專利名稱：銣原子頻標(biāo)數(shù)字伺服裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及銣原子頻標(biāo)，具體地說(shuō)是銣原子頻標(biāo)的電子學(xué)系統(tǒng)，更具體涉及一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字伺服裝置，該裝置可用于制作小型化銣原子頻標(biāo)。
背景技術(shù)：
銣原子頻標(biāo)是提供高穩(wěn)時(shí)間頻率信號(hào)的設(shè)備，它具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的原子頻標(biāo)。它的原理是利用銣原子躍遷譜線去鎖定壓控晶振，即銣原子頻標(biāo)的物理系統(tǒng)通過(guò)輸出具有鑒頻特性的光檢信號(hào)并經(jīng)同步鑒相后得到直流誤差信號(hào)去伺服壓控晶振。因此根據(jù)功能不同，銣原子頻標(biāo)可以概括地分為物理系統(tǒng)和電子學(xué)系統(tǒng)，而電子學(xué)系統(tǒng)又可分為射頻倍頻鏈和同步伺服裝置。物理系統(tǒng)的作用是輸出光檢信號(hào)，該信號(hào)反映壓控晶振信號(hào)相對(duì)偏離原子譜線頻率的程度；而電子學(xué)系統(tǒng)的射頻倍頻鏈則把壓控晶振輸出頻率倍頻到銣原子躍遷頻率附近并進(jìn)行一個(gè)小調(diào)頻去探詢銣原子躍遷，當(dāng)輸入的微波信號(hào)與銣原子躍遷譜線頻率相等時(shí)，光檢輸出的鑒頻信號(hào)為調(diào)制信號(hào)的二次諧波信號(hào)，不相等而在原子躍遷譜線的吸收峰兩側(cè)(左或右)時(shí)，光檢輸出的鑒頻信號(hào)為相位相反的基波信號(hào)；電子學(xué)系統(tǒng)的同步伺服裝置將光檢信號(hào)進(jìn)行基波的同步鑒相得到伺服壓控晶振的誤差信號(hào)。就銣原子頻標(biāo)環(huán)路控制的實(shí)現(xiàn)而言，電子學(xué)系統(tǒng)的同步伺服裝置是整個(gè)頻標(biāo)系統(tǒng)的核心，頻標(biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時(shí)通常是改變?cè)摬糠值南嚓P(guān)參數(shù)去調(diào)整環(huán)路時(shí)間和增益，以獲得銣原子頻標(biāo)最優(yōu)的穩(wěn)定度指標(biāo)。因此，同步伺服裝置是銣原子頻標(biāo)研究的重點(diǎn)之一。
銣原子頻標(biāo)傳統(tǒng)的伺服裝置廣泛采用以模擬乘法器為基礎(chǔ)的同步鑒相電路，其技術(shù)手段是將光檢信號(hào)中的基波通過(guò)濾波器取出來(lái)與與調(diào)制信號(hào)同源且移相了的參考信號(hào)相乘，再把乘法器的輸出通過(guò)低通濾波器，把高頻信號(hào)濾掉后即為伺服壓控晶振的直流直流誤差信號(hào)；伺服裝置的主要有晶體二極管與變壓器組成的鑒相電路，以及采用場(chǎng)效應(yīng)管組成的開(kāi)關(guān)式鑒相電路。對(duì)于前者，由于需要變壓器，一般很難制作對(duì)稱性很好變壓器，且二極管存在非線性以及飽和壓降和反向漏電流大的不足，使這種方法在原子頻標(biāo)中使用較少；對(duì)于后者，由于使用了有源的場(chǎng)效應(yīng)管器件，其參數(shù)易受環(huán)境(如溫度)影響，會(huì)給帶來(lái)附加的誤差，電路結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。另外，由于低通部分的信號(hào)接近直流，其時(shí)間常數(shù)很大的，故構(gòu)成這種伺服裝置的電容容量也就很大，就會(huì)采用性能相對(duì)較差的電解電容而可能導(dǎo)致電路的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性降低。采用模擬伺服裝置制作的銣原子頻標(biāo)在優(yōu)化參數(shù)時(shí)，需要調(diào)節(jié)伺服裝置硬件參數(shù)，工作繁雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字伺服裝置，具有硬件全數(shù)字化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、濾波時(shí)間常數(shù)可任意設(shè)置、調(diào)試簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可應(yīng)用于小型化銣原子頻標(biāo)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)措施是濾波放大電路的輸入端連接銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)光檢信號(hào)輸出端，濾波放大電路的輸出端連接單片機(jī)集成的ADC輸入端，單片機(jī)集成的12位DAC輸出端為鎖定指示端的輸出端，單片機(jī)的SPI0口通過(guò)光耦電路隔離后連接20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的SPI口，電壓基準(zhǔn)電路的輸出端連接20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電壓參考輸入端，20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接隔離放大電路的輸入端，隔離放大電路的輸出端連接銣原子頻標(biāo)中壓控晶振的電壓調(diào)諧端。
