DE69609855T2 - Digitalprozessorgesteuerter miniatur-atomfrequenzstandard - Google Patents

Description

DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDER ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen miniaturisierten Atomfrequenzstandard der Art, in der ein Mikrowellenoszillator auf die hyperfeine Frequenz (d. h. die Frequenz eines durch die Hyperfeinstrukturaufspaltung entstehenden elektronischen Überganges) eines durch eine Laserdiode gepumpten Dampfes abgestimmt ist, und im Speziellen die Steuerung des Oszillators, der Laserdiode und der zugeordneten Komponenten unter Verwendung eines Digitalprozessors.
Technischer Hintergrund
• Ein bekannter Typ einer Atomuhr stimmt einen Mikrowellenoszillator auf die hyperfeine Wellenlänge eines Dampfes wie Cäsium oder Rubidium ab. Ein durch den Dampf geführter Lichtstrahl pumpt die Atome aus dem Grundzustand in einen höheren Zustand, von dem aus sie in einen Zustand fallen, der eine hyperfeine Wellenlänge über dem Grundzustand liegt. Die Lichtabsorption beim Pumpen der Dampfatome auf den höheren Zustand wird von einem Photodetektor erfaßt. Mit der Abreicherung des Grundzustands nimmt das den Dampf zum Detektor durchlaufende Licht zu. Mit dem auf die hyperfeine Wellenlänge abgestimmten Mikrowellensignal wird der Grundzustand jedoch wieder besetzt, so daß beim Pumpen der Dampfatome kontinuierlich Licht absorbiert wird. Somit zeigt die Antwort des Detektors auf das Lichtsignal einen Abfall bei genau der Wellenlänge, bei der die Dampfatome auf den höheren Zustand gepumpt werden. Außerdem muß die Mikrowellenfrequenz genau der hyperfeinen Frequenz entsprechen, um die maximale Absorption des Lichts, und damit das minimale Photodetektorsignal zu erzeugen.
• Mit einer stabilen Lichtquelle kann der Mikrowellenoszillator genau auf die hyperfeine Frequenz abgestimmt werden, indem der Ausgangsschaltkreis des Photodetektors in einer Rückkopplungsschleife verwendet wird.
• Um die Mikrowellenfrequenz auf dem Abfall und damit auf der hyperfeinen Frequenz zu halten, wird diese verschoben, das heißt, sie wird zwischen zwei Frequenzen moduliert. Die Rückkopplungsschaltung steuert die Mikrowellenfrequenz, um das modulierte Antwortsignal des Photodetektors genau auf die hyperfeine Frequenz zu zentrieren.
• Der Laserstrahl wird ebenfalls durch eine Rückkopplungsschaltung stabilisiert, die die Laserwellenlänge verschiebt, um den Laser genau auf der Wellenlänge zu halten, die die Dampfatome in den erregten Zustand pumpt. Die analogen Rückkopplungs schaltungen, die die Mikrowellenfrequenz und Laserwellenlängen steuern, verwenden ein Frequenzmultiplexverfahren, um die Modulation der beiden Signale zu entkoppeln. Das erfordert gesonderte Phasendetektoren für jede der Rückkopplungsschleifen.
• Es besteht ein Trend zur Reduzierung der Größe und der Leistungsaufnahme von Atomfrequenzstandards, was deren Nützlichkeit stark erhöhen würde. US-Patent No. 5,192,921 offenbart einen Atomfrequenzstandard in Form einer Miniaturzelle, in dem die Gaszelle nicht mehr als etwa 6 mm Durchmesser und lSmm Länge aufweist. Beim Einsatz von Cäsiumgas können bekannte Analogschaltungen, wie oben beschrieben, mit dieser Gaszelle verwendet werden, um einen Atomfrequenzstandard mit einem Gesamtvolumen von weniger als etwa 25 cm³ zu erzeugen. Die gesonderten Phasendetektoren, die für die Ermittlung der Rückkopplungssignale für die Mikrowellen- und die Lasersteuerschleifen notwendig sind, begrenzen eine weitere Miniaturisierung dieser Analogschaltungen.
