一種被動型相干布居數囚禁原子頻標的全數字伺服裝置的製作方法

2023-05-06 09:53:36 1

專利名稱：一種被動型相干布居數囚禁原子頻標的全數字伺服裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及原子頻標技術領域，具體涉及一種被動型相干布居數囚禁(CPT， Coherent Population Trapping)原子頻標的伺服裝置，尤其適用於製造被動型CPT原子頻 標。
背景技術：
被動型CPT原子頻標是一種提供高穩定度、高準確度的頻率信號的設備，可滿足 導航、精確定位、精密計時和精密測量等眾多應用要求。被動型CPT原子頻標具有體積小、 功耗低、重量輕、啟動快和可微型化等特點，因而擴展了原子頻標的應用領域，可應用於導 航、通信、飛彈制導、衛星控制、電網調節和電子學儀器設備等技術領域。雙色相干光與基態兩個超精細能級和一個激發態能組成的三能級原子體系相互 作用，當雙色光的兩頻率之差等於基態兩個超精細能級頻率差時，原子的兩個超精細能 級被相干耦合起來，不再吸收光子向激發態躍遷，而被囚禁在基態的兩個子能級上，稱為 CPT態原子。利用微波對雷射調製獲得雙色相干雷射與原子作用，改變微波頻率，當雙色 光頻率之差等於基態兩個超精細能級頻率差時，原子被製備成CPT態而對光的吸收減弱， 探測雷射強度將從原子對雷射的吸收譜中獲得光強極大值，這就是電磁感應透明(EIT， Electromagnetically Induced Transparency)譜線。被動型CPT原子頻標利用晶振的輸 出頻率通過微波鏈產生調製雷射的微波，探測微波調製的雷射與原子作用後的雷射光強獲 得的EIT譜線作為鑑頻信號，將此鑑頻信號通過同步鑑相後得到負反饋糾偏信號去穩定晶 振的輸出頻率，獲得高穩定的標準頻率信號。這就是被動型CPT原子頻標的基本工作原理。根據功能不同，被動型CPT原子頻標可分為物理系統和伺服裝置兩部分。物理系 統的作用是產生光一原子相互作用後的光檢信號，光檢信號中的原子對光的都卜勒吸收譜 線能反映出雷射頻率的偏差程度，而EIT譜線可反映出晶振輸出頻率的偏差程度。伺服裝置主要包括直流環路和微波環路。直流環路的基本功能是為縱腔面半導體 雷射器(VCSEL，Vertical-Cavity Surface Emitting Laser)提供穩定的直流偏置，並且 產生負反饋量實現雷射頻率穩頻。在被動型CPT原子頻標的工作範圍中，VCSEL的直流偏 置與輸出雷射頻率具有近似線性的對應關係，通過連續改變直流偏置而改變雷射的輸出頻 率，能從光檢信號中獲得原子對光的都卜勒吸收譜線。用都卜勒吸收譜線作為雷射頻率的 鑑頻信號，在直流環路中通過同步鑑相產生負反饋糾偏信號，糾偏信號疊加到直流偏置輸 入VCSEL，實現雷射頻率穩頻。微波環路的基本功能是為實現所需要的雙色光提供合適的 微波，並且產生負反饋量實現微波頻率穩頻。微波環路將壓控晶振輸出的頻率倍頻綜合後 產生所需頻率的微波輸入VCSEL，從而使VCSEL輸出調頻多色光，其中兩頻率之差等於原子 基態兩個超精細能極的頻率差。該光與原子作用後從光檢信號中獲得作為微波鑑頻信號的 EIT信號，在微波環路中通過同步鑑相產生負反饋糾偏信號，糾偏信號輸入壓控晶振的壓控 端，這樣就通過原子一光相互作用的CPT物理現象實現晶振輸出頻率的穩頻。為了從光檢信號中分別提取出對雷射頻率和微波頻率的糾偏信號，被動型CPT原子頻標通常使用相關檢測原理。首先對光檢信號進行兩路帶通濾波，分別得到雷射頻率和 微波頻率的鑑頻信號，然後分別進行同步鑑相，得到雷射頻率和微波頻率環路的糾偏信號。 對於被動型CPT原子頻標來說，濾波部分和鑑相部分通常採用的是模擬方式或模數混合方 式，這樣就使被動型CPT原子頻標的體積和功耗都比較大，且結構複雜，不易專用集成電路 (ASIC, Application Specific Integrated Circuits)集成。模擬伺服雖然可以實現被動型CPT原子頻標的伺服功能，但是其存在體積大、功 耗大和結構複雜等缺點，限制了被動型CPT原子頻標的發展與應用。

發明內容