銣原子頻標(biāo)的物理系統(tǒng)包括銣光譜燈和腔泡系統(tǒng)，兩者直接連接，位于腔泡系統(tǒng)的光電池對(duì)物理系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的原子躍遷進(jìn)行光檢測(cè)并輸出的光檢信號(hào)，光檢信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大電路進(jìn)行放大和低通濾波后使信號(hào)幅度達(dá)到0-2.5V范圍，滿足單片機(jī)輸入幅度要求；采用的單片機(jī)為T(mén)I公司的超低功耗16位單片機(jī)MSP430F169，它內(nèi)部集成了12位ADC電路和12位的DAC電路，單片機(jī)的ADC采用連續(xù)定時(shí)中斷方式對(duì)放大了的光檢信號(hào)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，并在ADC中斷服務(wù)程序中對(duì)采集進(jìn)來(lái)的基波同步軟件鑒相得到光檢信號(hào)中基波的幅度和，這個(gè)幅度和加上一個(gè)正的初值后經(jīng)20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)隔離放大電路進(jìn)行一定增益的放大后即為伺服壓控晶振的直流誤差信號(hào)。單片機(jī)MSP430F169與20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)之間采用SPI通訊，單片機(jī)進(jìn)行同步軟件鑒相后得到的待轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)即通過(guò)SPI數(shù)據(jù)發(fā)送給20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。為確保數(shù)模轉(zhuǎn)換的高精度，20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)與單片機(jī)之間的SPI通訊數(shù)據(jù)線采用光耦電路進(jìn)行光電隔離，轉(zhuǎn)換所需的電壓基準(zhǔn)為REF43電壓基準(zhǔn)芯片提供，輸出模擬信號(hào)采用隔離放大電路進(jìn)行隔離，以消除級(jí)間干擾。
單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行的同步軟件鑒相是本數(shù)字伺服裝置的核心部分。因?yàn)殂溤宇l標(biāo)輸出的光檢信號(hào)主要是微波調(diào)制信號(hào)的基波和二次諧波兩種成分。設(shè)光檢信號(hào)的基波信號(hào)周期為T(mén)，對(duì)該信號(hào)一個(gè)周期采樣的次數(shù)為n，ADC中斷設(shè)定器的設(shè)定間隔則為T(mén)/n，利用中斷服務(wù)程序?qū)⒐鈾z信號(hào)中基波信號(hào)前半周期數(shù)據(jù)的和減去后半周期數(shù)據(jù)的和，得到的差即為一個(gè)周期內(nèi)光檢信號(hào)基波的交流幅度和。由于光檢信號(hào)的基波信號(hào)相位可能與參考信號(hào)同相或者反相，所以這個(gè)交流幅度和可正可負(fù)，而數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收的數(shù)字值要求為正值，故需要在交流幅度和上加上一個(gè)正值F0，確保發(fā)送給20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)的信號(hào)值均為正值?？砂讯鄠€(gè)周期的交流幅度和求平均后發(fā)送給20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以消除周期性的干擾(如供電的50Hz交流信號(hào))的影響。還可通過(guò)人為設(shè)定20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)兩次轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔來(lái)改變伺服環(huán)路的時(shí)間常數(shù)。把采集的數(shù)字信號(hào)用單片機(jī)集成的12DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出作為銣原子頻標(biāo)鎖定狀態(tài)的指示信號(hào)，即當(dāng)該輸出信號(hào)出現(xiàn)二次諧波時(shí)銣頻標(biāo)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。本發(fā)明較現(xiàn)有技術(shù)具有如下特點(diǎn)1、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，可靠性強(qiáng)。本系統(tǒng)幾乎全部由集成貼片封裝芯片組成，鑒相處理過(guò)程在單片機(jī)中完成，無(wú)模擬鑒相器的參考信號(hào)幅度不穩(wěn)引起的所謂“偽誤差信號(hào)”干擾，且數(shù)字器件抗環(huán)境干擾能力明顯增強(qiáng)。
2、參數(shù)控制精確。鑒相系統(tǒng)基本為數(shù)字器件，環(huán)路傳遞模型可精確獲得，軟件處理過(guò)程更可進(jìn)行精確的量化控制，可把先進(jìn)的控制論引入而提高銣原子頻標(biāo)性能指標(biāo)。
3、參數(shù)優(yōu)化簡(jiǎn)單，只需修改程序參數(shù)即可。對(duì)光檢信號(hào)進(jìn)行濾波放大后，主要的參數(shù)的設(shè)置調(diào)試及其優(yōu)化都是在單片機(jī)中修改程序參數(shù)來(lái)完成，工作方法簡(jiǎn)單易行。
