專利名稱：銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及銣原子頻標(biāo)技術(shù)，尤其涉及銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償裝置及其方法。
背景技術(shù)：
銣原子頻標(biāo)以其體積小、重量輕、功耗低已廣泛應(yīng)用于機(jī)載、彈載、通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同步等領(lǐng)域。由于生產(chǎn)工藝的提高、電子技術(shù)的發(fā)展，銣原子頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度得到進(jìn)一步提高，使得其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。銣原子頻標(biāo)是一種被動型原子頻標(biāo)，主要由晶振、物理系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)三部分組成。晶振的輸出信號經(jīng)變頻后利用物理系統(tǒng)進(jìn)行鑒頻，構(gòu)成閉合鎖頻環(huán)路。銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)由光譜燈、吸收泡、微波諧振腔以及光敏管檢測器組成。電路控制系統(tǒng)是晶振和物理系統(tǒng)之間的紐帶，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)壓控晶振的頻率經(jīng)變頻后的頻率高于躍遷頻率時，由物理系統(tǒng)吸收線鑒頻后產(chǎn)生的誤差電壓，此電壓經(jīng)電路部分的放大鏈、伺服環(huán)路之后產(chǎn)生一個糾偏電壓加到晶振的壓控端，使晶振頻率變低。當(dāng)晶振頻率經(jīng)變頻后的頻率低于躍遷頻率時，則有相反的控制結(jié)果使晶振頻率升高。當(dāng)接近時，銣原子頻標(biāo)處于鎖定狀態(tài)，可實用的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)信號從壓控晶振輸出。銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)的特性，使得環(huán)境溫度起伏對頻標(biāo)準(zhǔn)確度的影響較大。通常，為了獲得高精度銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，對頻標(biāo)的物理系統(tǒng)進(jìn)行精確的控溫設(shè)計。即使這樣，銣原子頻標(biāo)對其使用環(huán)境的溫度穩(wěn)定性要求仍然較高。為了解決上述問題，目前常用的解決方法有2種第一種，基于提高銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)的充制工藝；第二種，基于補(bǔ)償DDS的溫度系數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)。研究表明，銣頻標(biāo)整機(jī)的溫度特性主要由物理系統(tǒng)的光譜燈和吸收泡的氣體充制參數(shù)和充制工藝決定。要提高上述的兩項指標(biāo)，是通過改善其充制參數(shù)和充制工藝，再對光譜燈和吸收泡進(jìn)行優(yōu)選來實現(xiàn)，這不僅工藝復(fù)雜、成本較高、產(chǎn)品的一致性很難保證，而且頻標(biāo)生產(chǎn)完成后不能對整機(jī)溫度系數(shù)進(jìn)行自動補(bǔ)償?；谘a(bǔ)償DDS的溫度系數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)是通過調(diào)整激勵物理系統(tǒng)的微波頻率實現(xiàn)的。微波激勵頻率可以通過晶振直接倍頻產(chǎn)生，也可以通過晶振倍頻、與DDS混頻產(chǎn)生。但補(bǔ)償DDS的方法僅適用于混頻產(chǎn)生微波激勵頻率的電路結(jié)構(gòu)，而對于一些采用直接倍頻方案的高精度銣原子頻標(biāo)則無能為力。由于物理系統(tǒng)和電子線路結(jié)構(gòu)不同，補(bǔ)償DDS改善溫度系數(shù)的方法不能用于修正不同結(jié)構(gòu)的銣原子頻標(biāo)，使得現(xiàn)有修正溫度系數(shù)的方法具有很大局限性。由于目前銣原子頻標(biāo)作為飛機(jī)的有效載荷、通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的同步設(shè)備日益得到廣泛的應(yīng)用，所以需要彌補(bǔ)其對環(huán)境溫度因素要求較苛刻的局限性，使其滿足多種環(huán)境溫度下的使用