本發明的目的是在於提供了一種被動型相干布居數囚禁原子頻標的全數字伺服 裝置，其具有體積小、功耗低、結構簡單、穩定度高和可微型化的特點，滿足小型化和微型化 的被動型CPT原子頻標的需求。為了實現上述的目的，本發明採用以下技術措施
一種被動型相干布居數囚禁原子頻標的全數字伺服裝置，該裝置包括電流/電壓 轉換電路、模數轉換器、現場可編程門陣列(FPGA，Field - Programmable Gate Array)、 數模轉換器、壓控晶振、電壓/電流轉換電路、鎖相環、環路濾波器、壓控振蕩器、偏置器 (Bias-Tee)，其中現場可編程門陣列中用硬體描述語言(HDL, Hardware Description Language)編程實現功能模塊模數轉換器接口、數字濾波器、同步鑑相、掃描VCSEL電流、 鎖定VCSEL電流、掃描壓控晶振電壓、鎖定壓控晶振電壓、控制邏輯、幅度調製、數模轉換器 接口、頻移鍵控調製、鎖相環接口。其特徵在於電流/電壓轉換電路的輸入端連接物理系 統中光電探測器輸出端，電流/電壓轉換電路的輸出端連接模數轉換器的輸入端，模數轉 換器的輸出端連接現場可編程門陣列中的模數轉換器接口的輸入端，第二數模轉換器的輸 出端連接到電壓/電流轉換電路的輸入端，電壓/電流轉換電路的輸出端連接到偏置器的 直流輸入端，第一數模轉換器的輸出端連接到壓控晶振的壓控端，壓控晶振的輸出端連接 到鎖相環的參考信號輸入端，鎖相環的輸出端連接到環路濾波器的輸入端，環路濾波器的 輸出端連接到壓控振蕩器的壓控端，壓控振蕩器的輸出分別連接到鎖相環的射頻輸入端和 偏置器的射頻輸入端。模數轉換器接口的輸出分出兩路，分別連接第一數字濾波器和第二 數字濾波器的輸入端，第二數字濾波器的輸出端連接第二同步鑑相的輸入端，第二同步鑑 相的輸出端連接鎖定VCSEL電流的輸入端，鎖定VCSEL電流的輸出端連接控制邏輯，掃描 VCSEL電流的輸出端分別連接鎖定VCSEL電流的輸入端和控制邏輯的輸入端，第一數字濾 波器的輸出端連接第一同步鑑相，第一同步鑑相的輸出端連接鎖定晶振電壓的輸入端，鎖 定晶振電壓的輸出端連接控制邏輯，掃描壓控晶振電壓的輸出端分別連接鎖定壓控晶振的 輸入端和控制邏輯的輸入端，控制邏輯的輸出端分別連接幅度調製、第一數模轉換器接口 和頻移鍵控調製的輸入端，幅度調製的輸出端連接第二數模轉換器接口的輸入端，頻移鍵 控調製的輸出端連接鎖相環接口的輸入端。所述的第二數模轉換器接口的輸出端連接現場 可編程門陣列外的第二數模轉換器的輸入端和配置端，第一數模轉換器接口的輸出端連接 現場可編程門陣列外的第一數模轉換器的輸入端和配置端，鎖相環接口的輸出端連接現場 可編程門陣列外的鎖相環的配置端。所述的模數轉換器與模數轉換器接口相連。頻移鍵控 調製模塊的輸出端與鎖相環接口的輸入端相連，現場可編程門陣列輸出三路信號，其中第
4一路為第一數模轉換器接口的輸出端連接到第一數模轉換器的輸入端，第二路為第二數模 轉換器接口的輸出端連接到第二數模轉換器的輸入端，第三路為鎖相環接口的輸出端連接 到鎖相環的配置端。伺服裝置啟動後，通過現場可編程門陣列改變VCSEL的偏置電流，掃描出都卜勒 吸收峰，同時光檢信號通過模數轉換器轉換成數位訊號後輸入到現場可編程門陣列中，經 過數字濾波和軟體同步鑑相後得到糾偏信號，此糾偏信號對VCSEL的輸入偏置電流進行反 饋，從而將VCSEL的輸入偏置電流鎖定，使得VCSEL輸出所需要的雷射頻率。然後小步進 掃描壓控晶振的控制電壓，從而相應改變壓控振蕩器的輸出頻率(微波頻率改變步進小於 50Hz)，當微波頻率剛好等於銣87兩個基態子能級所對應的頻率差的一半時，在光檢信號 中可以得到最大的EIT信號，而當微波頻率稍微偏離銣87兩個基態子能級所對應的頻率差 的一半時，在光檢信號中的EIT信號迅速減弱，所以掃描微波的過程中，在光檢信號中可以 得到線寬很窄(幾百Hz)的EIT信號。通過電流/電壓轉換電路和模數轉換器把該EIT信號 轉換成數位訊號後輸入到現場可編程門陣列中，經過數字濾波、軟體同步鑑相後得到糾偏 信號，利用此糾偏信號對壓控晶振的控制電壓進行負反饋，從而穩定微波電路的輸出頻率， 也就是穩定壓控晶振的輸出頻率，從而得到一個高穩定度的標準頻率信號。與現有技術相比，本發明具有以下優點