4、頻標(biāo)開(kāi)機(jī)預(yù)熱到鎖定的時(shí)間短，且頻標(biāo)輸出的標(biāo)準(zhǔn)頻率波動(dòng)小。一般的銣原子頻標(biāo)頻標(biāo)開(kāi)機(jī)啟動(dòng)到鎖定需要較長(zhǎng)時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)壓控晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出波動(dòng)大；本數(shù)字伺服裝置可提前給壓控晶振設(shè)置一個(gè)電壓初值，使壓控晶振的在環(huán)路鎖定前的輸出始終在系統(tǒng)鎖定時(shí)的頻率附近，物理系統(tǒng)預(yù)熱完進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，環(huán)路即可由預(yù)設(shè)的頻率點(diǎn)快速地到達(dá)鎖定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)頻標(biāo)環(huán)路鎖定。由于整個(gè)過(guò)程始終在鎖定時(shí)的頻率附近，壓控晶振輸出頻率變化不大，即壓控晶振輸出的準(zhǔn)確度受鎖定過(guò)程影響較小，可提前讓銣原子頻標(biāo)進(jìn)入較正常的工作狀態(tài)。
5、可實(shí)現(xiàn)銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)與高穩(wěn)壓控晶振進(jìn)行優(yōu)勢(shì)組合提高標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出的性能指標(biāo)。。
6、具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。傳統(tǒng)模擬器件，如晶體管和電解電容等的溫度系數(shù)較大，易受電磁干擾，而本系統(tǒng)采用大量的數(shù)字芯片，可克服環(huán)境變化帶來(lái)的影響，抗干擾能力增強(qiáng)。


圖1 一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字伺服裝置方框圖其中，銣原子頻標(biāo)的物理系統(tǒng)內(nèi)光電池輸出端連接濾波放大電路的輸入端，單片機(jī)集成的ADC12的輸入端連接濾波放大電路的輸出端，單片機(jī)的SPI0接口通過(guò)光耦隔離后連接到20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)的SPI接口，基準(zhǔn)電路的2.5V基準(zhǔn)電壓連接到20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)的基準(zhǔn)電壓輸入端，DAC1120的模擬信號(hào)輸出端連接隔離放大電路的輸入端，隔離放大電路的輸出端連接壓控晶振的電壓調(diào)諧端。
圖2 同步軟件鑒相原理圖(A)正旋波為輸入光檢信號(hào)，實(shí)線表示該信號(hào)與參考信號(hào)相位相同，虛線表示該信號(hào)與參考信號(hào)相位相反，點(diǎn)線為二次諧波信號(hào)，方波為單片機(jī)ADC采樣中斷產(chǎn)生的鑒相參考信號(hào)；(B)采集進(jìn)來(lái)的數(shù)字信號(hào)與參考相乘后得到的基波的交流信號(hào)；(C)多個(gè)周期的交流信號(hào)求平均后得到直流信號(hào)；(D)直流信號(hào)加上一個(gè)正的初值后得到正極性信號(hào)，也為最終發(fā)送到20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)的數(shù)字伺服信號(hào)。
圖3主程序流程圖其中，主程序順序執(zhí)行后只接收ADC12中斷，軟件鑒相的所有處理過(guò)程均在這個(gè)中斷服務(wù)程序中完成，所有程序都下載到單片機(jī)。
圖4 ADC中斷服務(wù)程序流程圖其中，n為基波一個(gè)周期的發(fā)生的中斷總次數(shù)，i為基波一個(gè)周期內(nèi)發(fā)生中斷次數(shù)的計(jì)數(shù)器，j為20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)每發(fā)送一次數(shù)據(jù)包含的基波信號(hào)周期個(gè)數(shù)，data12為MSP430F169集成的ADC12一次采集的數(shù)據(jù)，fd為基波一個(gè)周期的交流幅度和，m表示兩次20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)轉(zhuǎn)換間隔為m個(gè)基波的周期數(shù)，F(xiàn)0為基波交流和需加的初始正值，F(xiàn)D為20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，send()為20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)的數(shù)模轉(zhuǎn)換子程序。
圖5 20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)的數(shù)模轉(zhuǎn)換子程序send()流程圖其中，INSR為指令寄存器，可設(shè)定20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換位的寬度，轉(zhuǎn)換時(shí)低4位為無(wú)效位，需要把數(shù)據(jù)在發(fā)送前左移4位。
