技术领域
[0001] 本
发明涉及
原子频标技术领域，尤其涉及一种数字伺服装置和使用方法。
背景技术
[0002] 铯原子钟在时间
频率领域占有重要地位，它凭借优良的长期
稳定性和高可靠性的优势，成为一级频率标准和高
精度基准钟，应用于现代科学与技术的各种领域，包括守时、时间频率计量等。到目前为止我国对小型
磁选态铯钟的研制尚未真正达到工程化应用
水平，其中，小型磁选态铯钟指标跟寿命难以达到工程使用要求是重要原因，这主要是由于外界环境(如
温度、
磁场等)的变化而引起的
电路和铯束管发生变化。现有铯原子钟伺服装置无法对铯束管参数，如C场
电流、
电子倍压器
电压等进行
自动调节，无法提高铯原子钟使用寿命。
发明内容
[0003] 本发明提供一种数字伺服装置和使用方法，解决现有装置和方法无法自动调节铯束管供电参数，改善铯原子钟长期稳定度指标、改善使用寿命的问题。
[0004] 为实现上述目的，本发明是这样实现的：
[0005] 本发明
实施例指出一种数字伺服装置，用于铯原子钟，铯束管输出的误差
信号，通过所述低噪声
放大器、模拟数字转换器传输至所述微
控制器；所述
微控制器，用于向所述数字模拟转换器输出调节信号：当所述误差信号为主控环误差信号时，所述调节信号为根据所述误差信号大小和方向产生的频率调节信号；当所述误差信号为第一和第二C场误差信号时，所述调节信号为根据二者比较结果产生的C场调节信号，所述第一、第二C场误差信号由向所述铯束管输入频率为f0+△f、f0-△f的
微波信号产生；当所述误差信号为第一和第二功率误差信号时，所述调节信号为根据所述二者大小比较结果产生的微波功率调节信号，所述第一、第二功率误差信号由向所述铯束管输入功率为P0+△P、 P0-△P的微波信号产生；当所述误差信号为电子倍压器误差信号时，所述调节信号为根据所述电子倍压器误差信号与
门限电平比较结果产生的电子倍压器调节信号，所述电子倍压器误差信号由向所述铯束管输入频率为f0的微波信号产生；所述数字模拟转换器，用于接收所述调节信号，转换为
数字信号后给铯原子钟的晶振和铯束管；所述数字频率合成器，用于接收所述微控制器输出的
时钟信号，输出基准频率信号，所述输出基准频率信号用于生成所述铯束管的
激励信号；
其中，f0为铯原子激励信号的中心频率、△f为预设频率间隔、P0为最佳微波功率，△P为功率间隔。
[0006] 进一步地，所述微控制器包含：主控制环路模
块；所述主控制环路模块，用于当所述误差信号为所述主控环误差信号时，输出所述频率调节信号，所述频率调节信号的大小、符号与所述误差信号大小、符号相关。
[0007] 进一步地，所述微控制器包含：C场调节环路模块；所述C场调节环路模块，用于当所述误差信号为所述第一、第二C场误差信号时，根据所述第一、第二C场误差信号的大小比较结果，输出增大或减小C场电流的所述C场调节信号。
[0008] 进一步地，所述微控制器包含：功率控制环路模块；所述功率控制环路模块，用于当所述误差信号为所述第一、第二功率误差信号时，根据所述第一、第二功率误差信号的大小比较结果，输出增大或减小微波功率的所述微波功率调节信号。
[0009] 进一步地，所述微控制器包含：电子倍压器控制环路模块；所述电子倍压器控制环路模块，用于当所述误差信号为所述电子倍压器误差信号时，若所述电子倍压器误差信号大于所述门限电平加1mV，则输出减小电子倍压器电压的所述电子倍压器调节信号，若所述电子倍压器误差信号小于所述门限电平，则输出增大电子倍压器电压的所述电子倍压器调节信号。
[0010] 优选地，所述微控制器为C8051F064。
[0011] 优选地，所述模拟数字转换器采用16bitA/D芯片，所述数字模拟转换器采用20bitD/A芯片。
[0012] 优选地，所述数字频率合成器为AD9852，所述基准频率信号的中心频率为7.368230MHz。