1、本發明通過使用基於現場可編程門陣列的數字濾波器取代模擬濾波器，減小了體 積，降低了功耗，提高了信噪比，把雙電源供電轉換成單電源供電，擴大了使用範圍，同時也 為被動型CPT原子頻標的微型化做出了準備。2、本發明通過使用基於現場可編程門陣列的軟體同步鑑相代替模擬鑑相和混合 鑑相，減小體積，降低功耗，同時基於現場可編程門陣列的軟體同步鑑相不受環境溫度影 響，提高了可靠性。3、由於現場可編程門陣列是用基於軟體編程形式的硬體描述語言來開發的，因而 通過上位機軟體即可修改硬體結構、邏輯關係、時序關係、相關參數，因此調試非常方便。4、本發明使用的全數字伺服方案具有體積小、功耗低、可靠性高、易微型化和易調 試等多方面的優點。體積可小到114cm3，功耗可低至3w。


圖1為一種被動型相干布居數囚禁原子頻標的全數字伺服裝置示意圖。圖2為圖1中現場可編程門陣列5的程序結構示意圖。圖3A-圖3C為軟體同步鑑相時，參考信號與鑑頻信號相位對齊的原理圖。其中圖3A為鑑頻信號，其中正弦線是豎線的包絡線，表示鑑頻信號的模擬形式， 豎線為模擬信號經過模數轉換器後得到的數位訊號。圖3B為參考信號，其中豎線為參考信 號，是一個數位訊號，虛線為參考信號的包絡線，為一個佔空比50%的方波。圖3C為鑑頻信 號與參考信號進行相乘和積分，其中豎線為相乘結果，虛線為相乘結果的包絡線，橫線Utl為 相乘後在每個周期上積分的結果。圖4A-圖4C為軟體同步鑑相時，參考信號與鑑頻信號相位相反的原理圖。其中圖4A為鑑頻信號，其中正弦線是豎線的包絡線，表示鑑頻信號的模擬形式， 豎線為模擬信號經過模數轉換器後得到的數位訊號。圖4B為參考信號，其中豎線為參考信號，是一個數位訊號，虛線為參考信號的包絡線，為一個佔空比50%的方波。圖4C為鑑頻信 號與參考信號進行相乘和積分，其中豎線為相乘結果，虛線為相乘結果的包絡線，橫線Utl為 相乘後在每個周期上積分的結果。圖5A-圖5C為軟體同步鑑相時，鑑頻信號只有調製信號的二次諧波信號的原理 圖。其中圖5A為鑑頻信號，其中正弦線是豎線的包絡線，表示鑑頻信號的模擬形式， 豎線為模擬信號經過模數轉換器後得到的數位訊號。圖5B為參考信號，其中豎線為參考信 號，是一個數位訊號，虛線為參考信號的包絡線，為一個佔空比50%的方波。圖5C為鑑頻信 號與參考信號進行相乘和積分，其中豎線為相乘結果，虛線為相乘結果的包絡線，橫線Utl為 相乘後在每個周期上積分的結果，在該圖中為0，因而與橫軸重合。其中1.電流/電壓轉換電路(使用運算放大器AD8039搭建，如圖6所示，現有技 術構建)，2.模數轉換器(PCM4201)，3.現場可編程門陣列(Cyclone III EP3C25E144C8N)， 4.第一數模轉換器(DAC1220)，5.第二數模轉換器(DAC1220)，6.標準頻率輸出，7.壓控晶 振(VFT14A-B17S5S-10. 000MHz)，8.電壓/電流轉換電路(使用運算放大器AD8039搭建，如 圖7所示，現有技術構建)，9.鎖相環(LMX2487)，10.壓控振蕩器(V844ME07-LF)，11.環路 濾波器(使用電阻、電容搭建，如圖8所示，現有技術構建)，12.偏置器(使用電阻、電容和電 感搭建，如圖9所示，現有技術構建)。13.模數轉換器接口，14.第一數字濾波器，15.第一同 步鑑相，16.鎖定壓控晶振電壓，17.掃描壓控晶振電壓，18.控制邏輯，19.頻移鍵控調製， 20.鎖相環接口，21.第一數模轉換器接口，22.第二數模轉換器接口，23.幅度調製，24.掃 描VCSEL電流，25.鎖定VCSEL電流，26.第二同步鑑相，27.第二數字濾波器。圖6為電流/電壓轉換電路1的結構示意圖。圖7為電壓/電流轉換電路8的結構示意圖。圖8為環路濾波器11的結構示意圖。圖9為偏置器12的結構示意圖。
具體實施例方式實施例1
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明