圖6 20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)輸出放大后的S曲線其中，該曲線可輔助調(diào)試環(huán)路，快速優(yōu)化參數(shù)而實(shí)現(xiàn)電路環(huán)路與銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)鎖定，也檢查系統(tǒng)是否能夠正常鎖定工作的輔助方法。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步說(shuō)明由圖1可知，一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字伺服裝置，主要由濾波放大電路1、單片機(jī)2、光耦電路4、20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器5(DAC1220)、電壓基準(zhǔn)電路6、隔離放大電路7組成。
濾波放大電路1的輸入端作為本數(shù)字伺服裝置的輸入端，接收來(lái)自銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)的光檢信號(hào)，濾波放大電路1的輸出端連接單片機(jī)2集成的ADC輸入端，單片機(jī)2集成的12位DAC輸出端為鎖定指示端3，單片機(jī)2的SPI0口通過(guò)光耦電路4隔離后連接到20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器5(DAC1220)的SPI口，電壓基準(zhǔn)電路6的輸出端連接到20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器5(DAC1220)的電壓參考輸入端，20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)的輸出端連接到隔離放大電路7的輸入端，隔離放大電路7的輸出端作為本數(shù)字伺服裝置的輸出端，連接銣原子頻標(biāo)壓控晶振的電壓調(diào)諧端。
來(lái)自銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)輸出的光檢信號(hào)輸入到濾波放大電路1進(jìn)行濾波、放大和電平移動(dòng)處理，消除信號(hào)帶寬以外的干擾。濾波放大電路1設(shè)計(jì)為三級(jí)同相放大形式，采用的運(yùn)放為T(mén)I公司的低電壓地噪聲型貼片封裝運(yùn)放OPA2350。其中，第一級(jí)為電流轉(zhuǎn)電壓，第二級(jí)為低通帶增益放大，最后一級(jí)為增益放大。運(yùn)放的正向輸入端由兩個(gè)電阻組成直流偏置電路調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的直流電平，確保輸出信號(hào)幅度在0-2.5V范圍，滿足單片機(jī)2內(nèi)集成ADC采集時(shí)的電平要求。濾波放大電路1的輸出信號(hào)連接到單片機(jī)2集成的ADC采集輸入端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
單片機(jī)2為MSP430F169，內(nèi)部集成了12位的ADC電路。來(lái)自濾波放大電路1的光檢信號(hào)輸入到單片機(jī)2集成的ADC輸入端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)2對(duì)采集進(jìn)來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行同步軟件鑒相得到伺服壓控晶振的數(shù)字誤差信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)經(jīng)光耦電路的進(jìn)行光電隔離后SPI0口連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器5(DAC1220)的SPI接口。這樣，單片機(jī)2把鑒相得到的待轉(zhuǎn)換的數(shù)字誤差信號(hào)通過(guò)單片機(jī)2的SPI方式發(fā)送給20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器5(DAC1220)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再經(jīng)隔離放大電路2放大后得到伺服壓控晶振的壓控誤差信號(hào)。同時(shí)，單片機(jī)2把采集進(jìn)來(lái)的信號(hào)發(fā)送單片機(jī)2內(nèi)部集成的12位DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后的作為顯示銣原子頻標(biāo)鎖定狀態(tài)的鎖定指示信號(hào)，即當(dāng)該輸出信號(hào)為調(diào)制信號(hào)的二次諧波時(shí)表明頻標(biāo)進(jìn)入鎖定狀態(tài)；隔離放大電路7采用兩級(jí)運(yùn)放組成，第一級(jí)連接成電壓跟隨器，第二級(jí)采用同相輸入方式，這樣的隔離度很好。單片機(jī)2的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)自銣原子頻標(biāo)的壓控晶振輸出，可確保同步軟件鑒相處理過(guò)程的高穩(wěn)定性。單片機(jī)2還通過(guò)PWM方式輸出一個(gè)方波信號(hào)作為激勵(lì)銣原子躍遷的微波的調(diào)制信號(hào)，該調(diào)制的微波信號(hào)與銣原子相互作用后得到光檢信號(hào)。
