制；光检单元用以在微波频率被调制后，输出幅度调制的光检信号，并利用单片机进行数字同步检波，数字同步检波后输出频率误差信号；积分单元用以对单片机输出的频率误差信号进行积分计算并求和，得到控制电压序列，并通过DAC数模转换后输出至晶振单元，达到控制晶振单元输出相位与铷原子钟跃迁谱线相位出现偏差的目的。本发明专利技术采用数字伺服系统电路温度漂移小，不存在参数的影响，可以提高稳定性，可以提高铷原子钟守时精度。可以提高铷原子钟守时精度。可以提高铷原子钟守时精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二阶积分的铷原子钟数字伺服系统及方法


[0001]本专利技术涉及信号频率控制
，尤其涉及一种基于二阶积分的铷原子钟数字伺服系统及方法。

技术介绍

[0002]铷钟又被称为铷原子钟，铷原子钟由铷量子部分和压控晶体振荡器组成。压控晶体振荡器的频率经过倍频和频率合成，送到量子系统与铷原子跃迁频率进行比较。误差信号送回到压控晶体振荡器，对其频率进行调节使其锁定在铷原子特有的能级跃迁所对应的频率上。铷原子频标短期稳定度最高可达10
‑
12
量级，准确度为
±5×
10
‑
11
。
[0003]铷频率标准不需要真空系统、致偏磁铁和原子束，因而体积小、质量小、预热时间短、价格便宜，但准确度差、频率漂移比较大，仅能用作二级标准。铷频率标准可通过GPS进行快速驯服和外秒同步，克服铷振荡器本身的漂移，可被看作是一个基本的同步时钟单元。通过设计和工艺的改进，产品的可靠性和批量生产也得到保证，现已具备产业化的条件。可以预计，这种带外秒驯服的高性能小型化铷钟将应用于无人值守等苛刻环境，将大大拓展铷钟的应用领域。
[0004]铷原子钟主要由单片机电路、伺服电路、微波倍频电路、频率调制、倍频综合电路几个模块组成。铷频标是一种被动型原子频率，利用的是基态超精细能级之间的跃迁，相应的跃迁频率为6834.682614MHz。原子迁跃对微波信号起鉴频作用而产生误差信号，通过锁相环路伺服晶振的频率，使激励信号频率锁定到原子跃迁频率，实现晶振输出频率的高度稳定和准确。
[0005]铷原子钟通常应用于高性能守时装置，守时铷原子钟原理框图见图1，其中铷原子钟的伺服系统环路包括晶振、频率综合系统、物理部分和伺服系统。晶振频率(通常是10MHz)通过频率综合系统倍频至6.835GHz，在物理部分的作用下，得到光检测信号。通过伺服系统得到频率误差信号，并进行反馈控制，使晶振频率与铷原子钟跃迁谱线锁定。驯服守时环路利用TDC(时间数字转换器)测量铷原子钟的输出相位与参考PPS(多项式相位信号)相位之差，通过驯服系统反馈微调控制铷原子钟的输出频率。铷原子钟的跃迁谱线的温度系数通常在1E
‑
12/℃以内。但是铷原子钟的实际输出是采用晶振作为本地振荡器。晶振温度系数可达1E
‑
10/℃，在采用传统的模拟PID(比例
‑
积分
‑
微分)控制系统实现铷钟伺服系统的情况下，晶振的快速频率变化会使晶振的输出相位与铷原子钟跃迁谱线的相位(跃迁频率的积分)出现偏差，从而会影响铷原子钟的频率稳定度和在定时和守时过程中的相位精度。