本發明實施例的核心構思在於1)通過使用基於現場可編程門陣列的數字濾波器代替 模擬濾波器，獲得更好的濾波效果，同時減小體積、降低功耗、降低噪聲、簡化設計和調試過 程；2)通過使用基於現場可編程門陣列的數字同步鑑相代替開關鑑相，進一步減小體積、降 低功耗，消除溫度和噪聲等外界影響。根據圖1、圖2可知，一種被動型CPT原子頻標的全數字伺服裝置，包括電流/電 壓轉換電路1、模數轉換器2、現場可編程門陣列3、第一數模轉換器4、第二數模轉換器5、壓 控晶振7、電壓/電流轉換電路8、鎖相環9、環路濾波器10、壓控振蕩器11、偏置器12，其中 現場可編程門陣列3中用硬體描述語言實現的功能模塊包括模數轉換器接口 13、第一數 字濾波器14、第一同步鑑相15、鎖定壓控晶振電壓16、掃描壓控晶振電壓17、控制邏輯18、 頻移鍵控調製19、鎖相環接口 20、第一數模轉換器接口 21、第二數模轉換器接口 22、幅度調 制23、掃描VCSEL電流24 J^SVCSEL電流25、第二同步鑑相26、第二數字濾波器27。連接關係是電流/電壓轉換電路1的輸入端與物理系統中光電探測器輸出端連接，電流/電壓 轉換電路1的輸出端與模數轉換器2的輸入端連接，模數轉換器2的輸出端與現場可編程 門陣列3中的模數轉換器接口 13的輸入端連接，模數轉換器接口 13的輸出分出兩路，分別 與第一數字濾波器14和第二數字濾波器27的輸入端連接，第二數字濾波器27的輸出端與 第二同步鑑相26的輸入端連接，第二同步鑑相26的輸出端與鎖定VCSEL電流25的輸入端 連接，鎖定VCSEL電流25的輸出端與控制邏輯18的輸入端連接，掃描VCSEL電流24的輸 出端分別與鎖定VCSEL電流25的輸入端和控制邏輯18的輸入端連接，第一數字濾波器14 的輸出端與第一同步鑑相15的輸入端連接，第一同步鑑相15的輸出端與鎖定晶振電壓16 的輸入端連接，鎖定晶振電壓16的輸出端與控制邏輯18連接，掃描壓控晶振電壓17的輸 出端分別與鎖定壓控晶振16的輸入端和控制邏輯18的輸入端連接，控制邏輯18的輸出端 分別與幅度調製23、第一數模轉換器接口 21和頻移鍵控調製19的輸入端連接，幅度調製 23的輸出端與第二數模轉換器接口 22的輸入端連接，現場可編程門陣列3外的第二數模 轉換器5的輸入端和配置端與第二數模轉換器接口 22的輸出端連接，第一數模轉換器接口 21的輸出端與現場可編程門陣列3外的第一數模轉換器4的輸入端和配置端連接，頻移鍵 控調製19的輸出端與鎖相環接口 20的輸入端連接，鎖相環接口 20的輸出端與現場可編程 門陣列3外的鎖相環9的配置端連接，第二數模轉換器5的輸出端與電壓/電流轉換電路8 的輸入端連接，電壓/電流轉換電路8的輸出端與偏置器12的直流偏置輸入端連接，第一 數模轉換器4的輸出端與壓控晶振7的壓控端連接，壓控晶振7的輸出端與鎖相環9的參 考信號輸入端連接，鎖相環9的輸出端與環路濾波器11的輸入端連接，環路濾波器11的輸 出端與壓控振蕩器10的輸入端連接，壓控振蕩器10的輸出端分兩路，分別與鎖相環9的射 頻輸入端和偏置器12的射頻輸入端連接，偏置器12的輸入端與到物理系統中的VCSEL連 接。 通過上述連接，裝置各部分的作用是電流/電壓轉換電路1，用於將物理系統輸 出的光檢信號從電流信號轉換成電壓信號，並進行隔直放大，使用低噪聲低漂移的運算放 大器AD8039實現；模數轉換器2，用於將電壓信號從模擬信號轉換成數位訊號，便於現場可 編程門陣列3處理，使用高精度、低功耗、差分輸入的模數轉換器PCM4201，有利於提高信號 的準確度，抑制噪聲，降低功耗；現場可編程門陣列3 (Cyclone III EP3C25E144C8N)，是本 發明的全數字伺服方案的核心器件，執行包括晶片配置、數字濾波、數字同步鑑相、VCSEL偏 置電流的掃描和鎖定、壓控晶振電壓的掃描和鎖定、對偏置電流的調幅調製、對微波信號的 頻移鍵控調製等功能；第一數模轉換器4 (DAC1220)，用於將壓控晶振的控制電壓信號由 數位訊號轉換為模擬信號；第二數模轉換器5 (DAC1220)，用於將VCSEL的直流偏置信號 由數位訊號轉換為模擬信號；壓控晶振7，用於接受電壓改變頻率，從而輸出高穩定度和準 