• EP-A-0 414 194 offenbart einen Atomfrequenzstandard gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1.
• US-A-5 168 478 offenbart eine Aufbau für einen Zeitstandard, in dem ausschließlich die Frequenzgeneratoreinheit moduliert wird.
• In Proceedings of the Frequency Control Symposium, Hershey, 27.-29. Mai 1992, Institute of Electrical and Electronic Engineers, S. 114-122, wird ein Atomfrequenzstandard mit einer Cäsiumzelle beschrieben, bei der das Cäsium von einer Laserdiode gepumpt wird, die Frequenzverschoben wird. Die Mikrowellenleistung wird von einem Synthesizer geliefert.
• GB-A-2 044 521 offenbart einen passiven Maser, der zwei unterschiedliche Fehlersignale benutzt, um die Resonanzfrequenz des Maser-Resonators zu steuern.
• US-A-4 499 433 offenbart ein System zum Identifizieren der maximalen Resonanzspitze in der Antwort eines atomaren und molekularen Resonators durch Verwenden eines Spitzenanalysators.
• Es besteht also ein Bedarf für einen verbesserten Atomfrequenzstandard mit einer kleinerer Gesamtgröße einschließlich Steuerschaltungen, als er heute zur Verfügung steht.
• In diesem Zusammenhang gibt es einen Bedarf für solch einen Atomfrequenzstandard reduzierter Größe, der stabil und zuverlässig arbeitet und zu einem vernünftigen Preis hergestellt werden kann.
• Weiterhin gibt es einen Bedarf für einen solchen Atomfrequenzstandard, der reduzierte Leistungsanforderungen aufweist, sowohl hinsichtlich der Menge der aufgenommenen Leistung als auch der Qualität der benötigten Leistung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Diese und andere Aufgaben werden von der Erfindung gemäß Anspruch 1 erfüllt, die sich in einer Ausführungsform z. B. auf einen Atomfrequenzstandard bezieht, der einen digitalen Controller zum Steuern der Wellenlänge der Lichtquelle, der Frequenz des Mikrowellensignals, der Steuerung der Dampf- und Lasertemperatur und des C-Feld-Stroms umfaßt. Der Digitalcontroller zeitmultiplext die Verschiebung des Lichtsteuersignals, um die Wellenlänge einer Laserdiode bei der optischen Resonanzfrequenz des Dampfes zu halten, und die Verschiebung des Mikrowellensteuersignals, um die Frequenz des Hochfrequenzgenerators bei der Mikrowellenresonanzfrequenz zu halten. Dadurch werden die Laser- und die Mikrowellensteuerschleifen entkoppelt und die Notwendigkeit für die kostenaufwendigen Phasendetektoren, die in den analogen Steuerschaltungen für Atomfrequenzstandards benötigt werden, eliminiert. Bei einer einzigartigen Lösung, die kleine Differenzen des Ausgangssignals des Photodetektors während der Frequenzverschiebung, besonders im Falle des Mikrowellensignals, berücksichtigt, wird das Detektorsignal in einem Lade/Mess- und Entladeintegrator integriert. In der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung werden Verstärkungen im Bereich von 50 im Falle des Mikrowellensignals, und im Bereich von 20 im Falle des Lasersignals realisiert. Da die Frequenzverschiebung des Lasersignals und des Mikrowellensignals zeitgemultiplext wird, wird ein herkömmlicher Lade/Mess- und Entladeintegrator benutzt, der die Größe und die Kosten des Taktgenerators noch weiter reduziert. Um Fehler, die durch das Rauschen des digitalen Signalprozessors erzeugt werden, zu reduzieren, wird der Prozessor während der Intervalle, in denen das Photodetektorsignal integriert wird, in den Ruhezustand versetzt.
