一種用於cpt原子鐘的相干解調裝置的製作方法

2023-05-29 10:52:26 4

專利名稱：一種用於cpt原子鐘的相干解調裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及原子鐘技術領域，更具體涉及一種用於相干布居數囚禁(CPT， Coherent Population Trapping)原子鐘的相干解調裝置。可適用於小型化商用原子鐘系 統，在低功耗、小體積、高精度、高穩定度頻率標準的領域中有廣闊的應用前景。
背景技術：
CPT原子鐘是一種新型原子鐘，它利用相干布居囚禁現象實現，省去了傳統原子鐘 的微波腔，是一種全光原子鐘。與傳統原子鐘比，它具有體積小、功耗低、啟動快等優點，結 合微電子機械系統(MEMS, Micro Electromechanical System)技術，可以實現體積為幾個 立方釐米、紐扣電池供電、幾十秒鐘完成啟動的微型原子鐘系統。微型CPT原子鐘結合了原 子鐘的長期穩定性好和晶振的體積小、功耗低的優勢，已成為原子鐘研究領域的寵兒。國內 CPT原子鐘研究單位主要有中國科學院武漢物理與數學研究所，四川天奧星華時頻公司，北 京大學等單位，其中中科院武漢物理與數學研究所於2006年在國內首次研究出CPT原子 鍾，2009年研製出的小型化樣機指標已達到國際上最好的商用小型CPT原子鐘水平。CPT原子鐘的控制電路主要包含有兩個鎖相控制環路其中一個環路為雷射穩頻 環路，通過在注入垂直腔表面發射雷射器(VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)的電流(mA量級)上疊加幾KHz的淺幅調製(μΑ量級)，以實現對輸出雷射頻率的 調製，使用光電探測器探測VCSEL輸出雷射與原子作用後的光強，可得到原子對不同頻率 雷射的吸收譜線，通過相干解調的方法從原子對雷射的吸收譜獲得反饋信號，用於調節注 入VCSEL的電流，將輸出雷射頻率鎖定在原子對不同頻率雷射的吸收譜線中最大共振吸收 峰對應的頻率上；另一個環路為微波頻率鎖定環路，將微波耦合到注入VCSEL的電流中，使 VCSEL輸出產生雙色相干光，用於產生CPT現象，與雷射穩頻環路類似，通過鎖相環對微波 疊加幾百Hz的頻率調製，使用光電探測器探測VCSEL輸出雷射與原子相互作用後的光強， 可得到CPT譜線，通過相干解調的方法獲得反饋信號，用於調節微波頻率，將微波頻率鎖定 在CPT峰上，以實現穩頻的目的。由此可見，相干解調是實現CPT原子鐘鎖相控制的重要方法，CPT原子鐘的性能 與其所使用的相干解調效果有很大的關係，高性能的原子鐘和高性能的調製解調環路是分 不開的。現常用的原子鐘調製解調方法有三種一是通過數字方法控制高速數模轉換器 (DAC)得到調製信號，通過量子系統後，再由模數轉換器(ADC)高速採集響應信號，通過數 字解調算法得到解調結果，再由數字方法控制數模轉換器進行反饋，如北京大學汪中等申 請的專利(一種相干布居囚禁原子鐘，申請號200810225078. 8)；另一種為通過模擬或數字 方法得到調製信號，利用模擬開關解調響應中的同頻信號，得到模擬解調結果，執行模擬反 饋；還有一種是通過模擬開關解調，得到模擬解調結果，再用ADC採集，數字控制DAC反饋。 現有的這三種方法各有缺點，第一種方法對ADC、DAC的採集速度和精度要求高，對ADC、DAC 的參考時鐘要求也很高，需要專門的時鐘分配晶片給電路提供時鐘，並且需要專門的控制 晶片作為控制接口，增加了分立電路的功耗和體積，不利於CPT原子鐘的小型化，同時該方法對微控制器的處理能力有較高的要求，且處理算法和數字電路引入的噪聲對調製解效果 影響很大，將直接影響到CPT原子頻標的穩定度；第二種方法的反饋控制電路調節複雜，靈 活性差；第三種方法中的開關解調方法一般利用場效應管控制開關，外部電路的噪聲性能 和體積難以兼顧。總之，設計、研製出滿足小型、低功耗要求，性能更加理想的調製解調電路，是改進 小型化CPT原子鐘的一個關鍵方面。