確度的標準頻率信號，使用的是VFT14A-B17S5S-10. OOOMHz ；電壓/電流轉換電路8，用於 將控制VCSEL偏置的電壓信號轉換為電流信號，主要使用低噪聲低漂移的運算放大器實現 (AD8039)；鎖相環9為小數分頻鎖相環，使用的是LMX2487E ；環路濾波器11，用於濾除環路 帶寬外的環路噪聲；壓控振蕩器10 (V844ME07-LF)，用於輸出頻率等於銣87原子兩個基態 能級所對應的頻率差的一半的微波信號；偏置器12，用於把壓控振蕩器10輸出的微波信號 對電壓/電流轉換電路8輸出的直流信號進行幅度調製，得到VCSEL控制信號，並輸入到物 理系統。
在現場可編程門陣列3中，各模塊用硬體描述語言編程實現，其作用是模數轉換 器接口 13，用於配置模數轉換器2，並將模數轉換器2輸出的串行數據轉換為並行數據；第 二數字濾波器27，用於濾出光檢信號中與幅度調製23的調製頻率相同的信號成分，為直流 環路鑑頻信號；第二同步鑑相26，對第二數字濾波器27濾出的信號進行同步鑑相，得到糾 偏信號，用於鎖定VCSEL的偏置電流；鎖定VCSEL電流25，根據第二同步鑑相26得到的糾 偏信號，改變VCSEL的偏置電流，從而鎖定VCSEL所輸出雷射的中心頻率；掃描VCSEL電流 24，用於連續地改變VSCEL的偏置電流；第一數字濾波器14，用於濾出光檢信號中與頻移鍵 控調製19的調製頻率相同的信號成分，為微波環路的鑑頻信號；第一同步鑑相15，對第一 數字濾波器14濾出的信號進行同步鑑相，得到糾偏信號，用於鎖定壓控晶振的頻率；鎖定 壓控晶振電壓16，根據第一同步鑑相15得到的糾偏信號，改變壓控晶振7的控制電壓，從 而鎖定壓控晶振7輸出的頻率6 ；掃描壓控晶振電壓17，用於連續改變壓控晶振7的控制 電壓，從而連續改變壓控晶振7輸出的頻率6 ；控制邏輯18，控制現場可編程門陣列依次執 行等待晶片初始化配置、掃描VCSEL電流24、鎖定VCSEL電流25、掃描壓控晶振電壓17、鎖 定壓控晶振電壓16 ；幅度調製23，對VCSEL的偏置電流加上幅度調製；第二數模轉換器接 口 22，用於配置第二數模轉換器5，並將VCSEL的偏置電流的數字量從並行數據轉為串行數 據，輸出給數模轉換器7 ；第一數模轉換器接口 21，用於配置第一數模轉換器4，並將壓控晶 振7的控制電壓的數字量從並行數據轉為串行數據，輸出給第一數模轉換器4 ；頻移鍵控調 制19，用於以一個固定頻率改變鎖相環9的一個分頻因子，使該分頻因子在兩個值之間按 改固定頻率變化，從而給壓控振蕩器10輸出的微波頻率加上一個頻移鍵控調製；鎖相環接 口 20，用於配置鎖相環9，將壓控晶振7輸出的頻率倍頻到原子基態兩個超精細能級頻率差 的一半。其中現場可編程門陣列3中硬體描述語言的程序模塊的結構是
1、模數轉換器接口 13:
(1)等待模數轉換器2初始化完成；
(2)從模數轉換器2接收串行數據並轉換為並行數據輸出；
2、第一數字濾波器14和第二數字濾波器27
(1)將濾波器係數輸入到寄存器中；
(2)讀取輸入的數據，並將寄存器中的數據進行移動；
(3)將濾波器係數和輸入數據按照有限衝擊響應(FIR，Finite Impulse Response)數字濾波器的規則進行相乘和相加，輸出結果；
3、第一同步鑑相15和第二同步鑑相26:
(1)根據鑑相點數設定計數器；
(2)對輸入數據進行鑑相，即根據計數器的值，輸入數據保持不變或者取反；
4、鎖定壓控晶振電壓16
(1)初始化寄存器；
(2)在壓控晶振電壓時，記錄鑑相輸出最大值和最小值時對應的壓控晶振電
壓；
(3)在壓控晶振電壓時，根據鑑相輸出值的正負改變壓控晶振電壓；
5、掃描壓控晶振電壓17
8(1)從壓控晶振初始的電壓開始連續增加電壓，直到掃描最大值；
(2)如果掃描次數小於設定值，則再次掃描，否則結束掃描；
6、控制邏輯18
(1)改變工作狀態為等待初始化完成；
(2)改變工作狀態為掃描VCSEL電流；
(3)改變工作狀態為鎖定VCSEL電流；
(4)改變工作狀態為掃描壓控晶振電壓；
(5)改變工作狀態為鎖定壓控晶振電壓；
7、頻移鍵控調製19
(1)寫入初始控制字；
(2)計數器計數；