• Da sich das elektrische Heizgerät zum Aufrechterhalten der Betriebstemperatur des Dampfes mit dem Betrieb des Mikrowellenhohlraumresonators stören kann, setzt der digitale Controller diese Heizgeräte nur während der Intervalle in Betrieb, in denen das Mikrowellensignal nicht integriert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Ein volles Verständnis der Erfindung kann aus der nachstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und anhand der begleitenden Zeichnungen gewonnen werden. Hierbei zeigen:
• Fig. 1 ein Prinzipschema in Form eines Blockschaltbilds eines Atomfrequenzstandards gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 ein Zeitablaufdiagramm, das den relativen Zeitablauf verschiedener Signale zeigt, die in einem Atomfrequenzstandard gemäß Fig. 1 benutzt werden;
• Fig. 3 ein Flußdiagramm für eine Hauptsoftwareroutine, die von einem Digitalprozessor benutzt wird, der Teil des Atomfrequenzstandards gemäß Fig. 1 ist;
• Fig. 4-7 Flußdiagramme für Interrupt-Dienstroutinen, die von der Hauptroutine in Fig. 3 aufgerufen werden;
• Fig. 8 ein Prinzipschema, das die Laserstromsteuerschleife für den Atomfrequenzstandard gemäß Fig. 1 illustriert;
• Fig. 9 ein Flußdiagramm für die Laserstromsteuersoftware, die in der Laserstromsteuerschleife gemäß Fig. 8 benutzt wird;
• Fig. 10 ein Prinzipschema, das die Mikrowellenfrequenzsteuerschleife für den Atomfrequenzstandard gemäß Fig. 1 illustriert;
• Fig. 11 ein Prinzipschema einer Steuerschleife für einen Cäsium-Erhitzer;
• Fig. 12 ein Prinzipschema der Lasertemperatursteuerschleife;
• Fig. 13 ein Zustandsdiagramm, das die Betriebszustände der Software zeigt, die zur Steuerung des erfindungsgemäßen Atomfrequenzstandards benutzt wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
• Der erfindungsgemäße Atomfrequenzstandard ist ein Miniatur- 10 MHz-Oszillator auf Mikroprozessor-Basis. Die Stabilität des Oszillators wird erreicht durch Einregeln eines Funkfrequenz- (HF)-Signals auf einen hyperfeinen Übergang eines Cäsiumgases. Ein Hardware-Blockschaltbild des Atomfrequenzstandards 1 wird in Fig. 1 gezeigt. Der Atomfrequenzstandard 1 beinhaltet ein Physikpaket 3 und eine Steuerschaltung 5. Das Physikpaket 3 enthält eine Miniatur-Cäsiumzelle 7, wie in US-Patent Nr. 5,192,921 beschrieben, das hier durch Bezugnahme enthalten ist. Vorzugsweise ist das Physikpaket von der Art, wie sie in der ebenfalls anhängigen Anmeldung (W. E. 58,572) gezeigt wird, die hier ebenfalls durch Bezugnahme enhalten ist. Eine Laserdiode 9 erzeugt einen kohärenten Lichtstrahl, der den Cäsiumdampf in der Zelle 7 pumpt. Die Absorption des Lichtstrahls durch den Cäsiumdampf wird durch den Photodetektor 11 gemessen. Das Mikrowellensignal ist durch einen Mikrowellenhohlraumresonator 13, in dem die Dampfzelle 7 montiert ist, an den Cäsiumdampf gekoppelt. Wie bereits gesagt, wird das Mikrowellensignal auf die Frequenz des Mikrowellen-Atomübergangs des Cäsiumdampfs eingestellt, so daß der Grundzustand des Dampfs wieder besetzt wird und die Laserdiode die Cäsiumatome kontinuierlich pumpen kann. Um den erforderlichen Dampfdruck in der Dampfzelle 7 zu erzeugen und für den stabilen Betrieb, wird der Dampf durch einen elektrischen Erhitzer 15 aufgeheizt. Die Temperatur des Dampfes wird durch einen Cäsium-Thermistor 17 überwacht. Für einen stabilen Betrieb muß auch die Temperatur der Laserdiode 9 gesteuert werden. Da diese Temperatur unter der Umgebungstemperatur liegen könnte, wird ein elektrischer Kühler/Erhitzer (TEC) 19 benutzt und die Temperatur der Laserdiode wird durch einen Laser-Thermistor 21 überwacht. Eine C-Feldspule 23 erzeugt ein gleichförmiges magnetisches Hintergrundfeld, das die Effekte externer magnetischer Felder minimiert. Zusätzlich isoliert eine Magnetfeldabschirmung (nicht gezeigt) die Cäsiumzelle von äußeren Feldern noch weiter.