發明內容
本發明的目的是提供一種用於CPT原子鐘的相干解調裝置，該裝置體積小，功耗 低，精度高。相比已有的調製解調裝置，該裝置降低了整機的體積和功耗，提高了解調信號 的信噪比，在此基礎上研製出的小型化CPT樣機指標已達到國際上最好的商用小型CPT原 子鍾水平。為了實現上述的目的，本發明採用以下技術措施
一種用於CPT原子鐘的相干解調裝置，該裝置包括光檢放大電路、直流解調單元、微 波解調單元、第一模數轉換器(直流環路)、第二模數轉換器(微波環路)、微控制器、第一數 模轉換器(直流環路)、第二數模轉換器(微波環路)、頻率綜合電路、電壓/電流轉換電路、直 流偏置器件、物理系統。其特徵在於物理系統的輸入輸出分別與光檢放大電路、直流偏置 器件相連，物理系統中的光電探測器輸出端與光檢放大電路相連，光檢放大電路的輸出分 別與直流解調單元和微波解調單元相連，直流調製單元與微波調製單元的輸出分別通過第 一模數轉換器(直流環路)和第二模數轉換器(微波環路)相連，第一模數轉換器(直流環路)、 第二模數轉換器(微波環路)輸出與微控制器相連，微控制器通過串行接口總線讀取模數轉 換得到的結果。微控制器通過串行接口總線與第一數模轉換器(直流環路)、第二數模轉換 器(微波環路)相連，第一數模轉換器(直流環路)、第二數模轉換器(微波環路)分別與頻率綜 合電路、電壓/電流轉換電路相接。電壓/電流轉換電路輸出端、頻率綜合電路的微波輸出 端分別與直流偏置器件的直流和微波輸入端相連。直流偏置器件輸出與物理系統的VCSEL 輸入端相連，驅動雷射管發光。其中光檢放大電路，直流解調單元，直流環路模數轉換器，微 控制器，直流環路數模轉換器，電壓/電流轉換電路，直流偏置器件，物理系統構成雷射頻 率鎖定環路；而光檢放大電路，微波解調單元，微波環路模數轉換器，微控制器，微波環路數 模轉換器，頻率綜合電路，直流偏置器件，物理系統構成微波頻率鎖定環路。所述的物理系統包括微波發生器、VCSEL雷射器、原子氣室和光電探測器；VCSEL 雷射器輸入與直流偏置器件的輸出相連，VCSEL雷射器發出的雷射經過原子氣室與原子相 互作用，透射的雷射進入光電探測器，光電探測器的輸出與光檢放大電路相連。微控制器用於提供調製和相干解調所需的方波信號，調節調製和相干解調方波 信號之間的相位，處理解調得到的結果，並控制數模轉換器反饋輸出；
所述的調製單元用於調製所述原子鐘物理單元中的雷射器和微波發生器，得到經過 調製的直流和微波；
所述的解調單元包括帶通濾波器、解調器和低通濾波器，用於從所述原子鐘物理單元 中光電探測器輸出中過濾出與調製同頻的信號分量，並模擬解調。所述的直流解調單元、微波解調單元包括帶通濾波器、微控制器、解調器、低通濾波器，解調器包括信號通道、參考通道、相位檢測器，解調器中的信號通道與參考通道兩個 輸入通道與相位檢測器連接，帶通濾波器的輸出的鑑頻信號接入解調器中的信號通道，微 控制器輸出用於解調的參考方波輸入參考通道，解調器的輸出與低通濾波器相連。通過微波對VCSEL的輸入電流進行幅度調製，可獲得受微波調製的多色光，這些 多色光具有良好的相干特性。選擇適當的調製指數，使該多色光中的士 1級邊帶光較強。 此多色光通過吸收泡和泡中的原子相互作用，利用透射光信號來檢測原子對雷射頻率和微 波頻率的響應，就是光檢測原理。通過檢測透射光的光強，可以得到原子對雷射頻率的響 應。在溫度不變的條件下，一定範圍內，VCSEL輸出的光頻率隨輸入的電流線性變化，電流 越大，雷射波長越長。在微波調製時進行電流掃描，可得到原子對雷射的吸收譜線。