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，提出一種銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償裝置及其方法。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償裝置，所述銣原子頻標(biāo)包括晶振、物理系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)，所述智能補(bǔ)償裝置連接在物理系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)之間，該補(bǔ)償裝置包括相互連接的數(shù)字溫度探測器，用于對所述物理系統(tǒng)的溫度變化進(jìn)行檢測；微處理器，根據(jù)所述銣原子頻標(biāo)的頻率和物理系統(tǒng)之間的溫度關(guān)系對檢測到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)定物理系統(tǒng)C場線圈的電壓值；D/A轉(zhuǎn)換模塊，用于將設(shè)定的電壓值進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并輸出至物理系統(tǒng)。進(jìn)一步，所述物理系統(tǒng)的電壓值為物理系統(tǒng)中C場線圈的電壓值。進(jìn)一步，所述D/A轉(zhuǎn)換模塊與所述的C場線圈相連。進(jìn)一步，所述電路控制系統(tǒng)包括A/D采集模塊。 進(jìn)一步，所述微處理器與所述的A/D采集模塊相連。進(jìn)一步，所述的數(shù)字溫度探測器設(shè)置在所述物理系統(tǒng)附近。銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償方法，該方法包括
1)通過對銣原子頻標(biāo)與外部標(biāo)準(zhǔn)頻率源的比對，測得銣原子頻標(biāo)的溫度特性，建立物理系統(tǒng)溫度量與頻標(biāo)輸出頻率準(zhǔn)確度的對應(yīng)關(guān)系；
2)根據(jù)所述物理系統(tǒng)溫度量與頻標(biāo)輸出頻率準(zhǔn)確度的對應(yīng)關(guān)系，建立銣原子頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度和C場線圈的數(shù)字電壓信號參照表；
3)根據(jù)所述物理系統(tǒng)溫度量與頻標(biāo)輸出頻率準(zhǔn)確度的對應(yīng)關(guān)系，以及銣原子頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度和C場線圈的數(shù)字電壓信號參照表，構(gòu)建一個新的物理系統(tǒng)溫度量與C場線圈數(shù)字電壓信號的參照表，將所述新的參照表的數(shù)據(jù)存入微處理器中；
4)實時對銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)中的C場線圈的溫度量進(jìn)行檢測，根據(jù)步驟3中構(gòu)建的參照表，計算出需要對所述C場線圈的數(shù)字電壓需要設(shè)定的電壓值；
5)將所述設(shè)定的電壓值進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為模擬電壓設(shè)定值，C場線圈根據(jù)所述模擬電壓設(shè)定值對物理系統(tǒng)的中心頻率進(jìn)行微調(diào)，從而補(bǔ)償銣原子頻標(biāo)的溫度系數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
克服了銣原子頻標(biāo)對使用環(huán)境溫度穩(wěn)定性要求較苛刻的不足，延長了原子頻標(biāo)的有效使用時間。同時，本發(fā)明能降低生產(chǎn)工藝復(fù)雜度、可通用于不同銣原子頻標(biāo)結(jié)構(gòu)。


圖I為實現(xiàn)本發(fā)明的智能補(bǔ)償裝置原理圖。圖2為本發(fā)明銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)智能補(bǔ)償裝置的電路圖。圖3為本發(fā)明裝置中微處理器的程序流程圖。
具體實施例方式如圖1-2所示為銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)智能補(bǔ)償裝置。所述銣原子頻標(biāo)包括晶振A、物理系統(tǒng)B、電路控制單元C，所述智能補(bǔ)償裝置為單元D。所述晶振I與電路控制單元連接。物理系統(tǒng)B包括銣燈2、銣泡3、諧振腔4、光探測器5、控溫電路6、C場線圈7。電路控制單元C包括前置放大器8、A/D采集模塊9、D/A轉(zhuǎn)換模塊10、射頻電路11。智能補(bǔ)償單元D還包括數(shù)字溫度探測器12、D/A轉(zhuǎn)換模塊13，微處理器14，微處理器14作為數(shù)字式伺服系統(tǒng)。晶振輸出連接至射頻電路，射頻電路輸出用于激勵物理系統(tǒng)中銣泡內(nèi)的原子躍遷，以對激勵頻率進(jìn)行鑒頻。物理系統(tǒng)的光探測器將檢測到的原子躍遷情況轉(zhuǎn)換為電流信號輸出至前置放大器，通過A/D采集模塊對前置放大器輸出電壓值進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)傳輸至微處理器。微處理器的作用是，根據(jù)當(dāng)前采樣的電壓信號進(jìn)行運(yùn)算，以輸出適當(dāng)?shù)膲嚎仉妷褐辆д馎，使得其輸出高精度、高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率?？販仉娐繁Ｕ狭宋锢硐到y(tǒng)的環(huán)境溫度較穩(wěn)定。C場線圈的作用是把外界磁場對頻標(biāo)物理系統(tǒng)的影響減至最低限度，同時促進(jìn)銣泡內(nèi)原子超精細(xì)能級的分裂，因此通過調(diào)節(jié)作用于C場線圈的電壓可以對物理系統(tǒng)的中心頻率進(jìn)行微調(diào)，本發(fā)明的智能補(bǔ)償裝置就是基于該原理實現(xiàn)的。