• Das Herz der Steuerschaltung 5 ist ein digitaler Controller 25, der einen digitalen Signalprozessor (DSP) 27 mit 16 Bit und eine digitale anwendungsspezifische integrierte Schaltung (DASIC - Digital Application Specific Integrated Circuit) beinhaltet. Der DSP 27 ist ein spezialisierter Mikroprozessortyp, der für digitale Filterung und Steuerung optimiert ist. Der verwendete DSP ist ein TMS320C50 Mikroprozessor von Texas Instruments. Der Digitalcontroller 25 regelt den Betrieb des Physikpakets 3 durch die Verarbeitung der Software, die in den DSP-Programmspeicher 31 geladen ist, sowie durch Steuerungs- und Zeitsignale, die von der DASIC 29 generiert werden. Die DASIC 29 beinhaltet eine Anzahl von Zeitgebern, die eine Anzahl Zeitregelfunktionen ausführen einschließlich der Erzeugung von Interrupts für den DSP 27. Der DSP 27 kommuniziert mit dem DASIC 29 durch parallele 16-Bit breite Adress- und Datenbusse 33 bzw. 35 sowie einen Steuerbus 37. Die DASIC 29 dient außerdem als eine Schnittstelle für den DSP 27 indem sie Meldungen konvertiert, die auf den parallelen Adress- und Datenbussen 33 und 35 ausgegeben und auf einen seriellen Ausgangsbus 39 zu Digital/Analog-(D/A)-Wandlern 41, 43 und 45 des Hochfrequenzgenerators 47 (RF frequency synthesizer), den Laserstromregler 49 und den C-Feldstromregler 51 übertragen werden. Wie man noch sehen wird, beliefert der DSP 27 die D/As mit Sollwerten für die zugeordneten Steuerparameter.
• Die DASIC 29 liefert auch ein Steuersignal für einen Leistungsimpulsbreitenmodulator 53 für den TEC 19 und ein ähnliches Steuersignal für den Leistungsimpulsbreitenmodulator 55 für den Dampferhitzer 15.
• Die Steuerschaltung 5 beinhaltet auch Komponenten zum Eingeben der vom Photodetektor 11, vom Cäsium-Thermistor 17 und vom Laser-Thermistor 21 erzeugten Analogsignale in den Digital- Controller 25. Diese Signale werden in einen Analog-Multiplexer (Analog-Mux) 61 eingegeben und durch den 16-Bit-A/D-Wandler 63 in eine digitale Form umgewandelt. Die Auswahl des zu digitalisierenden Signals wird durch ein Steuersignal, das von der DASIC 29 über die Steuerleitung 65 an den Analog-Mux 61 geliefert wird, bestimmt. Die DASIC 29 liefert Steuersignale über die Steuerleitung 67 zum A/D-Wandler 63 und erhält das ausgewählte digitalisierte Signal über den seriellen Eingabebus 69.
• Die analogen Laser-Thermistor- und Cäsium-Thermistor-Signale werden durch die Verstärker 71 und 73 verstärkt, bevor sie digitalisiert werden. Zu den Zeiten, an denen das Lasersignal verschoben wird, und zu anderen Zeiten, wenn das Mikrowellensignal verschoben wird, ist der Amplitudenunterschied des Photodetektorsignals bei den beiden verschobenen Frequenzen sehr klein, besonders im Falle des Mikrowellensignals. Deshalb wird das Photodetektorsignal durch einen neuartigen Integrier- und-Entlade-A/D-Integrator 75 verstärkt, der nachstehend noch genauer beschrieben wird. Dieser Integrator wird auch von der DASIC 29 über die Leitung 77 gesteuert.