將激 光頻率停留在最大吸收峰的峰值處，對應於士 1級邊帶同時作用在所選定的原子能級上。 調整微波的頻率，使得士 1邊帶光子的能量差與兩下能級的能量差精確相等，這時原子體 系中的部分原子就會被製備成CPT態而不再吸收光子，因而光電探測器將探測到較強的透 射光信號，這就是由CPT態所造成的電磁感應透明(EIT，Electromagnetically Induced Transparency) flfl。雷射頻率鎖定選用原子對雷射的都卜勒吸收譜線作為鑑頻譜線，微波頻率鎖定選 用EIT譜線作為鑑頻譜線。在供給VCSEL的直流和微波上加上調製，並配合相敏檢測方法 提高信噪比。這種帶有調製的雙色光與原子相互作用後，原子則對這些偵測激勵信號有鑑 頻作用，光檢信號攜帶了調製信號各次諧波的鑑頻信息。將鑑頻信號同步解調就得到鎖定 雷射頻率的糾偏電流和鎖定微波頻率的糾偏電壓。針對直流調製進行解調，得到直流環路的糾偏電壓，其極性和幅度反映了雷射頻 率與所選鎖定頻率的偏差方向和偏差程度，將該糾偏電壓作為負反饋量疊加到VCSEL的輸 入電流就可實現雷射頻率穩頻。同理，針對微波調製進行解調，得到微波環路的糾偏電壓， 其極性和幅度反映了微波頻率與標準頻率的偏差方向和偏差程度，將該糾偏電壓作為負反 饋量加到頻率綜合電路中晶體振蕩器的壓控端就可實現微波頻率穩頻。與現有技術相比，本發明具有以下優點
將相敏檢測技術用於對光檢信號的檢測和處理顯示出優秀的性能，可獲得用於反饋的 糾偏信號。相敏檢測對白噪聲具有有效的抑制作用，能在較強的噪聲中提取信號，使得測量 精度大大提高。同時，由於採用高精度模擬器件實現相干解調電路，避免了直接對鑑頻信號 進行數字採樣過程弓I起的量化誤差，進一步提高了信噪比。在模擬電路的基礎上加入了數字電路+軟體的設計思路。通過微控制器提供調製 和相干解調的參考信號，並控制掃描反饋的流程，充分利用了軟體的靈活性，且調試更加方 便。通過微控制器可改變調製信號與相干解調信號的之間的相位差並實現自動修正，可提 高相敏檢測的精度。本發明實現方法簡單，微控制器提供用於調製與相干解調的方波信號只需要佔用 很少的資源，可用低功耗低成本的微控制器實現。參考信號的頻率遠低於數字方法所需的 採樣頻率，同時由於微控制器通過模數轉換器採集的信號為解調得到的結果，而不是原始 的光檢信號，因此對微控制器及模數轉換器時鐘和處理速度的要求大大降低，在體積、功 耗、成本上具有優勢。將本發明實現的相干解調裝置用於CPT頻標，滿足了小信號檢測的及高精度的需求，提高了原子頻標穩定度。


圖1為一種用於CPT原子鐘的相干解調裝置結構示意圖。其中，1-光檢放大電路(採用運算放大器MAX414實現)，2_直流解調單元(採用平 衡數據機AD630實現)，3_微波解調單元(採用平衡數據機AD630實現)，4-第一模 數轉換器(ADS1211)，5-第二模數轉換器(ADS1211)，6-微控制器(MSC1220)，7-第一數模 轉換器(ADS1200)，8-第二數模轉換器(ADS1200)，9-頻率綜合電路(LMX2487)，10-電壓/ 電流轉換電路(採用運算放大器MAX414實現)，11-直流偏置電路(在微波信號上加上直流 偏置，本領域普通技術人員均可實現)，12-物理系統。圖2為CPT原子頻標中雷射與原子相互作用原理示意圖。其中，圖a為Rb原子三能級結構，EU E2為基態能級，E3為激發態能級，fVCSEL為 經過微波調製後的VCSEL輸出的雷射頻譜，其中f+1和L1分別對應原子能級E1、E2與E3 之間的能級躍遷頻率V1* v2;圖b為掃描雷射器輸入電流得到的原子對不同雷射頻率的 都卜勒吸收譜線；圖c為掃描調製微波頻率得到的CPT信號。圖3為一種相干解調原理示意圖。