(3)根據計數器的值循環改變鎖相環9的倍頻因子；
8、鎖相環接口 20:
(1)從頻移鍵控調製19中讀入鎖相環控制字；
(2)產生寫鎖相環控制字的信號；
9、第一數模轉換器接口 21和第二數模轉換器接口 22
(1)等待晶片啟動；
(2)輸出配置時鐘和配置字；
(3)等待初始化完成；
(4)輸出轉換時鐘和轉換數據；
10、幅度調製23
(1)根據調製頻率設定計數器；
(2)對VCSEL電流進行幅度調製；
11、掃描VCSEL電流24:
(1)從VCSEL初始的電流開始連續增加電流，直到掃描最大值；
(2)如果掃描次數小於設定值，則再次掃描，否則結束掃描；
12、鎖定VCSEL電流25:
(1)初始化寄存器
(2)在掃描VCSEL電流時，記錄鑑相輸出最大值和最小值時對應的VCSEL電流；
(3)在鎖定VCSEL電流時，根據鑑相輸出值的正負改變VCSEL電流。 被動型CPT原子頻標的具體工作過程為
(1).開機後，現場可編程門陣列3首先對模數轉換器2、第一數模轉換器4、第二數模 轉換器5和鎖相環9進行配置，使得模數轉換器2開始將模擬信號轉換為數位訊號，第一數 模轉換器4和第二數模轉換器5準備將數位訊號轉換成模擬信號，鎖相環9按照寫入的固 定倍頻因子和分頻因子對壓控振蕩器10進行控制，同時頻移鍵控調製19會持續地以頻率 fFSK改變鎖相環9的一個分頻因子，使得該分頻因子在兩個固定值之間以頻率fFSK交替變 換，從而使得鎖相環9輸出的頻率值也在兩個頻率值之間交替變換(此處由於壓控晶振7輸 出給鎖相環9的頻率變化量對鎖相環9輸出的頻率值影響非常小，在這裡的討論中可以忽 略)，即對壓控振蕩器10輸出的頻率加上了頻移鍵控調製，頻移鍵控調製19會一直重複執行；
(2).掃描VCSEL偏置電流24，即讓第二數模轉換器5的輸出電壓在一個範圍內連續變 化，則VCSEL輸出雷射的中心頻率V1也連續變化，調節掃描的範圍，使這個頻率範圍包含物 理系統中銣原子的5S1/2 — 5P1/2躍遷譜線的頻率Vtl，同時在這個掃描的偏置電流上加上幅 度調製23，頻率為f1;並通過物理系統獲得相應的都卜勒吸收峰曲線，由物理系統的光電探 測器接收到光信號，並轉換為電流信號，再通過電流/電壓轉換電路1轉換為電壓信號，由 模數轉換器2轉換為數位訊號後輸入到現場可編程門陣列3中，經過第二數字濾波器27濾 出頻率成分為f\的信號，通過第二同步鑑相26轉換為糾偏信號，取糾偏信號的正向最大值 所對應的輸出電壓U1和負向最大值所對應的輸出電壓U2的中間值u3，並加上幅度調製23 後輸出到第二數模轉換器5，產生VCSEL上的直流偏置，此時VCSEL所發出雷射的中心頻率 Vl ^ V0 ；
(3).鎖定VCSEL偏置電流25，即不斷調整VCSEL的偏置電流，使得VCSEL所發出雷射 的中心頻率V1始終保持在Vtl附近，仍然通過幅度調製23在VCSEL的偏置電流上加上頻率 為的幅度調製，光信號通過物理系統的光電探測器、電流/電壓轉換電路1、模數轉換器 2、第二數字濾波器27、第二同步鑑相26得到糾偏信號，過程與上述(2)中相同，根據糾偏信 號調整VSCEL的偏置電流，從而鎖定VCSEL電流25，本步驟開始運行後會一直重複執行；
(4).掃描壓控晶振控制電壓17，即讓第一數模轉換器4的輸出電壓在一個範圍內連續 變化，則壓控晶振輸出的標準頻率6也連續變化，在鎖相環9的作用下，壓控振蕩器10輸出 微波的中心頻率也在一個範圍內連續變化，通過調節掃描範圍，使這個頻率範圍包含物理 系統中銣原子的5S1/2(F=1) -5S1/2(F=2)能極差的頻率Hitl的一半，通過物理系統可以獲得 相應的CPT譜線，由物理系統的光電探測器接收到光信號，並轉換為電流信號，再通過電流 /電壓轉換電路1轉換為電壓信號，由模數轉換器2轉換為數位訊號後輸入到現場可編程門 陣列3中，經過第一數字濾波器14濾出頻率成分為fFSK的信號，通過第一同步鑑相15轉換 為糾偏信號，取糾偏信號的正向最大值所對應的輸出電壓U4和負向最大值所對應的輸出電 壓U5的中間值U6，輸出到第一數模轉換器4，產生壓控晶振7的控制電壓，改變壓控晶振的 輸出頻率6，通過鎖相環9，使得此時壓控振蕩器10輸出的微波頻率Hi1 ^ m0/2 ；