• Wie bereits erwähnt, werden sowohl das Mikrowellensignal als auch das Lasersignal frequenzverschoben, um wie bereits bekannt, das Lasersignal auf der Laser-Absorptionswellenlänge und das Mikrowellensignal auf der Mikrowellen-Absorptionsfrequenz zu halten. Erfindungsgemäß wird jedoch die Frequenzverschiebung des Mikrowellensignals und des Lasersignals Zeit-gemultiplext. Die Zeitsignale zum Zeitmultiplexen der Frequenzverschiebung des Lasersignals und des Mikrowellensignals sowie auch andere Taktsignale werden von der DASIC 29 generiert. Für die Erfindung wesentliche Taktsignale, die von DASIC generiert werden, werden in Fig. 2 gezeigt. Das Basis-Zeitintervall ist der Zeitrahmen, der sich in die vier Zeitfenster 0, 1, 2 und 3 unterteilt. Die Zeitfenster 0 und 1 sind der positiven bzw. der negativen Verschiebung des Mikrowellensignals zugeordnet, während das Lasersignal zur positiv verschobenen Wellenlänge in Zeitfenster 2, und zur negativ verschobenen Wellenlänge in Zeitfenster 3 verschoben wird. Da die Unterschiede im positiv und im negativ Frequenzverschobenen Mikrowellensignal kleiner sind als die des Lasersignals, wird das Mikrowellensignal über einen längeren Zeitraum integriert, um die Verstärkung zu erhöhen. So werden in dem hier beschriebenen System, in dem die Dauer des Zeitrahmens 10 ms ist, die Zeitfenster 0 und 1 jeweils 3 ms, und die Zeitfenster 2 und 3 jeweils 2 ms groß. Die relative Dauer der Zeitfenster kann in Abhängigkeit von der gewünschten Verstärkung variiert werden. Das wesentliche Merkmal ist jedoch, daß die Integrationszeit für die positive und die negative Verschiebung eines bestimmten Signals die gleiche sein muß, um die Einführung von Fehlern zu vermeiden. Wie in Fig. 2 gezeigt wird, wird das integrierte Signal gelesen, sobald der A/D-Wandler 63 über die Steuerleitung 67 ein A/D-Abtastsignal erhält. Die DASIC 29 liefert, wie in Fig. 2 gezeigt, auch das Integrationssignal über die Leitung 77 an den Integrator 75, um den Integrator für jede neue Integration zurück zu setzen. Wenn das Integrationssignal auf Niederpegel geht, wird der Integrator gelöscht. Das Intervall zwischen dem Anstieg des Integrationssignals zum Starten der Integration und der Erzeugung des folgenden A/D-Abtastsignals bestimmt das Integrationsintervall. In der hier beschriebenen Ausführungsform ist die Integrationsperiode für das Mikrowellensignal 2 ms und die Integrationsperiode für das Lasersignal 1 ms.
• Wie ebenfalls bereits erwähnt, wird, da der Unterschied der Amplitude des Photodetektorsignals für positives und negatives Frequenzverschieben besonders beim Mikrowellensignal sehr klein ist, die Aktivität des digitalen Signalprozessors 25 während der Integrationsperiode reduziert, um zu verhindern, daß durch das Rauschen, welchen durch den vollen Betrieb des DSP erzeugt wird, Fehler in dem gemessenen Photodetektorsignal verursacht werden. Somit ist, wie in Fig. 2 gezeigt, der DSP nur für ein sehr kurzes Intervall zu Beginn jedes Zeitfensters eingeschaltet. Die Belastung des DSP ist der Art, daß alle seine Funktionen während dieser kurzen Intervalle ausgeführt werden können. Das wird durch Aufteilen der Aufgaben zwischen den Zeitfenstern erleichtert, so daß alle Aufgaben mindestens einmal während jedes Zeitrahmens ausgeführt werden.
• Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß am Anfang jedes Zeitfensters das während des vorhergehenden Zeitfensters integrierte Signal zunächst durch die Erzeugung des Abtastimpulses auf dem Steuersignal für die A/D-Abtastung gelesen wird. Der DSP 27 wird daraufhin eingeschaltet und beginnt mit dem Abarbeiten seiner Aufgabe. Eine seiner Anfangsaufgaben ist, die Frequenzverschiebung des Laser- und/oder Mikrowellensignals einzustellen. Dies darf auf jeden Fall erst nach dem Lesen des integrierten Signals erfolgen. Während sich das System an das neu eingestellte Laser- und/oder Mikrowellensignal anpaßt, geht das Integrationssignal auf Niederpegel, um den Integrator zurückzusetzen (Reset). Nachdem der DSP 27 seine Aufgabe vollendet hat und in den Ruhezustand geht, geht das Integrationssignal auf Hochpegel, um die nächste Integration zu starten. Wie noch besprochen wird, werden die Laser-Thermistor- und Cäsium-Thermistor-Signale während unterschiedlicher Ein- Perioden des DSP 27 gelesen.
• Fig. 3 illustriert ein Flußdiagramm für die Hauptsoftware- Routine 79 für den DSP 27. Beim Start ist der DSP im Ruhezustand 81. Zu Beginn jedes Zeitfensters sendet die DASIC 29 einen Interrupt, der den DSP veranlaßt, ein Register gemäß 83 zu lesen, welches die Nummer des Zeitfensters angibt. In Abhängigkeit von der Nummer des augenblicklichen Zeitfensters 85, 87 und 89 wird die Interruptdienstroutine des entsprechenden Zeitfensters 91, 93, 95 oder 97 aufgerufen. Bei der Rückkehr von der ausgewählten Interruptdienstroutine wird das Zeitfenster-Register gemäß 99 inkrementiert, bevor der DSP wieder zurück in den Ruhezustand geht.
• Das Flußdiagramm für die Interruptdienstroutine des 0-ten Zeitfensters 101 wird in Fig. 4 dargestellt. Beim Aufruf der Routine wird der A/D-Wandler 63 gemäß 103 ausgelesen und der Integrator gemäß 105 zurückgesetzt. Daraufhin wird der - Stromwert für eine unverschobene Frequenz gemäß 107 an den D/A- Wandler des Laserstromreglers 43 geschickt und der Stromwert für eine positiv verschobene Frequenz gemäß 109 an den D/A- Wandler des Hochfrequenzgenerators 41 geschickt. Anschließend werden die Algorithmen gemäß 111 für den Laserstrom- und die Temperatursteuerung, sowie der Algorithmus gemäß 113 für die Steuerung der Mikrowellenleistung, abgearbeitet. Schließlich werden die Start- und Abtastzeiten für die Integration gemäß 115 während dieses Zeitfensters gesetzt. Die Abtastzeit dient außerdem als Interrupt für den DSP 27, um das nächste Zeitfenster zu starten.
• Das Flußdiagramm für die Interruptdienstroutine des 1-ten Zeitfensters 117 wird in Fig. 5 gezeigt. Nach dem Auslesen gemäß 119 des A/D-Wandlers 63, der den integrierten Wert des Photodetektorsignals bei dem Stromwert des Mikrowellensteuersignals für positive Frequenzverschiebung enthält, wird der Integrator 75 gemäß 121 zurückgesetzt. Mit dem zurückgesetzten Integrator sendet der DSP 27 gemäß 123 den Stromwert für die negativ verschobene Mikrowellenfrequenz an den D/A-Wandler 41. Der digitale Wert der Spannung des Hohlraumresonator-Thermistors wird dann gemäß 125 abgelesen und der Temperatursteueralgorithmus für den Hohlraumresonator gemäß 127 ausgeführt, bevor die Zeitgeber für die nächste Integration gemäß 129 aktualisiert werden.
