CN203366002U - 一种原子钟 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种原子钟，属于信号源领域。原子钟包括：压控晶体振荡器、量子系统、以及用于将量子系统提供的量子鉴频信号与参考信号进行同步鉴相，得到鉴相结果的同步鉴相模块，原子钟还包括用于为压控晶体振荡器提供预置的第一纠偏电压的第一电压基准；第一电压基准与压控晶体振荡器处于同一工作环境中，第一电压基准的温度系数乘以压控晶体振荡器的压控斜率后、加上压控晶体振荡器的温度系数等于零；用于根据同步鉴相模块的鉴相结果得到第二纠偏电压，为压控晶体振荡器提供第二纠偏电压的处理模块；第一电压基准与压控晶体振荡器连接，处理模块分别与同步鉴相模块和压控晶体振荡器连接。本实用新型使VCXO输出不受温度变化的影响。

Description

一种原子钟

技术领域

本实用新型涉及信号源领域，特别涉及一种原子钟。

背景技术

原子钟作为高稳定、高精度的时钟源，正被广泛应用于航天、导航和通讯等众多领域。

现有的原子钟主要包括VCXO（Voltage Controlled X'tal Oscillator，压控晶体振荡器）、微波探询信号产生模块、量子系统和同步鉴相模块。其中，VCXO输出的信号经过微波探询信号产生模块的综合、倍频和混频处理产生微波探询信号，该微波探询信号作用于量子系统后，产生量子鉴频信号；同步鉴相模块将该量子鉴频信号与微波探询信号产生模块提供的参考信号进行同步鉴相，产生纠偏电压作用于VCXO，从而改变VCXO的输出，进而将VCXO输出锁定于原子基态超精细0-0中心频率上。

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：在实际的原子钟应用中，当VCXO的工作温度发生微小变化时，VCXO输出信号的频率将随之产生偏移，从而影响原子钟整机输出的稳定度。

实用新型内容

为了解决VCXO输出信号的频率受温度变化影响的问题，本实用新型实施例提供了一种原子钟。所述技术方案如下：

本实用新型实施例提供了一种原子钟，所述原子钟包括VCXO、用于提供量子鉴频信号的量子系统、以及用于将所述量子系统提供的量子鉴频信号与参考信号进行同步鉴相，得到鉴相结果的同步鉴相模块，所述原子钟还包括：

用于为所述VCXO提供预置的第一纠偏电压的第一电压基准；所述第一电压基准与所述VCXO处于同一工作环境中，所述第一电压基准的温度系数乘以所述VCXO的压控斜率后、加上所述VCXO的温度系数等于零；

用于根据所述同步鉴相模块的鉴相结果得到第二纠偏电压，为所述VCXO提供所述第二纠偏电压的处理模块；

所述第一电压基准与所述VCXO连接，所述处理模块分别与所述同步鉴相模块和所述VCXO连接。

可选地，所述原子钟还包括：

用于在参考电压的作用下，对所述处理模块提供的第二纠偏电压进行数模转换，并将转换后的第二纠偏电压输出至所述VCXO的数模转换模块；所述处理模块通过所述数模转换模块与所述VCXO连接。

可选地，所述原子钟还包括：

用于为所述数模转换模块提供所述参考电压的第二电压基准；所述第二电压基准与所述VCXO处于同一工作环境中，所述第一电压基准的温度系数与所述第二电压基准的温度系数相同；所述第二电压基准与所述数模转换模块连接。

优选地，所述处理模块包括：

用于在预置的鉴相结果与纠偏电压的对应关系中，获取所述同步鉴相模块的鉴相结果对应的纠偏电压的获取单元；以及

用于将所述获取单元获取的所述鉴相结果对应的纠偏电压减去所述预置的第一纠偏电压，得到所述第二纠偏电压的处理单元；

所述处理单元与所述获取单元连接。

可选地，所述处理模块还包括：

用于判断所述处理单元得到的第二纠偏电压是否在预定范围内；当所述第二纠偏电压在所述预定范围内时，输出所述第二纠偏电压；当所述第一纠偏电压未在所述预定范围内时，将预置的纠偏电压作为所述第二纠偏电压并输出的执行单元；所述执行单元与所述处理单元连接。

可选地，所述处理模块还包括：

用于采用补偿纠偏电压对所述处理单元得到的所述第二纠偏电压进行补偿，输出补偿后的所述第二纠偏电压至所述VCXO的补偿单元，所述补偿纠偏电压等于所述VCXO的日老化漂移率乘以所述VCXO的压控斜率，所述补偿单元与所述处理单元连接。