[0013] 本发明实施例还指出一种数字伺服装置使用方法，使用所述的装置，包含以下步骤：接收铯束管输出的误差信号，经
模数转换、环路调节后产生所述调节信号，
数模转换后输出，同时输出所述基准频率信号：当所述误差信号为所述主控环误差信号时，所述调节信号为所述频率调节信号；当所述误差信号为所述第一和第二C场误差信号时，所述调节信号为所述C场调节信号；当所述误差信号为所述第一和第二功率误差信号时，所述调节信号为所述微波功率调节信号；当所述误差信号为第一和第二电子倍压器误差信号时，所述调节信号为所述电子倍压器调节信号；当所述误差信号为电子倍压器误差信号时，所述调节信号为电子倍压器调节信号。
[0014] 本发明有益效果包括：本发明目的在于研制一种铯原子钟的数字伺服优化装置，它是由铯束管输出的误差信号，控制10MHz晶振的频率，使扫描信号
锁定到铯原子钟的中心频率上。C场电流、微波功率、
电子倍增器放大量等都是影响误差信号输出的重要因素，数字伺服优化装置通过控制这些参数，使铯束管输出的误差信号维持在一个稳定的状态，利于锁定后的铯原子钟高指标的输出以及寿命的延长。
附图说明
[0015] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0016] 图1为一种数字伺服装置实施例；
[0017] 图2为主控制环路模块误差电
压实施例；
[0018] 图3为C场调节环路模块工作流程实施例；
[0019] 图4为功率控制环路模块工作流程实施例；
[0020] 图5为电子倍压器控制环路模块工作流程实施例。
具体实施方式
[0021] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022] 本发明创新点为：第一，本发明伺服装置采用数字电路形式，应用数字电路元器件、减小模拟电路带来的漂移等误差、且可数字调节；第二，本发明伺服装置，可周期性自动调节铯原子钟的信号频率、C场电流大小、微波功率大小、电子倍压器电压大小，提高铯原子钟的长期稳定度指标，延长铯原子钟寿命。
[0023] 以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
[0024] 第1实施例：
[0025] 图1为一种数字伺服装置实施例，可用于改善铯原子钟的长期稳定度分指标，作为本发明实施例，一种数字伺服装置，用于铯原子钟，包含：
低噪声放大器1、模拟数字转换器2、微控制器3、数字模拟转换器4、数字频率合成器 5。
[0026] 铯束管输出的误差信号，通过所述低噪声放大器、模拟数字转换器传输至所述微控制器；所述微控制器，用于向所述数字模拟转换器输出调节信号：当所述误差信号为主控环误差信号时，所述调节信号为根据所述误差信号大小和方向产生的频率调节信号；当所述误差信号为第一和第二C场误差信号时，所述调节信号为根据二者比较结果产生的C场调节信号，所述第一、第二C场误差信号由向所述铯束管输入频率为f0+△f、f0-△f的微波信号产生；当所述误差信号为第一和第二功率误差信号时，所述调节信号为根据所述二者大小比较结果产生的微波功率调节信号，所述第一、第二功率误差信号由向所述铯束管输入功率为P0+△P、P0-△P的微波信号产生；当所述误差信号为电子倍压器误差信号时，所述调节信号为根据所述电子倍压器误差信号与门限电平比较结果产生的电子倍压器调节信号，所述电子倍压器误差信号由向所述铯束管输入频率为f0的微波信号产生；所述数字模拟转换器，用于接收所述调节信号，转换为数字信号后给铯原子钟的晶振和铯束管；所述数字频率合成器，用于接收所述微控制器输出的时钟信号，输出基准频率信号，所述输出基准频率信号用于生成所述铯束管的激励信号；其中，f0为铯原子激励信号的中心频率、△f 为预设频率间隔、P0为最佳微波功率，△P为功率间隔。