在單片機(jī)2內(nèi)進(jìn)行的同步軟件鑒相是本發(fā)明的核心內(nèi)容。軟件鑒相的方法如附圖2所示，光檢信號(hào)是來(lái)自銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)內(nèi)調(diào)制的微波信號(hào)與銣原子相互作用輸出的鑒頻信號(hào)。該信號(hào)主要是調(diào)制信號(hào)的基波和二次諧波，當(dāng)進(jìn)入物理系統(tǒng)的微波頻率與銣原子躍遷產(chǎn)生的吸收峰中心頻率相等時(shí)，光檢信號(hào)只有調(diào)制信號(hào)的二次諧波信號(hào)，不相等而偏離吸收峰(或大或小)為相位相反的基波信號(hào)。如(A)的上部分曲線所示，(A)的正旋波為光檢信號(hào)，實(shí)線表示該信號(hào)與參考信號(hào)相位相同，虛線表示該信號(hào)與參考信號(hào)相位相反，點(diǎn)線為二次諧波信號(hào)，方波為單片機(jī)ADC采樣中斷產(chǎn)生的鑒相參考信號(hào)；(B)為采集進(jìn)來(lái)的數(shù)字信號(hào)與參考相乘后得到的基波的交流信號(hào)；(C)為多個(gè)周期的交流信號(hào)求平均后得到直流信號(hào)；(D)為直流信號(hào)加上一個(gè)正的初值后得到的正極性信號(hào)，也為最終發(fā)送到20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)的數(shù)字伺服信號(hào)。基波信號(hào)的極性反映壓控晶振信號(hào)相對(duì)偏離銣原子躍遷譜線吸收峰頻率是高還是低，幅度大小可認(rèn)這個(gè)偏離的距離成正比，利用基波信號(hào)的相位極性和幅度大小性質(zhì)即可在單片機(jī)內(nèi)對(duì)光檢信號(hào)進(jìn)行基波同步軟件鑒相，得到直流誤差信號(hào)去伺服壓控晶振。
基于上述的原理設(shè)計(jì)，在單片機(jī)2中采用以下軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)同步軟件鑒相1下載到單片機(jī)2內(nèi)的主程序3，如附圖1的3，具體如附圖3所示。
(1)配置系統(tǒng)時(shí)鐘、SPI0和20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器5(DAC1220)；(2)設(shè)置20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器5(DAC1220)初值；(3)開(kāi)ADC12中斷，并響應(yīng)中斷服務(wù)程序；(4)主程序結(jié)束。
其中，主程序負(fù)責(zé)對(duì)ADC，DAC、20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)和自定義變量進(jìn)行初始化，并設(shè)置20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器5(DAC1220)的初值，使壓控晶振輸出頻率在銣原子頻標(biāo)鎖定時(shí)的頻率點(diǎn)附近，設(shè)置PWM調(diào)制信號(hào)。同步軟件鑒相處理主要在中斷服務(wù)程序中完成，主程序順序執(zhí)行后，單片機(jī)2就處于等待ADC中斷狀態(tài)，當(dāng)ADC定時(shí)器到達(dá)定時(shí)設(shè)定值時(shí)發(fā)生中斷，中斷服務(wù)程序開(kāi)始執(zhí)行。
2中斷程序在附圖3中的10，詳細(xì)的流程如附圖4，具體為(1)單片機(jī)把ADC中斷緩存中的數(shù)賦值給中間變量data12，中斷記錄器i加1，data12賦值給單片機(jī)集成DAC的輸出緩存；(2)判斷iA進(jìn)行基波鑒相，如果i＜n/2，則把data12作一次累加給fd，如果n/2＜i＜n，則把data12乘以-1后累加到fd；B采集完一個(gè)基波周期的相關(guān)處理，中斷記錄器i清零，基波周期采集個(gè)數(shù)j加1，一個(gè)周期的交流幅度和fd累加一次到FD后清零；(3)判斷j如果j＝m，F(xiàn)D除以n后加上初值F0后通過(guò)子程序send()發(fā)送到20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，F(xiàn)D清零。
其中，n為基波一個(gè)周期的發(fā)生的中斷總次數(shù)，i為基波一個(gè)周期的發(fā)生的中斷次數(shù)計(jì)數(shù)器，j為20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)每發(fā)送一次數(shù)據(jù)包含的基波信號(hào)周期個(gè)數(shù)，data12為ADC12一次中斷采集的數(shù)據(jù)，fd為基波一個(gè)周期的交流幅度和，m為一次基波信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)中斷發(fā)送數(shù)據(jù)基波的周期個(gè)數(shù)，F(xiàn)0為基波交流和需加的初始正值，F(xiàn)D為20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)發(fā)送的數(shù)據(jù)，send()為20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)的發(fā)送子程序，以上所有變量均為全局變量。主程序負(fù)責(zé)對(duì)ADC，DAC、20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)和自定義變量進(jìn)行初始化，中斷服務(wù)程序完成同步軟件鑒相處理。
3數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC1220的轉(zhuǎn)換子程序，即圖4的子程序11，具體如圖5所示。