可选地，所述原子钟还包括：

用于控制所述原子钟的工作环境的温度为预定温度的温度控制模块。

优选地，所述温度控制模块包括：

用于检测所述工作环境的实际温度的检测单元；

用于比较所述检测单元检测的所述工作环境的实际温度与所述预定温度，得到比较结果的比较单元；以及

用于根据所述比较单元得到的比较结果，将所述工作环境的温度调节为预定温度的调节单元；

所述比较单元分别与所述检测单元和所述调节单元连接。

优选地，所述检测单元包括热敏电阻。

优选地，所述调节单元包括温控芯片。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过第一电压基准与VCXO处于同一工作环境中，第一电压基准为VCXO提供预置的第一纠偏电压，第一电压基准的温度系数乘以VCXO的压控斜率后、加上VCXO在确定出的工作温度下具有的温度系数等于零；由于随着温度的变化，VCXO受温度的影响，其输出信号的频率也随之发生变化；同时，第一电压基准受温度的影响，其输出的电压也随之变化；而当第一电压基准输出的电压也随之变化时，VCXO受第一电压基准输出的电压的影响，输出信号的频率也将发生变化；因此，电压导致VCXO输出信号的频率的变化将抵消温度导致VCXO输出信号的频率的变化，从而使VCXO输出信号的频率不受温度变化的影响，提高了原子钟整机的稳定度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种原子钟的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的又一种原子钟的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

实施例

本实用新型实施例提供了一种原子钟，参见图1，该原子钟包括VCXO100、用于提供量子鉴频信号的量子系统110、以及用于将量子系统110提供的量子鉴频信号与参考信号进行同步鉴相，得到鉴相结果的同步鉴相模块120。该原子钟还包括：

第一电压基准101，与VCXO100处于同一工作环境中，用于为VCXO100提供预置的第一纠偏电压。第一电压基准101的温度系数乘以VCXO100的压控斜率后、加上VCXO100的温度系数等于零。处理模块102，用于根据同步鉴相模块120的鉴相结果得到第二纠偏电压，为VCXO100提供该第二纠偏电压。

第一电压基准101的温度系数为，温度每变化1℃，第一电压基准101输出的电压相对于温度变化前输出的电压的变化率。

VCXO100的温度系数为，温度每变化1℃，VCXO100输出信号的频率相对于温度变化前输出信号的频率的变化率。VCXO100的压控斜率为，VCXO100输出信号的频率相对于输入VCXO100电压的变化率。

第一电压基准101和VCXO100的温度系数可以由生产厂商提供，或者通过试验获取。以通过试验获取VCXO100的温度系数为例，介绍该试验过程。首先，将VCXO放在一个恒温的环境内，该环境的温度可调，可调步长为0.1度（按照所需精度的不同，该可调步长可以不同）。然后，按可调步长，逐渐改变VCXO工作的环境温度，并采用计数器记录VCXO相应的输出频率值，得到VCXO的输出信号的频率随温度变化的变化程度，即温度系数。

其中，第一电压基准101与VCXO100连接，用于为VCXO100提供预置的第一纠偏电压。第一电压基准101与VCXO100在同一工作环境中。也就是说，第一电压基准101与VCXO100的工作环境的温度是相同的。

其中，处理模块102分别与同步鉴相模块120和VCXO100连接，用于根据同步鉴相模块1的鉴相结果得到第二纠偏电压，为VCXO100提供该第二纠偏电压。

优选地，参见图2，处理模块102包括：用于在预置的鉴相结果-纠偏电压的对应关系中，获取同步鉴相模块120的鉴相结果对应的纠偏电压的获取单元1021；以及，用于将获取单元1021获取的鉴相结果对应的纠偏电压减去预置的第一纠偏电压，得到并输出第二纠偏电压的处理单元1022。获取单元1021与处理单元1022连接。

具体地，同步鉴相模块120的鉴相结果可以为量子鉴频信号的频率。鉴相结果-纠偏电压的对应关系可以包括：量子鉴频信号的频率与输入VCXO100的纠偏电压值之间的映射关系，该纠偏电压值决定了VCXO100输出信号的频率为量子鉴频信号的频率。鉴相结果-纠偏电压的对应关系可以预先设置在获取单元1021中。

具体地，鉴相结果对应的纠偏电压由第二纠偏电压和第一纠偏电压组成。由于第一电压基准101为VCXO100提供了预置的第一纠偏电压，因此，处理模块102将获取的鉴相结果对应的纠偏电压减去预置的第一纠偏电压，得到第二纠偏电压并提供给VCXO100。