技术实现思路

[0006]本专利技术的第一个目的在于提供一种基于二阶积分的铷原子钟数字伺服系统，以解决传统的模拟PID(比例
‑
积分
‑
微分)控制系统实现铷钟伺服系统的情况下，晶振的快速频率变化会使晶振的输出相位与铷原子钟跃迁谱线的相位(跃迁频率的积分)出现偏差，从而
会影响铷原子钟的频率稳定度和在定时和守时过程中的相位精度的技术问题。
[0007]本专利技术的第一个目的是采用以下技术方案实现的：一种基于二阶积分的铷原子钟数字伺服系统，包括铷原子钟，包括单片机、积分单元、晶振单元、频率综合单元和光检单元，所述单片机用以产生调制信号，对频率综合单元输出的微波频率进行调制；所述光检单元用以在微波频率被调制后，输出幅度调制的光检信号，所述光检信号通过ADC模数转换后，利用单片机进行数字同步检波，数字同步检波后输出频率误差信号；所述积分单元用以对单片机输出的频率误差信号进行积分计算并求和，得到控制电压序列，所述控制电压序列通过DAC数模转换后输出至晶振单元，达到控制晶振单元输出相位与铷原子钟跃迁谱线相位出现偏差的目的。
[0008]进一步的，所述单片机包括同步检波模块和低通滤波模块，所述同步检波模块用以对调制信号和光检信号进行数字同步检波，数字同步检波输出在经过低通滤波模块后得到频率误差信号。
[0009]进一步的，所述低通滤波模块采用级联积分梳状滤波器。
[0010]进一步的，所述调制信号为方波信号，所述方波信号对频率综合单元输出的微波频率进行方波调制。
[0011]进一步的，所述光检单元为铷原子钟的物理部分，铷原子钟的物理部分在微波频率被调制后，输出一个相同频率的幅度调制的光检信号。
[0012]进一步的，所述积分单元包括一阶积分模块和二阶积分模块，通过一阶积分模块和二阶积分模块分别对频率误差信号进行一阶积分和二阶积分，并将一阶积分和二阶积分结果求和得到控制电压序列。
[0013]本专利技术的第二个目的在于提供一种基于二阶积分的铷原子钟数字伺服方法，以解决传统的模拟PID(比例
‑
积分
‑
微分)控制系统实现铷钟伺服系统的情况下，晶振的快速频率变化会使晶振的输出相位与铷原子钟跃迁谱线的相位(跃迁频率的积分)出现偏差，从而会影响铷原子钟的频率稳定度和在定时和守时过程中的相位精度的技术问题。
[0014]本专利技术的第二个目的是通过以下技术手段来实现的：一种基于二阶积分的铷原子钟数字伺服方法，包括如下步骤：
[0015]通过单片机产生调制信号，并将所述调制信号输出至频率综合单元，对频率综合单元输出的微波频率进行调制；
[0016]在微波频率被调制后，光检单元输出一个相同频率的幅度调制的光检信号，对所述光检信号通过ADC模数转换后，利用单片机与调制信号进行数字同步检波，并输出频率误差信号；
[0017]通过积分单元对单片机输出的频率误差信号进行积分计算并求和，得到控制电压序列，所述控制电压序列通过DAC数模转换后输出至晶振单元，达到控制晶振单元输出相位与铷原子钟跃迁谱线相位出现偏差的目的。
[0018]进一步的，所述通过积分单元对单片机输出的频率误差信号进行积分计算并求和包括如下子步骤：
[0019]对频率误差信号进行一阶积分；
[0020]对频率误差信号进行二阶积分；
[0021]对一阶积分结果和二阶积分结果进行求和，得到控制电压序列。
[0022]本专利技术的有益效果在于：采用数字伺服系统电路温度漂移小，不存在参数的影响，可以提高稳定性，可以提高铷原子钟守时精度；而且还可以模块化设计，拼装构成适用于各种情况的复杂的算法，此外，还可显著改善铷原子钟的可靠性，降低成本。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0024]图1为传统铷原子钟原理框图；
[0025]图2为本专利技术原理框图；
[0026]图3为本专利技术流程图；
[0027]图4为本专利技术闭本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二阶积分的铷原子钟数字伺服系统，包括铷原子钟，其特征在于，包括单片机、积分单元、晶振单元、频率综合单元和光检单元，所述单片机用以产生调制信号，对频率综合单元输出的微波频率进行调制；所述光检单元用以在微波频率被调制后，输出幅度调制的光检信号，所述光检信号通过ADC模数转换后，利用单片机进行数字同步检波，数字同步检波后输出频率误差信号；所述积分单元用以对单片机输出的频率误差信号进行积分计算并求和，得到控制电压序列，所述控制电压序列通过DAC数模转换后输出至晶振单元，达到控制晶振单元输出相位与铷原子钟跃迁谱线相位出现偏差的目的。2.如权利要求1所述的一种基于二阶积分的铷原子钟数字伺服系统，其特征在于，所述单片机包括同步检波模块和低通滤波模块，所述同步检波模块用以对调制信号和光检信号进行数字同步检波，数字同步检波输出在经过低通滤波模块后得到频率误差信号。3.如权利要求2所述的一种基于二阶积分的铷原子钟数字伺服系统，其特征在于，所述低通滤波模块采用级联积分梳状滤波器。4.如权利要求1所述的一种基于二阶积分的铷原子钟数字伺服系统，其特征在于，所述调制信号为方波信号，所述方波信号对频率综合单元输出的微波频率进行方波调制。5.如权利要求1所述的一种基于二阶积分的铷原子钟数字伺服系统，其特征在于，所述光检单元为铷原子钟的物理部分，铷原子钟的物理部分在微波频率被调...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘畅，盛保杰，李华，
申请(专利权)人：成都同相科技有限公司，
类型：发明
国别省市：