铷钟扩捕方法研究_屈八一

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1、第17卷第3期电路与系统学报Vol.17No.32012年6月JOURNALOFCIRCUITSANDSYSTEMSJune，2012文章编号：1007-0249(2012)03-0037-04*铷钟扩捕方法研究1211屈八一，周渭，李珊珊，王江安（1.长安大学信息工程学院，陕西西安710064；2.西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安710071）摘要：铷钟的捕获带和其能否锁定密切相关，它通常比较小。对原子钟扩捕问题进行了研究，设计了主要由二次谐波幅度检测电路和由单片机同DA构成的扫描电路等组成的扩捕电路。工作时扫描电路输出三角波扫描信

2、号，带动本振的频率扫动同时检测二次谐波的幅度，当幅值超过设定时，说明本振的频率已进入铷钟以前的捕获带，停止扫描，铷钟靠环路的作用便能锁定。以铷钟为对象进行了实验研究，实验结果是当把本振的频率调偏到捕获带以外时，不用扩捕电路环路没法锁定而使用扩捕电路后环路正常锁定，实验结果和理论分析一致。关键词：原子钟；捕获带；扩捕中图分类号：TN753.92文献标识码：A1引言铷钟是目前非常重要、应用非常广泛的原子钟。目前的铷钟可以主要分成三类：商用铷钟，星载铷钟，军用铷钟。目前在商用原子钟市场中，铷钟因其在体积、重量、功耗、价格、恶劣环境适应性等方面同时

3、具有优势，且其指标能满足绝大多数应用要求，故已被广泛应用于通信、导航、电力、电子对抗、隐形目标探测、测控、计量等国民经济与国防建设领域。据统计在当今全球原子频标市场份[1]额中，铷钟占有其总量的95%。商用铷钟因其体积功耗等都比较小，所以又被称为小铷钟。星载铷钟是铷钟的一种，它和小铷钟的工作原理是相同的，性能指标较小铷钟高很多，是导航卫星的重要有效载荷，但是对它的设计较小铷钟复杂得多。军用铷钟与小铷钟的关系与星载铷钟相同，即基本原理相同，但设计上有所不同，它的一些特性例如环境适应性和抗振抗冲击性能较小铷钟优良。还有一些原子钟，例如基于CPT

4、原理的原子钟，利用了铷原子的冷原子钟等，由于它们的工作原理和上述铷钟[2]不同，通常被称为CPT钟或冷原子钟。国内目前的商用铷钟市场很大，但是目前该市场还主要被国外的产品占据。在此形势下，国内多家研究机构开始了国产铷钟产业化工作。铷钟开机后能否正常锁定和捕获带的大小有关，它主要是由物理部分提供的鉴频谱线的特性决定的且通常情况下捕获带很小。[3]早期的铷钟由于没有扩捕设计，出现过由于所用晶振的老化导致原子钟很快失锁的问题。目前国外[4,5]的商用铷钟往往都采用了一些技术手段来扩大捕获带，例如stanford公司PRS10，该钟的软件设计能保证

5、它实现扩捕，其基本原理是利用一个ADC不断采集原子钟锁定时压控电压的大小，并将该值送给MCU存储，控制本振的压控电路由两部分叠加构成，分别来自两个DAC，其中一个DAC的输出的是一个参考量，它的大小取决于MCU中存储的锁定电压的值，为粗值，另一个DAC的输出为原子钟数字化伺服环路的输出，为精细值。开机时一个DAC输出参考量，实现了将本振的频率拉到捕获带之内，此后在环路中另一个DAC的作用下便可实现锁定。由于国产的铷钟和国外铷钟的电路设计往往大不相同，本文在研究了原子钟扩捕电路的设计思路的基础上，设计和实现了针对一款国产铷钟的扩捕电路，下文将

6、对相关内容进行说明。2铷钟捕获带及其影响因素被动型铷钟通常通过伺服环路将本振锁定到铷原子超精细能级间跃迁对应的频率上以提高本振的*收稿日期：2011-10-19修订日期：2011-11-01基金项目：国家自然科学基金资助（60772135，10978017），中央高校基本科研业务费专项基金资助（CHD2010JC080，CHD2011JC014，CHD2011JC084）38电路与系统学报第17卷稳定度、准确度等指标。铷原子超精细能级间的跃迁频光电和电流电压转换后输出的电率的大小会随外磁场的大小而变化。铷钟一般采用微波压信号，单位V激励和光

7、检测来设计实现。利用通常由光谱灯、滤光泡、[1,5]吸收泡构成物理体的一部分，开始时吸收泡中的铷原子会吸收铷灯发出的光中的相应成分产生跃迁，该跃迁会改变铷原子在超精细能级间分布，经过一段时间后，吸收泡中的铷原子将主要分布于一个超精细能级上，这v频综输出的微0波探测信号的频率，单位Hz样的吸收泡将不再吸收铷灯发出的光，若在吸收泡后设(a)vv时光电探测部分的输出电压置一个光强检测电路，则反映光强的输出信号的幅度为0一个恒值，此时，若在吸收泡上加上频率与铷原子超精光电和电流电压转换后输出的电细能级间跃迁频率足够接近微波场，将会出现磁共振，压信

8、号u，单位V即位于一个超精细能级上的原子在微波的作用下跃迁的另一个能级上，这又将使得吸收泡具有吸收相应光的能力，使得光强探测电路的输出变小。图1中的凹陷曲线即为光检测得到的吸收曲