所述數(shù)字溫度探測器安裝于物理系統(tǒng)B附近，能夠快速、準(zhǔn)確的采集到物理系統(tǒng)B的溫度變化。微處理器通過定期對數(shù)字溫度探測器進(jìn)行訪問以獲得當(dāng)前物理系統(tǒng)B的溫度 數(shù)據(jù)。微處理器根據(jù)事先建立的溫度特性和C場電壓參照表，以及當(dāng)前C場電壓值計算輸出下一時刻的C場設(shè)定電壓數(shù)據(jù)，并通過D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出至C場電路。至此，完成銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償。本發(fā)明還提供了一種銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償方法，該方法包括
1)通過對銣原子頻標(biāo)與外部標(biāo)準(zhǔn)頻率源的比對，測得銣原子頻標(biāo)的溫度特性，建立物理系統(tǒng)溫度量與頻標(biāo)輸出頻率準(zhǔn)確度的對應(yīng)關(guān)系；
2)根據(jù)所述物理系統(tǒng)溫度量與頻標(biāo)輸出頻率準(zhǔn)確度的對應(yīng)關(guān)系，建立銣原子頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度和C場線圈的數(shù)字電壓信號參照表；
3)根據(jù)所述物理系統(tǒng)溫度量與頻標(biāo)輸出頻率準(zhǔn)確度的對應(yīng)關(guān)系，以及銣原子頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度和C場線圈的數(shù)字電壓信號參照表，構(gòu)建一個新的物理系統(tǒng)溫度量與C場線圈數(shù)字電壓信號的參照表，將所述新的參照表的數(shù)據(jù)存入微處理器中；
4)實時對銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)中的C場線圈的溫度量進(jìn)行檢測，根據(jù)步驟3中構(gòu)建的參照表，計算出需要對所述C場線圈的數(shù)字電壓需要設(shè)定的電壓值；
5)將所述設(shè)定的電壓值進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為模擬電壓設(shè)定值，C場線圈根據(jù)所述模擬電壓設(shè)定值對物理系統(tǒng)的中心頻率進(jìn)行微調(diào)，從而補(bǔ)償銣原子頻標(biāo)的溫度系數(shù)。在溫度系數(shù)智能補(bǔ)償裝置工作之前，首先通過頻標(biāo)與外部標(biāo)準(zhǔn)頻率源比對，建立溫度量與C場線圈電壓信號的參照表，并將這些特性的數(shù)據(jù)存入微處理器中。本發(fā)明裝置工作中，微處理器DSP定期對溫度探測器進(jìn)行訪問，將當(dāng)前采集的溫度量與C場電壓、溫度特性參照表中的溫度數(shù)據(jù)對照。根據(jù)參照表，微處理器計算相應(yīng)的C場線圈的數(shù)字電壓信號作為電壓設(shè)定值輸出至D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字電壓設(shè)定值轉(zhuǎn)換為模擬電壓設(shè)定值。D/A的模擬電壓值輸出至C場電路。通過對物理系統(tǒng)的中心頻率進(jìn)行微調(diào)，從而補(bǔ)償銣原子頻標(biāo)的溫度系數(shù)，以完成銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償。如圖3所示為所述C場線圈設(shè)定電壓的算法，該算法如下參照表中對應(yīng)C場線圈電壓值> 當(dāng)前C場電壓時，C場線圈設(shè)定電壓值=當(dāng)前C場電壓+ Λ，Λ為C場電壓調(diào)節(jié)量；參照表中對應(yīng)C場線圈電壓值<當(dāng)前C場電壓時，C場線圈設(shè)定電壓值=當(dāng)前C場電壓-Λ ;參照表中對應(yīng)C場線圈電壓值=當(dāng)前C場電壓時，C場線圈設(shè)定電壓值=當(dāng)前C場電壓。微處理器DSP對溫度探測器的訪問時間、以及C場電壓調(diào)節(jié)量△值，依據(jù)多次銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償實驗數(shù)據(jù)，由現(xiàn)場的數(shù)據(jù)測試來進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到好的補(bǔ)償效果。本發(fā)明溫度系數(shù)智能補(bǔ)償裝置的應(yīng)用可以有效改善銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)大、對使用環(huán)境溫度穩(wěn)定性要求較高的弱點(diǎn)，滿足銣原子頻標(biāo)在多種環(huán)境下的使用。