(1)發(fā)送程序開(kāi)始；(2)發(fā)送指令寄存器INSR，設(shè)置數(shù)據(jù)寬度為20位；(3)數(shù)模轉(zhuǎn)換程序結(jié)束本發(fā)明中，通過(guò)選擇高分辨率的20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器5(DAC1220)，可保證伺服的高精度和用本伺服系統(tǒng)制作銣原子頻標(biāo)的高性能。如某銣原子頻標(biāo)所用10M壓控晶振的壓控率為0.5Hz/V，相對(duì)調(diào)諧率則為5E-8/V，20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)的輸出范圍位0-5V，1LSB對(duì)應(yīng)的電壓＝5/1220＝4.7683×10-6V，故20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)的1LSB加到壓控晶振上的相對(duì)調(diào)諧率＝2.38×10-13，而銣原子頻標(biāo)短期穩(wěn)定度的最高指標(biāo)都在10-12量級(jí)，所以20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC1220)可以滿足高精度伺服要求。
按照本發(fā)明方案設(shè)計(jì)的數(shù)字伺服裝置系統(tǒng)與銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)進(jìn)行連接調(diào)試時(shí)首先把環(huán)路斷開(kāi)，即暫不把20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器5(DAC1220)后的隔離放大電路7的輸出端連接到壓控晶振上，而是掃描壓控晶振調(diào)諧電壓，20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器5(DAC1220)則輸出伺服的壓控信號(hào)，同步記錄這個(gè)兩個(gè)電壓信號(hào)就得到如附圖6的所謂“S曲線”圖，根據(jù)這個(gè)圖調(diào)節(jié)程序中的D0值使曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)銣原子吸收峰的頂部，然后把環(huán)路閉合即可實(shí)現(xiàn)鎖定。
權(quán)利要求
1.一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字伺服裝置，它包括濾波放大電路(1)、單片機(jī)(2)、20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(5)、隔離放大電路(7)，其特征在于濾波放大電路(1)的輸入端連接銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)光檢信號(hào)輸出端，濾波放大電路(1)的輸出端連接單片機(jī)(2)集成的ADC輸入端，單片機(jī)(2)集成的12位DAC輸出端為鎖定指示端(3)的輸出端，單片機(jī)(2)的SPI0口通過(guò)光耦電路(4)隔離后連接20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(5)的SPI口，電壓基準(zhǔn)電路(6)的輸出端連接20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(5)的電壓參考輸入端，20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(5)的輸出端連接隔離放大電路(7)的輸入端，隔離放大電路(7)的輸出端連接銣原子頻標(biāo)中壓控晶振的電壓調(diào)諧端。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字伺服裝置，濾波放大電路的輸入端連接到銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)光檢信號(hào)輸出端，濾波放大電路的輸出端連接單片機(jī)輸入端，單片機(jī)輸出端為鎖定指示端，單片機(jī)的SPI0口通過(guò)光耦電路隔離后連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的SPI口，電壓基準(zhǔn)電路的輸出端連20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電壓參考輸入端，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接隔離放大電路的輸入端。該裝置把光檢信號(hào)數(shù)字化后在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行同步軟件鑒相，得到的誤差信號(hào)通過(guò)高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換后去伺服壓控晶振。該裝置可克服傳統(tǒng)模擬伺服裝置的不足，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、全數(shù)字化、易于調(diào)試、可進(jìn)行精確量化控制、促進(jìn)頻標(biāo)快速鎖定，可應(yīng)用于小型化銣原子頻標(biāo)。
文檔編號(hào)H03L7/26GK101018056SQ20071005156
公開(kāi)日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月16日
發(fā)明者曹遠(yuǎn)洪, 張賢誼, 康松柏, 鐘達(dá), 梅剛?cè)A 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所