(5).鎖定壓控晶振控制電壓16，即不斷調整壓控晶振7的控制電壓，使得壓控晶振輸 出的頻率信號6經過鎖相環路倍頻後的微波頻率Hl1保持在!1^/2附近，光信號通過物理系統 的光電探測器、電流/電壓轉換電路1、模數轉換器2、第一數字濾波器14、第一同步鑑相15 得到糾偏信號，過程與上述⑷中相同，根據糾偏信號調整壓控晶振7的控制電壓，從而鎖 定鎖相環路的輸出頻率Hl1,由於鎖相環路倍頻倍數固定，因而壓控晶振的輸出頻率6被鎖定 在一個標準頻率值附近。基於現場可編程門陣列的數字同步鑑相是本發明的重要內容，本發明中用到兩次 同步鑑相，即直流環路對直流偏置信號的同步鑑相，和微波環路對微波信號的同步鑑相，鑑 相的方法如圖3、圖4和圖5所示。以微波信號的同步鑑相為例，調製的微波信號與直流偏 置疊加後輸入到VCSEL，因而VCSEL發出多色雷射，其中多色雷射的正負一級邊帶的頻率差 等於微波頻率的兩倍，即2mi，該頻率差受到fFSK的調製，兩個邊帶的雷射與物理系統中的銣 原子作用得到光檢信號，其中含有調製信號fFSK的基波和諧波。(1).當調製VCSEL偏置電流的微波頻率H^mtlA時，光檢信號濾波後得到的鑑頻
10信號是與參考信號相位相同的基波信號，如圖3A-圖3C所示。圖3A中正弦包絡線為基波 信號，豎線為模擬信號離散化後得到的數位訊號，圖3B為參考信號，圖3C中豎線為數字信 號與參考信號相乘後得到的交流信號，虛線為該交流信號的包絡線，將多個周期的交流信 號求平均後得到直流信號，即圖3C中Utl所在的直線，U0即為平均值，是一個正值。(2).當調製VCSEL偏置電流的微波頻率π^π^/2時，光檢信號濾波後得到的鑑頻 信號是與參考信號相位相反的基波信號，如圖4Α-圖4C所示。圖4Α中正弦包絡線為基波 信號，豎線為模擬信號離散化後得到的數位訊號，圖4Β為參考信號，圖4C中豎線為數字信 號與參考信號相乘後得到的交流信號，虛線為該交流信號的包絡線，將多個周期的交流信 號求平均後得到直流信號，即圖4C中Utl所在的直線，U0即為平均值，是一個負值。(3).當調製VCSEL偏置電流的微波頻率Hi1=Hici/^時，光檢信號濾波後只能得到的 鑑頻信號是調製信號的二次諧波信號，而沒有基波信號，如圖5Α-圖5C所示。圖5Α中正 弦半波包絡線為二次諧波信號，豎線為模擬信號離散化後得到的數位訊號，圖5Β為參考信 號，圖5C中豎線為數位訊號與參考信號相乘後得到的交流信號，虛線為該交流信號的包絡 線，將多個周期的交流信號求平均後得到直流信號，即圖5C中Utl所在的直線，U0即為平均 值，等於0。通過同步鑑相得到直流信號U。即為糾偏信號，反映了 Hi1偏離mQ/2的方向和程度。 因而通過糾偏信號可以將微波頻率鎖定在原子基態兩個超精細能級頻率差的一半。同樣 的，在直流環路，可以通過同步鑑相對VCSEL的偏置電流糾偏，將VCSEL發出的雷射中心頻 率鎖定在原子基態到激發態的躍遷頻率。根據上述原理，在現場可編程門陣列中可用如下方法實現同步數字鑑相
(1).引入調製信號作為參考信號，其中相位0°到180°為高電平，相位180°到360° 為低電平；
(2).從濾波器輸出端引入鑑頻信號，當參考信號為高電平時，鑑頻信號值不變，當參考 信號為低電平時，鑑頻信號取反；
(3).對(2)中處理過的鑑頻信號進行累加，累加的點數為一個參考信號周期內點數的 整數倍，累加的起始點與參考信號的起始點對齊。累加結果即為糾偏信號。在實際應用中，由於電子學和物理系統中存在相位延遲，需要對參考信號進行移 相才能與鑑頻信號對準。此時可以將糾偏信號通過數模轉換器引出觀察，當糾偏信號不為0 時，通過調整參考信號的相位，使糾偏信號的絕對值最大，此時鑑頻信號與參考信號相位對 齊或偏差180°，通過改變壓控晶振9的電壓值從而由小到大連續改變HI1，若糾偏信號先從 正變到零再變負，表明相位對齊，若糾偏信號變化方向相反，則表明相位偏差180°。本說明書中應用了具體個例對本發明的原理及具體實施方式