其中，橫坐標表示輸入微波頻率f，縱坐標表示輸出的光電流大小I。f\、f2、f3分 別表示三種不同微波頻率下正弦波調製得到的輸入信號，I1^ 12、I3、分別表示對應的三種不 同微波頻率下光電流輸出信號。圖4為一種單路相干解調單元結構示意圖。其中，21-帶通濾波器(採用運算放大器MAX414實現)，22_微控制器(MSC1220)， 23-解調器(AD630)，24-低通濾波器(採用運算放大器實現)。25-信號通道，26-參考通道， 27-相位檢測器(AD630)。圖5為一種微控制器程序運行框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描述
根據圖1可知，一種用於CPT原子鐘的相干解調裝置，它由光檢放大電路1、直流解調 單元2、微波解調單元3、第一模數轉換器(直流環路)4、第二模數轉換器(微波環路)5、微控 制器6、第一數模轉換器(直流環路)7、第二數模轉換器(微波環路)8、電壓/電流轉換電路 9、頻率綜合電路10、直流偏置器件11、物理系統12組成。CPT原子頻標伺服電路主要完成 兩個環路的控制和鎖定，一個是雷射穩頻環路，另一個是微波穩頻環路，相應地，每個環路 均包含獨立的調製和解調裝置。其連接關係是物理系統12中的光電探測器輸出端與光檢 放大電路1相連，物理系統12中的VCSEL輸入端與直流偏置器件11相連。光檢放大電路 1的輸出分別與直流解調單元2和微波解調單元3相連，光檢放大電路1與直流解調單元2 和微波解調單元3相連，光檢放大電路將物理系統12光電探測器輸出的電流信號轉換為電 壓信號，並進行放大和濾波，得到含有直流調製和微波調製頻率的信號，分別送入直流解調 單元2和微波解調單元3解調。直流解調單元2與微波解調單元3是本發明的重要部分， 其作用為對濾波得到的直流和微波兩路信號進行解調，利用相敏檢測的原理得到直流和微波糾偏信號，得到噪聲低，靈敏度高的糾偏信號。直流解調單元2與微波解調單元3的輸出 分別通過第一模數轉換器(直流環路)4和第二模數轉換器(微波環路)5相連，將糾偏信號 由模擬量轉換為數字量。第一模數轉換器(直流環路)4、第二模數轉換器(微波環路)5輸出 與微控制器6相連，微控制器6通過串行接口總線讀取模數轉換得到的結果。微控制器6 是伺服裝置的主要控制器件，其作用為讀取第一模數轉換器(直流環路)4、第二模數轉換器 (微波環路)5輸出的糾偏信號，根據一定的算法計算得到直流和微波反饋量，然後根據此反 饋量輸出電壓信號，改變直流輸出的大小和微波輸出信號的頻率。同時，微控制器6輸出用 於調製和相干解調的參考方波信號，調製和解調方波之間的相位精確可調，調製與相干解 調的過程由外部模擬電路完成，無需微控制器的幹預。微控制器通過調節調製和解調方波 之間的相位差獲得最好的解調結果。此外，微控制器還用於整機工作過程控制，包括初始化 配置，直流掃描與反饋，微波掃描與反饋等過程。微控制器6通過串行接口總線與第一數模 轉換器(直流環路)7、第二數模轉換器(微波環路)8相連，第一數模轉換器(直流環路)7與 綜頻電路9相連，第二數模轉換器(微波環路)8與電壓/電流轉換電路10相連。微控制器 6控制第一數模轉換器(直流環路)8輸出電壓信號經過電壓/電流轉換電路9得到電流信 號，驅動雷射管發光，並通過改變電流大小改變輸出雷射的頻率。頻率綜合電路9由IOMHz 壓控晶振、微波頻率壓控振蕩器和鎖相環組成，將壓控晶振產生的標準頻率信號通過頻率 綜合電路得到原子基態超精細能級頻率差的一半(約3. 417GHz)的微波頻率信號。微控制 器6控制第二數模轉換器(微波環路)8輸出電壓信號，控制壓控晶振輸出頻率，進而改變頻 率綜合電路10輸出的微波頻率。電壓/電流轉換電路9輸出端輸出直流，頻率綜合電壓/ 電流轉換電路10的微波輸出端輸出微波，分別與直流偏置器件11的兩個輸入端相連。