可选地，处理模块102还包括：用于判断处理单元1022得到的第二纠偏电压是否在预定范围内；当第二纠偏电压在预定范围内时，输出该第二纠偏电压；当第二纠偏电压未在预定范围内时，将预置的纠偏电压作为第二纠偏电压并输出的执行单元1023。执行单元1023与处理单元1022连接。

具体地，执行单元1023中存储了第二纠偏电压的预定范围，该预定范围决定了VCXO100输出信号频率的范围。假设该预定范围为[V1，V2]，V1>V2。在处理单元1022获取第二纠偏电压值V后，执行单元1023判断V是否位于[V1，V2]，若V不位于[V1，V2]（V>V2或V<V1），则将预置的纠偏电压值V0作为第一纠偏电压并输出，反之，若V位于[V1，V2]（V1<V<V2），则输出V。这样，将原子钟整机输出频率控制在小范围内，使原子钟输出频率呈线性变化，便于采用现有的测量方案（先按最小二乘法扣除漂移再利用阿仑方差计算稳定度）对原子钟整机输出信号的频率稳定度进行评估。

可选地，处理模块102还包括：用于采用补偿纠偏电压对处理单元1022得到的第二纠偏电压进行补偿，输出补偿后的第二纠偏电压至VCXO100的补偿单元1024。其中，该补偿纠偏电压等于VCXO100的日老化漂移率乘以VCXO100的压控斜率。补偿单元1024与处理单元1022连接。

具体地，VCXO100的日老化漂移率为，VCXO100每日的老化漂移率。日老化漂移率可以根据VCXO100的年老化漂移率计算（年老化漂移率除以365）。年老化漂移率可以由VCXO100的生产厂商提供。

具体地，补偿纠偏电压将引起VCXO100输出信号的频率发生变化，该频率的变化可以补偿VCXO100因为老化漂移引起的频率变化影响，进而提高原子钟整机输出信号的稳定度。

可选地，该原子钟还包括：用于控制工作环境的温度为预定温度的温度控制模块103。

优选地，参见图2，温度控制模块103包括：

检测单元1031，用于检测工作环境的实际温度。比较单元1032，与检测单元1031连接，用于比较检测单元1031检测的工作环境的实际温度与预定温度，得到比较结果。调节单元1033，与比较单元1032连接，用于根据比较单元1032得到的比较结果，将工作环境的温度调节为预定温度。优选地，检测单元1031可以包括热敏电阻。优选地，调节单元1033可以包括温控芯片。

优选地，参见图2，该原子钟还包括数模转换模块104：该数模转换模块104分别与VCXO100和处理模块102连接，用于在参考电压的作用下，对处理模块102提供的第二纠偏电压进行数模转换，并将转换后的第二纠偏电压输出至VCXO100。

具体地，数模转换模块104的结构同现有数模转换模块的结构，在此不再详述。

优选地，参见图2，该原子钟还包括第二电压基准105：该第二电压基准105与数模转换模块104连接、且与VCXO100处于同一工作环境中，用于为数模转换模块104提供参考电压。第一电压基准101的温度系数与第二电压基准105的温度系数相同。

具体地，第一电压基准101和第二电压基准105分别具有与VCXO100相反的温度特性。例如，假设第一电压基准101或第二电压基准105的温度系数分别为-1E-3（V/℃），VCXO100具有的温度系数为+1E-10（℃），VCXO100的压控斜率为1E-7（V）。这样可以得到，-1E-3（V/℃）×1E-7（V）+1E-10（℃）=0。

随着工作环境的温度的变化，VCXO100输出信号的频率随温度变化发生变化，同时，第一电压基准101和第二电压基准105输出的电压也随温度的变化而变化。针对第一电压基准101，当第一电压基准101输出的第一纠偏电压发生变化时，由于第一电压基准101输出的第一纠偏电压是输入至VCXO100的，因此，第一电压基准101输出的变化电压将直接导致VCXO100输出信号的频率的变化。针对第二电压基准105，当第二电压基准105输出的电压发生变化时，由于第二电压基准105为数模转换模块104提供参考电压，并且参考电压的变化将使数模转换模块104输出的电压发生变化，因此，在数模转换模块104输入的变化的电压作用下，VCXO100输出信号的频率将发生变化。也就是说，随着温度的变化，VCXO100受温度的影响，其输出信号的频率随之发生变化。而第一电压基准101和第二电压基准105受温度的影响，两者输出的电压也随之发生变化。这样，当第一电压基准101和第二电压基准105输出的电压也随之变化时，VCXO100输出信号的频率也将发生变化。电压导致VCXO100输出信号的频率的变化将抵消温度导致VCXO100输出信号的频率的变化，从而使VCXO100输出信号的频率不受温度变化的影响，提高了原子钟整机的稳定度。

