和数字伺服在被动型氢原子钟上的应用

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1、万方数据总第30卷第1期2007年6月时间频率-@-报JournalofTimeandFrequencyV01．30NO．1June，2007数字调频和数字伺服在被动型氢原子钟上的应用陈文星，戴家瑜，刘铁新，林传富(中国科学院上海天文台，上海200030)摘要：简单介绍了被动型氢原子钟的组成及原理，阐述了基于数字调频和数字伺服的电子电路在被动型氢原子钟上的应用(目的是改善钟性能)，并给出了设计的最终测试结果及其分析，数据表明该系统的稳定度比原有系统有很大提高。为了进一步改善钟性能，又对伺服系统提出了以数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)为主体的新的方案。关键词：被动型小氢钟

2、；数字调频；数字伺服系统中图分类号：TM935．12文献标识码：A文章编号：1001-1544(2007)01-0020-091引言具有高稳定输出频率的氢原子钟u1被广泛应用于国防、经济和科研等领域中。氢原子钟分为主动型和被动型。主动型氢钟体积大而且笨重，限制了进一步的应用；被动型氢钟性能略为逊色，但体积小、重量轻，得到了广泛的应用。本文简单阐述了上海天文台研制的被动型小氢钟的工作原理，并详细介绍了以数字调频和数字伺服为基础的电子电路的设计和实现(目的是改善钟性能)。图1是被动型氢原子钟的原理示意图。量子系晶振控制信号图1被动型氢原子钟的原理示意图收稿日期：2006—12—06；修回日期：2

3、007—04—15作者简介：陈文星，男，硕士，主要从事被动型氢原子钟电子学系统及其相关设备的开发研制。万方数据1期陈文星等：数字调频和数字伺服在被动型氢原子钟上的应用21统中的氢原子的跃迁频率用以控制晶振的频率f，而为了消除量子系统内微波谐振腔谐振频率Z的变化产生的牵引效应，还需要用晶振频率‘来控制腔频‘。被动型氢原子钟量子系统的氢原子辐射能量小于微波谐振腔的总能量损耗，不能获得连续的振荡信号。因此，要在量子系统内加入一个激励信号，即微波探测信号，如图1所示，这时量子系统起到鉴频器的作用吲。2以数字调频和数字伺服为基础的电子电路为了消除正弦波调相引起的不利影响(如温度变化引起调相所用的变容二

4、极管性能改变，导致调制信号的非对称性，从而产生偏锁)以及减小系统零点漂移，我们采用了数字调频方法和数字伺服电路来代替原有的模拟电路，图2为设计的原理框图。图2中的电子电路部分有两个锁频环路：晶振环路与腔体环路。在晶振环路中，10MHz晶振的频率被锁定在氢原子跃迁频率上；在腔体环路中，微波谐振腔的频率被锁定在10MHz的晶振频率上。系统中采用了数字调频技术即慢速方波调制方式，把两个对称分布在氢原子跃迁谱线中心频率两侧不同频率处的高准确度的晶振微波探测信号，交替地馈入微波谐振腔中，得到两个相邻半周期的检测信号，直接比较这两个信号强度并根据其差异量来改变晶振的电压控制量，从而锁定晶振的频率；同样把

5、两个对称分布在微波谐振腔响应曲线中心频率两侧不同频率处的高准确度的腔体微波探测信号，交替地馈入微波谐振腔中，得到两个相邻半周期的检测信号，直接比较这两个信号强度并根据其差异量来改变坐落在微波谐振腔内的变容二极管上的电压控制量，使微波谐振腔频率锁定在10MHz晶振频率上。腔体探测图2以数字调频和数字伺服为基础的电子电路原理腔体控制量万方数据时间频率学报总30卷图2中的晶振微波探测信号是由被控的10MHz晶振的输出综合而成的。10MHz的晶振的输出被倍增到1．4GHz，然后与开关综合器l的输出相混，由上混频得到所需的晶振微波探测信号，频率为厶。。。与矗。∞。频率厶。。。与，0。∞对称分布在超精细

6、跃迁频率fo的两侧，如图3所示。开关综合器1的的作用是在方波调制信号的控制下改变数字分频电路的分频系数(其中方波调制信号是在可编程逻辑器件中由计数器和译码器产生的)，输出频率为20．405MHz±．￡(．^为调频幅度)的信号。腔体微波探测信号的产生类似于晶振微波探测信号的产生，使用的是开关综合器2，腔体微波探测信号的频率为．厶，和．厶。图2中的开关综合器1和开关综合器2的设计将在2．4节中详述。五：fo。2局fo“石矗为氢原子超精细跃迁频率；￡。。、矗。为晶振微波探测信号频率；五。、五：为腔体微波探测信号频率图3方波调制的微波探测信号示意图微波探测信号馈入微波谐振腔中得到的检测信号经前置隔离

7、放大、混频、19．6MHz放大以及检波电路的处理后转换成可由数字伺服系统处理的晶振和腔体的误差检测信号，图2中“信号处理1”对晶振的误差检测信号与调制信号进行同步检波后，对10MHz晶振的电压控制量进行重新计算并作调整，使10MHz晶振的输出频率被锁定在氢原子跃迁频率上。同样，图2中“信号处理2”对腔体的误差检测信号与调制信号同步检波后，进行计算来修正坐落在微波腔内的变容二极管上的电压，使得微波腔的频率锁定在