[0027] 在本发明第1实施例中，所述数字伺服装置主要由四个独立的稳定调节环路组成，分别是主控制环路模块、C场调节环路模块、微波功率调节环路模块、电子倍增器调节环路模块。
[0028] 进一步地，所述微控制器包含：主控制环路模块；所述主控制环路模块，用于当所述误差信号为所述主控环误差信号时，输出所述频率调节信号，所述频率调节信号的大小、符号与所述误差信号大小、符号相关。
[0029] 需要说明的是，对所述主控制环路模块的功能和作用将在本发明第3实施例中详细论述，这里不做重复说明。
[0030] 进一步地，所述微控制器包含：C场调节环路模块；所述C场调节环路模块，用于当所述误差信号为所述第一、第二C场误差信号时，根据所述第一、第二C场误差信号的大小比较结果，输出增大或减小C场电流的所述C场调节信号。
[0031] 需要说明的是，对所述C场调节环路模块的功能和作用将在本发明第4实施例中详细论述，这里不做重复说明。
[0032] 进一步地，所述微控制器包含：功率控制环路模块；所述功率控制环路模块，用于当所述误差信号为所述第一、第二功率误差信号时，根据所述第一、第二功率误差信号的大小比较结果，输出增大或减小微波功率的所述微波功率调节信号。
[0033] 需要说明的是，对所述功率控制环路模块的功能和作用将在本发明第5实施例中详细论述，这里不做重复说明。
[0034] 进一步地，所述微控制器包含：电子倍压器控制环路模块；所述电子倍压器控制环路模块，用于当所述误差信号为所述电子倍压器误差信号时，若所述电子倍压器误差信号大于所述门限电平加1mV，则输出减小电子倍压器电压的所述电子倍压器调节信号，若所述电子倍压器误差信号小于所述门限电平，则输出增大电子倍压器电压的所述电子倍压器调节信号。
[0035] 需要说明的是，对所述电子倍压器控制环路模块的功能和作用将在本发明第5实施例中详细论述，这里不做重复说明。
[0036] 在本发第1实施例中，所述低噪声放大器的作用为，铯束管输出的误差信号放大后有2个用途：测量Ramsey线形、测量噪声和主环路伺服控制。要进行上述测量，误差信号需要经过不同的处理。测量Ramsey线形，可以对误差信号直接测量；测量噪声，要对误差信号进行低通滤波、信号低噪声放大、信号积分等处理；主环路伺服控制，要对误差信号进行低通滤波和信号程控放大。需要说明的是，主环路伺服控制由主控环路模块实现。
[0037] 在本发明第1实施例中，A/D采集电路，即所述模拟数字转换器采用 16bitA/D芯片，低噪声放大器
输出电压经过A/D转换为二进制码，并由
微处理器进行
数据处理，以确定加到10MHz晶振上的校正电压、C场电流、DDS
输出信号的微波功率和电子倍增器电压；D/A电路，即所述数字模拟转换器采用 20bit D/A芯片，由微处理器控制，调节晶振频率、C场电流和电子倍增器电压。
[0038] 在本发明第1实施例中，微处理器采用C8051F064，控制D/A、A/D和程控放大器以及伺服优化程序。微处理器内进行的伺服优化工作是本发明的核心内容。铯原子钟是以52.63ms为周期进行伺服优化工作。DDS采用AD9852，输出的中心频率7.368230MHz作为微波
锁相环路的一个基准频率。这个频率多次和与100MHz相参的
本振进行混频，最后产生
9.19263177GHz铯钟激励信号。 AD9852的频率分辨
力为40位，系统时钟为40MHz，则DDS的步进量为142nHz，理论上铯钟激励信号的频率分辨力为1.5E-17。
[0039] 本发明第1实施例提供的数字伺服装置，可控制铯原子钟进行铯束管 Ramsey线形扫描，调整10MHz晶振压控电压、铯束管供电参数，如C场电流、电子倍增器、微波功率等，实现铯钟伺服优化控制；并提供7.4MHz信号，用于微波倍频；所述装置用于制作铯原子频标，提高铯原子钟的长期稳定度指标，延长铯原子钟的寿命。
[0040] 第2实施例：
[0041] 本发明第2实施例提出一种数字伺服装置使用方法，使用本发明第1实施例中所述的装置，包含以下步骤：