直 流偏置器件11在輸入的直流上疊加微波調製，得到幅度調製的直流，調製頻率為輸入微波 頻率。直流偏置器件11輸出與物理系統12的VCSEL輸入端相連，驅動雷射管發光，由於直 流上的疊加的微波調製，VCSEL輸出雷射在基頻之外會出現多級邊帶，相鄰邊帶之間頻率差 為微波頻率，各邊帶的幅度大小服從調頻譜分布，可由調製指數根據貝塞爾函數計算得出。 物理系統12是CPT原子頻標的核心部分。VCSEL輸出雷射與原子相互作用，不同頻率的激 光與原子作用時具有不同的吸收特性。其中光檢放大電路1、直流解調單元2、第一模數轉換器(直流環路)4、微控制器6、 第一數模轉換器(直流環路)7、電壓/電流轉換電路9，直流偏置器件11、物理系統12構成 雷射頻率鎖定環路。光檢放大電路1，微波解調單元3，第二模數轉換器(微波環路)5、微控 制器6，第二數模轉換器(直流環路)8、頻率綜合電路10，直流偏置器件11，物理系統12構 成微波頻率鎖定環路。所述的物理系統12包括VCSEL雷射器(ULM795)、原子氣室(圓柱形銣原子玻璃氣 室，本領域的普通技術人員均能設計實現)和光電探測器(S1223 Series) ；VCSEL雷射器輸 入與直流偏置器件11的輸出相連，VCSEL雷射器發出的雷射經過原子氣室與原子相互作 用，透射的雷射進入光電探測器，光電探測器的輸出與光檢放大電路1相連。圖2是CPT原子頻標中雷射與原子相互作用時輸入與輸出的關係，其中，圖2a為 Rb原子三能級結構，E1、E2為基態能級，E3為激發態能級，fVCSEL為經過微波調製後的VCSEL 輸出的雷射頻譜，其中f+1和L1分別對應原子能級El、E2與E3之間的能級躍遷頻率V1 和V2 ；圖2b為掃描雷射器輸入電流得到的原子對不同雷射頻率的都卜勒吸收譜線；圖2c為掃描調製微波頻率得到的CPT信號。微波調製VCSEL的輸入電流，得到多色光，選取合適 的調製深度使正負一級邊帶(f+1與L1 )最大。雷射頻率改變時，該多色光與原子相互作 用會有不同的吸收，通過探測透射光的光強，便可得到如圖2b所示的吸收譜線。用其中幅 度最大的吸收譜線，即正負一級邊帶的吸收譜線作為雷射頻率的鑑頻譜線，在雷射穩頻環 路中產生負反饋電流疊加的VCSEL的輸入電流中，便可穩定VCSEL輸出雷射的頻率。改變 調製VCSEL的輸入電流的微波頻率，當微波頻率嚴格等於原子三能級結構(2a)中原子兩下 個能級的頻率差時，會產生EIT現象(2c)。用EIT譜線作為微波頻率的鑑頻譜線，在微波穩 頻環路中產生負反饋電壓信號輸入到晶體振蕩器的壓控端，便可實現微波頻率穩頻，得到 原子鐘穩定的IOMHz頻率輸出。所述的物理系統12輸出的光檢信號如果直接放大用作鑑頻信號會出現兩個問 題，一是信號信噪比低，二是光檢信號的強弱只能給出探詢信號偏離設定頻率的大小而不 能直接反映偏離的方向。因此，為了從吸收譜線和EIT譜線中檢測出信號的偏離，在CPT原 子頻標工作環路中需要對供給VCSEL的直流和微波進行調製，並配合相敏檢測方法提高信 噪比。圖3為相干解調的原理，受到調製的雙色光與原子作用後，光檢信號攜帶了調製 信號各諧波的鑑頻信息。將鑑頻信息進行同步解調就得到鎖定雷射頻率的糾偏電流和鎖定 微波頻率的糾偏電壓，這就是伺服的相干同步解調理論。以微波鎖定環路為例分析，圖中所 示光電流-微波頻率曲線為EIT譜線。對微波進行固定頻率的調製，可在光檢信號中得到 包含該調製頻率的信息。根據EIT譜線，對於不同的微波頻率，光檢信號中包含不同的調製 頻率信息。如圖3所示，光檢信號的相位與微波頻率和EIT譜線中心頻率的關係分為三種 情況
第一當微波頻率低於EIT譜線中心頻率時，光檢信號與參考信號反相，圖中f< fKb所