進行了闡述，以上具 體個例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技 術人員，依據本發明思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說 明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
一種被動型相干布居數囚禁原子頻標的全數字伺服裝置，包括電流/電壓轉換電路(1)、模數轉換器(2)、現場可編程門陣列(3)、第一數模轉換器(4)、壓控晶振(7)、電壓/電流轉換電路(8)、鎖相環(9)、壓控振蕩器(10)、環路濾波器(11)、偏置器(12)，其特徵在於電流/電壓轉換電路(1)的輸入端與物理系統中光電探測器輸出端連接，電流/電壓轉換電路(1)的輸出端與模數轉換器(2)的輸入端連接，模數轉換器(2)的輸出端與現場可編程門陣列(3)中的模數轉換器接口(13)的輸入端連接，第二數模轉換器(5)的輸出端與電壓/電流轉換電路(8)的輸入端連接，電壓/電流轉換電路(8)的輸出端與偏置器(12)的直流輸入端連接，第一數模轉換器(4)的輸出端與壓控晶振(7)的壓控端連接，壓控晶振(7)的輸出端與鎖相環(9)的參考信號輸入端連接，鎖相環(9)的輸出端與環路濾波器(11)的輸入端連接，環路濾波器(11)的輸出端與壓控振蕩器(10)的壓控端連接，壓控振蕩器(10)的輸出分別與鎖相環(9)的射頻輸入端和偏置器(12)的射頻輸入端連接，模數轉換器接口(13)的輸出分出兩路，分別與第一數字濾波器(14)和第二數字濾波器(27)的輸入端連接，第二數字濾波器(27)的輸出端與第二同步鑑相(26)的輸入端連接，第二同步鑑相(26)的輸出端與鎖定VCSEL電流(25)的輸入端連接，鎖定VCSEL電流(25)的輸出端與控制邏輯(18)連接，掃描VCSEL電流(24)的輸出端分別與鎖定VCSEL電流(25)的輸入端和控制邏輯(18)的輸入端連接，第一數字濾波器(14)的輸出端與第一同步鑑相(15)連接，第一同步鑑相(15)的輸出端與鎖定晶振電壓(16)的輸入端連接，鎖定晶振電壓(16)的輸出端與控制邏輯(18)連接，掃描壓控晶振電壓(17)的輸出端分別與鎖定壓控晶振(16)的輸入端和控制邏輯(18)的輸入端連接，控制邏輯(18)的輸出端分別與幅度調製(23)、第一數模轉換器接口(21)和頻移鍵控調製(19)的輸入端連接，幅度調製(23)的輸出端與第二數模轉換器接口(22)的輸入端連接，頻移鍵控調製(19)的輸出端與鎖相環接口(20)的輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的一種被動型CPT原子頻標的全數字伺服裝置，其特徵在於 所述的現場可編程門陣列(3)外的第二數模轉換器(5)的輸入端和配置端與第二數模轉換 器接口(22)的輸出端連接，現場可編程門陣列(3)外的第一數模轉換器(4)的輸入端和配 置端與第一數模轉換器接口(21)的輸出端連接，鎖相環接口(20)的輸出端與現場可編程 門陣列(3)外的鎖相環(9)的配置端連接。
3.根據權利要求1所述的一種被動型CPT原子頻標的全數字伺服裝置，其特徵在於 所述的模數轉換器(2 )與模數轉換器接口(13 )相連。
全文摘要
本發明公開了一種被動型相干布居數囚禁原子頻標的全數字伺服裝置。裝置的電流/電壓轉換電路連接物理系統中光電探測器，電流/電壓轉換電路連接模數轉換器，模數轉換器連接現場可編程門陣列中的模數轉換器接口，電壓/電流轉換電路分別與數模轉換器、偏置器相連，環路濾波器分別與鎖相環、壓控振蕩器相連，鎖相環分別與壓控晶振、壓控振蕩器、鎖相環接口相連，數模轉換器分別與壓控晶振、數模轉換器接口相連，模數轉換器接口連接數字濾波器，數字濾波器連接同步鑑相，鎖定VCSEL電流連接控制邏輯。該裝置體積小、功耗低、穩定度高，適合應用於小型化和微型化相干布居數囚禁原子頻標。
文檔編號H03L7/26GK101951261SQ20101029949
公開日2011年1月19日 申請日期2010年10月8日 優先權日2010年10月8日
發明者吳紅衛, 趙劼成, 陳杰華, 顧思洪 申請人:中國科學院武漢物理與數學研究所