[0042] 步骤101，接收铯束管输出的误差信号，经模数转换、环路调节后产生所述调节信号，数模转换后输出，同时输出所述基准频率信号：
[0043] 当所述误差信号为所述主控环误差信号时，所述调节信号为所述频率调节信号；当所述误差信号为所述第一和第二C场误差信号时，所述调节信号为所述C场调节信号；当所述误差信号为所述第一和第二功率误差信号时，所述调节信号为所述微波功率调节信号；当所述误差信号为第一和第二电子倍压器误差信号时，所述调节信号为所述电子倍压器调节信号；当所述误差信号为电子倍压器误差信号时，所述调节信号为电子倍压器调节信号。
[0044] 第3实施例：
[0045] 图2为主控制环路模块误差电压实施例，对主控制环路模块误差电压与频率调节关系进行了说明，具体地：
[0046] 所述主控制环路模块，用于当所述误差信号为所述主控环误差信号时，输出所述频率调节信号，所述频率调节信号的大小、符号与所述误差信号大小、符号相关。
[0047] 在本发明第3实施例中，若铯束管的
输入信号稳定在中心频率 9192631770Hz，则当向铯束管输入在该中心频率上下等频率间隔处产生的微波信号时，主控环误差信号为0；否则，所述主控环误差信号不为0。因此，可通过所述主控环误差信号的大小、符号，产生所述频率调节信号，使所述铯束管的输入信号稳定在中心频率处。
[0048] 例如，在中心频率9192631770Hz上下等频率间隔的
位置分别产生方波调制的微波信号馈入到铯束管中，当不同的激励信号进入微波腔与铯原子作用后，通过对误差信号的采集可以获取中心频率与跃迁
频率偏差的方向和大小，如图3中所示，在中心频率上下等频率间隔f1、f2处对铯束管输出的信号进行采集，得到误差信号，这一信息可以指导伺服系统对10MHz晶振进行纠偏，当达到锁定状态时，误差信号将为0。
[0049] 本发明实施例中提供的主控制环路模块可实现对根据误差信号电压大小实时调节铯原子钟的频率，实现高频率稳定度的铯原子钟。
[0050] 第4实施例：
[0051] 图3为C场调节环路模块工作流程实施例，对C场调节环路模块的工作流程进行了详细描述，具体地：
[0052] 当所述误差信号为第一和第二C场误差信号时，所述调节信号为根据二者比较结果产生的C场调节信号，所述第一、第二C场误差信号由向所述铯束管输入频率为f0+△f、f0-△f的微波信号产生；其中，f0为铯原子激励信号的中心频率、△f为预设频率间隔。
[0053] 在本发明实施例中，C场场强的变化将直接影响原子频标频率准确度的变化，根据原子跃迁频率与磁场强度的关系可确定C场电流值：
[0054]
[0055] 式中f0为9192631770Hz，f(0,0)为使原子发生跃迁的微波激励信号频率，H0是磁场强度，单位为高斯。
[0056] 因此，在设定中心频率后，C场强度随之确定。在mF＝+1或者mF＝-1峰的微波频率附近，施加调变频率将检测到误差信号，这个误差信号在实际磁场强度与设定值一致时，将达到最小值，以此来判断C场电流是否为最佳C场电流，这也就是完成了C场电流的伺服优化。
[0057] 在本发明第4实施例中，所述C场调节环路模块，用于当所述误差信号为所述第一、第二C场误差信号时，根据所述第一、第二C场误差信号的大小比较结果，输出增大或减小C场电流的所述C场调节信号。
[0058] 具体地，所述数字伺服装置使铯原子钟对Ramsey线形进行扫描，在扫描过程中确定Zeeman频率、即所述中心频率，当铯束管输入信号的微波频率为 f0+△f时，所述模拟数字转换器的采集值记为X1，当铯束管输入信号的微波频率为f0-△f时，所述模拟数字转换器的采集值记为X2。若X1>X2，则增大或减小C场电流；否则，则相应地减小或增大C场电流。
[0059] 在本发明实施例中，△f为200Hz，需要说明的是，△f也可以是其他数值，这里不做特别限定。