本实用新型实施例提供的上述原子钟带来的有益效果是：通过第一电压基准与VCXO处于同一工作环境中，第一电压基准为VCXO提供预置的第一纠偏电压，第一电压基准的温度系数乘以VCXO的压控斜率后、加上VCXO在确定出的工作温度下具有的温度系数等于零；由于随着温度的变化，VCXO受温度的影响，其输出信号的频率也随之发生变化；同时，第一电压基准受温度的影响，其输出的电压也随之变化；而当第一电压基准输出的电压也随之变化时，VCXO受第一电压基准输出的电压的影响，输出信号的频率也将发生变化；因此，电压导致VCXO输出信号的频率的变化将抵消温度导致VCXO输出信号的频率的变化，从而使VCXO输出信号的频率不受温度变化的影响，提高了原子钟整机的稳定度。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种原子钟，所述原子钟包括压控晶体振荡器、用于提供量子鉴频信号的量子系统、以及用于将所述量子系统提供的量子鉴频信号与参考信号进行同步鉴相，得到鉴相结果的同步鉴相模块，其特征在于，所述原子钟还包括：

用于为所述压控晶体振荡器提供预置的第一纠偏电压的第一电压基准；所述第一电压基准与所述压控晶体振荡器处于同一工作环境中，所述第一电压基准的温度系数乘以所述压控晶体振荡器的压控斜率后、加上所述压控晶体振荡器的温度系数等于零；

用于根据所述同步鉴相模块的鉴相结果得到第二纠偏电压，为所述压控晶体振荡器提供所述第二纠偏电压的处理模块；

所述第一电压基准与所述压控晶体振荡器连接，所述处理模块分别与所述同步鉴相模块和所述压控晶体振荡器连接。

2.根据权利要求1所述的原子钟，其特征在于，所述原子钟还包括：

用于在参考电压的作用下，对所述处理模块提供的第二纠偏电压进行数模转换，并将转换后的第二纠偏电压输出至所述压控晶体振荡器的数模转换模块；所述处理模块通过所述数模转换模块与所述压控晶体振荡器连接。

3.根据权利要求2所述的原子钟，其特征在于，所述原子钟还包括：

用于为所述数模转换模块提供所述参考电压的第二电压基准；所述第二电压基准与所述压控晶体振荡器处于同一工作环境中，所述第一电压基准的温度系数与所述第二电压基准的温度系数相同；所述第二电压基准与所述数模转换模块连接。

4.根据权利要求3所述的原子钟，其特征在于，所述处理模块包括：

用于在预置的鉴相结果与纠偏电压的对应关系中，获取所述同步鉴相模块的鉴相结果对应的纠偏电压的获取单元；以及

用于将所述获取单元获取的所述鉴相结果对应的纠偏电压减去所述预置的第一纠偏电压，得到所述第二纠偏电压的处理单元；

所述处理单元与所述获取单元连接。

5.根据权利要求4所述的原子钟，其特征在于，所述处理模块还包括：

用于判断所述处理单元得到的第二纠偏电压是否在预定范围内；当所述第二纠偏电压在所述预定范围内时，输出所述第二纠偏电压；当所述第一纠偏电压未在所述预定范围内时，将预置的纠偏电压作为所述第二纠偏电压并输出的执行单元；所述执行单元与所述处理单元连接。

6.根据权利要求4所述的原子钟，其特征在于，所述处理模块还包括：

用于采用补偿纠偏电压对所述处理单元得到的所述第二纠偏电压进行补偿，输出补偿后的所述第二纠偏电压至所述压控晶体振荡器的补偿单元，所述补偿纠偏电压等于所述压控晶体振荡器的日老化漂移率乘以所述压控晶体振荡器的压控斜率，所述补偿单元与所述处理单元连接。

7.根据权利要求1-6任一项所述的原子钟，其特征在于，所述原子钟还包括：

用于控制所述原子钟的工作环境的温度为预定温度的温度控制模块。

8.根据权利要求7所述的原子钟，其特征在于，所述温度控制模块包括：

用于检测所述工作环境的实际温度的检测单元；

用于比较所述检测单元检测的所述工作环境的实际温度与所述预定温度，得到比较结果的比较单元；以及

用于根据所述比较单元得到的比较结果，将所述工作环境的温度调节为预定温度的调节单元；

所述比较单元分别与所述检测单元和所述调节单元连接。

9.根据权利要求8所述的原子钟，其特征在于，所述检测单元包括热敏电阻。

10.根据权利要求8所述的原子钟，其特征在于，所述调节单元包括温控芯片。

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