7J\ ο第二 當微波頻率高於EIT譜線中心頻率時，光檢信號與參考信號同相，圖中f>fKb 所示。第三當微波頻率等於EIT譜線中心頻率時，光檢信號表現為基波的二倍頻信號， 基波分量最小，如圖中f=fKb所示。從以上分析可知，光檢信號的相位極性反映微波頻率相對於EIT譜線中心頻率是 高還是低，光檢信號的幅度則反映該微波頻率處EIT譜線的斜率。通過對光檢信號進行解調，得到EIT譜線的微分曲線，解調結果的符號和大小反 映了微波頻率出現偏離的大小和方向。根據該微分曲線對頻率綜合電路9的輸入電壓進行 反饋，達到穩定微波頻率的目的。直流和微波環路調製所需的參考方波由微控制器6給出，兩路調製信號保持一定 的頻率間隔以減小兩個環路之間的串擾。直流調製參考方波信號通過分壓之後得到調製信 號，疊加在電壓/電流轉換的輸出上。微波的調製通過周期性改變鎖相環綜頻的倍數實現， 壓控晶振輸入電壓恆定時，壓控晶振有固定的頻率輸出。微制器6以一定的頻率交替發送 高低兩種控制字，使得頻率綜合電路產生的微波輸出包含頻率調製。所述的物理系統12中光電探測器輸出的電流信號經過光檢放大電路1得到放大 後的電壓信號輸出，該信號中直流分量由光檢放大電路1濾除，交流分量中包含了調製信號各諧波的鑑頻信息。直流環路和交流環路鑑頻信號的頻率由微控制器6給出的調製信號 控制，具有一定的頻率差，通過帶通濾波器分離直流環路和交流環路中不同頻率的鑑頻信 號。直流解調單元2和微波解調單元3分別對兩路信號進行解調，得到用於直流環路和微 波環路的反饋信號，得到的結果由模數轉換器轉換成數字量，發送給微控制器進行處理。圖4為直流解調單元2、微波解調單元3結構圖，所述的直流解調單元2、微波解調 單元3的結構完全相同，直流解調單元2、微波解調單元3的部件包括帶通濾波器21，微控 制器22，解調器23，低通濾波器24。解調器23包括信號通道25、參考通道26、相位檢測器 27。其連接關係為解調器23中的信號通道25與參考通道26兩個輸入通道與相位檢測器 27連接。帶通濾波器21的輸出的鑑頻信號接入解調器23中的信號通道25，微控制器6輸 出用於解調的參考方波輸入參考通道26，解調器23的輸出與低通濾波器24相連。解調器23是模擬解調電路的核心部件，既鑑相又鑑幅，其輸入取決於信號通道25 輸入信號的幅度以及輸入信號與參考通道26輸入參考信號的相位差。常用的解調器有模 擬乘法器式和電子開關式，實際上電子開關式相位檢測器相當於參考信號為方波情況下的 模擬乘法器。解調電路採用了 Analog Devices公司生產的AD630平衡調製解調晶片。該 晶片具有低功耗，高信噪比的特點。AD630有很多用途，根據外部配置電路的不同，該晶片可 以接成平衡調製/解調器、鎖相放大器、相位檢測器等功能電路形式。AMP A和AMP B分別配置為正向放大器和反向放大器。信號通道26對調製正弦信 號進行交流放大，將微弱信號放大到足以推動相位檢測器工作的電平，同時濾除部分幹擾 和噪聲。參考信號輸入到比較放大器，參考信號可以為方波、單頻正弦或餘弦等形式。待檢 測信號在器件內部根據載波信號的正負進行翻轉，實現了開關乘法功能。AD630的作用就是得到輸入信號和參考信號相乘後的結果，後續的低通濾波電路 的作用是累加求和，濾去交流信號，得到直流信號。因此，只要將光檢信號與輸入信號相連， 同步解調方波信號與參考信號相連，就可以得到環路鎖定所需的誤差信號。微控制器6是整個控制功能的核心。微控制器6輸出一路5kHz方波至電壓/電 流轉換電路10用於直流調製，輸出兩路位相相差180度的5kHz解調方波至直流解調單元2 用於AD630解調；通過控制綜頻電路9中的鎖相環的分頻因子，通過跳頻的方式(2FSK)給 微波加上160Hz的頻率調製，同時輸出兩路位相相差180度的160Hz方波至微波解調單元 3用於AD630解調；通過模數轉換器(直流環路)4、模數轉換器(微波環路)5採集解調後得 到的結果並根據此結果計算，控制數模轉換器(微波環路)7、數模轉換器(直流環路)8的輸 出，以鎖定雷射頻率和微波頻率；