[0060] 本发明实施例提供了C场调节环路模块自动调节C场电流的方法，可减小C场电流对铯原子钟的寿命的影响。
[0061] 第5实施例：
[0062] 图4为功率控制环路模块工作流程实施例，对功率调节环路模块的工作流程进行了详细描述，具体地：
[0063] 当所述误差信号为第一和第二功率误差信号时，所述调节信号为根据所述二者大小比较结果产生的微波功率调节信号，所述第一、第二功率误差信号由向所述铯束管输入功率为P0+△P、P0-△P的微波信号产生；其中，P0为最佳微波功率，△P为功率间隔。
[0064] 所述功率控制环路模块，用于当所述误差信号为所述第一、第二功率误差信号时，根据所述第一、第二功率误差信号的大小比较结果，输出增大或减小微波功率的所述微波功率调节信号。
[0065] 在本发明第5实施例中，首先将微波调配器与铯束管微波腔进行调配。在不同微波功率的条件下进行Ramsey线形扫描，在vp-p、即峰峰值电压为最大值时的微波功率就是最佳微波功率。
[0066] 在本发明第5实施例中，对微波功率进行伺服控制时需要保持微波频率不变，在当前功率下控制微波产生方波调制的功率信号，当中心功率不是最佳功率时，被方波调制的功率信号馈入铯束管后将产生误差方波信号，当前微波功率较最佳微波功率偏高或者偏低时，误差信号将与调制信号产生
相位的不同，可以用来确定伺服方向；与最佳微波功率偏离的大小，误差信号的幅度将不同，具备了这两个信息就能够实现对微波功率的伺服。
[0067] 具体地：通过扫描微波曲线确定最佳微波功率P0，当铯束管输入信号的微波功率为P0+△P时，所述模拟数字转换器的采集值记为X3；当铯束管输入信号的微波功率为P0-△P时，所述模拟数字转换器的采集值记为X4。若X3
[0068] 在本发明实施例中，所述△P为1dBmW，需要说明的是，所述△P还可以为其他数值，这里不做特别限定。
[0069] 本发明实施例通过对微波功率的伺服控制，使铯原子感受到稳定的微波功率，可以提高铯原子钟长期频率稳定度。
[0070] 第6实施例：
[0071] 图5为电子倍压器控制环路模块工作流程实施例，对电子倍压器控制环路模块的工作流程进行了详细描述，具体地：
[0072] 当所述误差信号为电子倍压器误差信号时，所述调节信号为根据所述电子倍压器误差信号与门限电平比较结果产生的电子倍压器调节信号，所述电子倍压器误差信号由向所述铯束管输入频率为f0的微波信号产生。
[0073] 电子倍增器放大量会随着工作时间的增长而变小，当电子倍增器放大量达到一定门限后，铯原子钟就能够稳定工作，小于这个门限就无法正常工作。
[0074] 需要说明的是，对电子倍增器放大量进行伺服控制时需要在微波频率为铯束管中心频率时，检测误差信号大小，根据误差信号的增大和减小来确定伺服方向，调整电子倍增器的电压。
[0075] 所述电子倍压器控制环路模块，用于当所述误差信号为所述电子倍压器误差信号时，若所述电子倍压器误差信号大于所述门限电平加1mV，则输出减小电子倍压器电压的所述电子倍压器调节信号，若所述电子倍压器误差信号小于所述门限电平，则输出增大电子倍压器电压的所述电子倍压器调节信号。
[0076] 例如，当铯束管输入信号的频率为f0时，所述模拟数字转换器对Ramsey 线形的峰值进行记录，若记录值大于门限电平+1mV时，则减小电子倍压器电压；若记录值小于门限电平时，则减小电子倍压器电压。
[0077] 发明实施例通过对电子倍压器的伺服控制，使电子倍压器不会因为铯原子钟的长时间使用停止工作，可以提高铯原子钟长期频率稳定度。
[0078] 需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0079] 以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的
权利要求范围之内。