應(yīng)當(dāng)理解，以上借助優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行的詳細(xì)說明是示意性的 而非限制性的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明說明書的基礎(chǔ)上可以對各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償裝置，所述銣原子頻標(biāo)包括晶振、物理系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)，其特征在于，所述智能補(bǔ)償裝置連接在物理系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)之間，該補(bǔ)償裝置包括相互連接的數(shù)字溫度探測器，用于對所述物理系統(tǒng)的溫度變化進(jìn)行檢測；微處理器，根據(jù)所述銣原子頻標(biāo)的頻率和物理系統(tǒng)之間的溫度關(guān)系對檢測到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)定物理系統(tǒng)C場線圈的電壓值；D/A轉(zhuǎn)換模塊，用于將設(shè)定的電壓值進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并輸出至物理系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述物理系統(tǒng)的電壓值為物理系統(tǒng)中C場線圈的電壓值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述D/A轉(zhuǎn)換模塊與所述的C場線圈相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述電路控制系統(tǒng)包括A/D采集模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述微處理器與所述的A/D采集模塊相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述的數(shù)字溫度探測器設(shè)置在所述物理系統(tǒng)附近。
7.銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償方法，其特征在于，該方法包括 1)通過對銣原子頻標(biāo)與外部標(biāo)準(zhǔn)頻率源的比對，測得銣原子頻標(biāo)的溫度特性，建立物理系統(tǒng)溫度量與頻標(biāo)輸出頻率準(zhǔn)確度的對應(yīng)關(guān)系； 2)根據(jù)所述物理系統(tǒng)溫度量與頻標(biāo)輸出頻率準(zhǔn)確度的對應(yīng)關(guān)系，建立銣原子頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度和C場線圈的數(shù)字電壓信號參照表； 3)根據(jù)所述物理系統(tǒng)溫度量與頻標(biāo)輸出頻率準(zhǔn)確度的對應(yīng)關(guān)系，以及銣原子頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度和C場線圈的數(shù)字電壓信號參照表，構(gòu)建ー個新的物理系統(tǒng)溫度量與C場線圈數(shù)字電壓信號的參照表，將所述新的參照表的數(shù)據(jù)存入微處理器中； 4)實時對銣原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)中的C場線圈的溫度量進(jìn)行檢測，根據(jù)步驟3中構(gòu)建的參照表，計算出需要對所述C場線圈的數(shù)字電壓需要設(shè)定的電壓值； 5)將所述設(shè)定的電壓值進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為模擬電壓設(shè)定值，C場線圈根據(jù)所述模擬電壓設(shè)定值對物理系統(tǒng)的中心頻率進(jìn)行微調(diào)，從而補(bǔ)償銣原子頻標(biāo)的溫度系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的智能補(bǔ)償裝置及其方法，所述銣原子頻標(biāo)包括晶振、物理系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)，所述智能補(bǔ)償裝置連接在物理系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)之間，該補(bǔ)償裝置包括相互連接的數(shù)字溫度探測器，用于對所述物理系統(tǒng)的溫度變化進(jìn)行檢測；微處理器，根據(jù)所述銣原子頻標(biāo)的頻率和物理系統(tǒng)之間的溫度關(guān)系對檢測到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)定物理系統(tǒng)C場線圈的電壓值；D/A轉(zhuǎn)換模塊，用于將設(shè)定的電壓值進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并輸出至物理系統(tǒng)。該裝置的應(yīng)用可以有效改善銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)大、對使用環(huán)境溫度穩(wěn)定性要求較高的弱點(diǎn)，滿足銣原子頻標(biāo)在多種環(huán)境下的使用。
文檔編號H03L7/26GK102761334SQ20121024861
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月18日
發(fā)明者劉偉, 李春景, 楊同敏, 楊晨, 馬麗 申請人:北京無線電計量測試研究所