圖5是微控制器程序運行框圖。系統開機時，微控制器執行初始化操作，輸出時鐘信 號和調製解調方波信號，復位並初始化第一模數轉換器4和第二模數轉換器5、第一數模轉 換器7和第二數模轉換器8 ；初始化完畢後，開始執行溫控程序，對物理系統12進行控溫， 保持物理系統12工作在恆定的溫度；通過讀取熱敏電阻的阻值判斷溫度是否穩定，當溫度 未達到穩定值時繼續等待，當溫度達到穩定值時，進入掃描程序，先後對直流和微波進行掃 描，找出鎖定點，掃描結束後，將直流和微波的輸出設為鎖定點的值，然後開始反饋。微控制 器工作過程中，溫度控制從一開機就始終保持工作；溫度穩定後，進行直流掃描，然後通過 直流反饋鎖定雷射頻率，此後直流反饋始終保持；雷射頻率鎖定後，進行微波掃描，微波頻率鎖定後，所有的反饋控制始終保持。
權利要求
一種用於CPT原子鐘的相干解調裝置，它由光檢放大電路(1)、直流解調單元(2)、微波解調單元(3)、第一模數轉換器(4)、微控制器(6)、第一數模轉換器(7)、電壓/電流轉換電路(9)、頻率綜合電路(10)、直流偏置器件(11)、物理系統(12)組成，其特徵在於物理系統(12)的輸入輸出分別與光檢放大電路(1)、直流偏置器件(11)相連，光檢放大電路(1)的輸出分別與直流解調單元(2)和微波解調單元(3)相連，直流解調單元(2)與微波解調單元(3)的輸出分別與第一模數轉換器(4)和第二模數轉換器(5)相連，第一模數轉換器(4)、第二模數轉換器(5)輸出與微控制器(6)相連，微控制器(6)與第一數模轉換器(7)、第二數模轉換器(8)相連，第一數模轉換器(7)、第二數模轉換器(8)分別與頻率綜合電路(10)、電壓/電流轉換電路(9)相接，電壓/電流轉換電路(9)輸出端、頻率綜合電路(10)的微波輸出端分別與直流偏置器件(11)的直流和微波輸入端相連，直流偏置器件(11)輸出與物理系統(12)的VCSEL輸入端相連。
2.根據權利要求1所述的一種用於CPT原子鐘的相干解調裝置，其特徵在於所述的 直流解調單元(2)包括帶通濾波器(21)、微控制器(22)、解調器(23)、低通濾波器(24)， 解調器(23)包括信號通道(25)、參考通道(26)、相位檢測器(27)，帶通濾波器(21)的輸出 與解調器(23 )的信號通道(25 )輸入相連，微控制器(6 )的輸出與解調器(23 )參考通道(26 ) 相連，解調器(23 )的輸出與低通濾波器(24 )相連。
全文摘要
本發明公開了一種用於CPT原子鐘的相干解調裝置。它包含兩路調製和解調單元，採用數字控制電路與模擬解調電路實現高精度的相干解調。微控制器經過兩路數模轉換器分別與電壓/電流轉換電路和頻率綜合電路相連，微控制器輸出的調製參考方波至電壓/電流轉換電路實現直流環路調製，微控制器控制頻率綜合電路相連實現微波環路調製。電壓/電流轉換電路的輸出與頻率綜合電路的輸出通過直流偏置器件與物理系統的VCSEL輸入端相連。物理系統輸出的光電流信號經過光檢放大電路後連接到直流解調電路和微波解調電路，解調結果分別通過模數轉換器輸入微控制器。該裝置體積小，功耗低，信噪比高。基於該裝置的CPT原子鐘指標已達到國際上最好的商用小型CPT原子鐘水平。
文檔編號H03L7/26GK101931405SQ20101027716
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月9日 優先權日2010年9月9日
發明者雲恩學, 張奕, 鄧威, 顧思洪 申請人:中國科學院武漢物理與數學研究所