• Fig. 6 zeigt das Flußdiagramm für die Interruptdienstroutine des 2-ten Zeitfensters 131. Wieder ist es die erste Aufgabe, gemäß 133 den A/D-Wandler auszulesen, der zu diesem Zeitpunkt den integrierten Wert des Photodetektorsignals bei dem Strom wert für negative Frequenzverschiebung des Mikrowellensignals enthält. Nachdem der Integrator 75 gemäß 135 zurückgesetzt ist, wird der Stromwert für die positive Verschiebung des Laserstroms gemäß 137 an den D/A-Wandler 43 geschickt, der dem Laserstromregler 49 zugeordnet ist. Daraufhin wird der Stromwert für eine unverschobene Frequenz gemäß 139 an den D/A- Wandler 41 des Hochfrequenzgenerators 47 geschickt und die Einschaltzeit für den Hohlraumresonatorerhitzer gemäß 141 aktualisiert und an die DASIC geschickt. Als nächstes wird der Steueralgorithmus für die Mikrowellenfrequenz gemäß 143 ausgeführt, bevor alle Zeitgeber für die nächste Integration gemäß 145 aktualisiert werden.
• Das Flußdiagramm für die Interruptdienstroutine des 3-ten Zeitfensters 147 wird in Fig. 7 gezeigt. Die einzigen zu diesem Zeitpunkt ausgeführten Funktionen sind das Auslesen des A/D- Wandlers gemäß 149, das Zurücksetzen des Integrators 75 gemäß 151, das Senden des Stromwertes für die negative Verschiebung des Lasers an den D/A-Wandler 43 gemäß 153, und das Aktualisieren der Zeitgeber für die nächste Integration gemäß 155.
• Fig. 8 ist ein Prinzipschema, das die Laserstromsteuerschleife gemäß der vorliegenden Erfindung in näheren Einzelheiten zeigt. Die Wellenlänge des von der Laserdiode ausgestrahlten Lichts ist sowohl eine Funktion des Laserstroms als auch der Temperatur. Somit werden die Strom- und die Temperaturregelung benutzt, um die Laserwellenlänge auf der optischen Resonanzfrequenz des Cäsiumdampfs zu halten. Die Lasertemperatursteuerung wird nachstehend im Zusammenhang mit Fig. 12 diskutiert. Wie bereits erwähnt, gibt die Hauptroutine, die vom DSP 27 abgearbeitet wird, je nach Zeitfenster positive, negative oder 0-Werte für die Verschiebung des Laserstroms aus. Der ent sprechende Wert wird über den Parallelbus 35 an die DASIC 29 gesendet, wo er in das serielle Format umgewandelt und über den seriellen Bus 39 an den Laserstrom-D/A-Wandler 43 übertragen wird. Dieser D/A-Wandler 43 enthält einen groben D/A-Wandler 157 und einen feinen D/A-Wandler 159. Jeder dieser Wandler 157 und 159 hat 12-Bits, wobei eine 4-Bit-Überlappung besteht und eine 20-Bit-Sollwerteinstellung für den Laserstrom an die Laserstromversorgung 161 innerhalb der Laserregelschaltung 49 übertragen wird. Die Laserstromversorgung 161 benutzt diesen Sollwert in einer Rückkopplungsschleife, die den Rückkopplungswiderstand für die Strommessung 163 beinhaltet, um die Stromversorgung der Laserdiode 9 in einer inneren Steuerschleife auf den vom DSP 27 vorgegebenen Wert einzuregeln.
• Die eingestellten Sollwerte für den Laserstrom werden in einer äußeren Steuerschleife abgeleitet, um den Laser auf die optische Resonanzwellenlänge des Cäsiumdampfs eingestellt zu halten. Diese äußere Steuerschleife beinhaltet die Cäsiumzelle 7, durch die das Von der Laserdiode 9 emittierte Licht geht, und den Photodetektor 11, der auf die Lichtmenge von der Laserdiode anspricht, die nicht vom Dampf in der Zelle 7 absorbiert wird. Die äußere Steuerschleife beinhaltet ferner den Lade- und Entladeintegrator 75, den Analog-Multiplexer 61, den 16-Bit-A/D-Wandler 63 und den Digital-Controller 25. Der Integrator 75 beinhaltet die klassische Kombination eines Operationsverstärkers 165, der über den Widerstand 166 gespeist wird und der mit dem Integrationskondensator 167 im Nebenschluß steht. Wenn der an den D/A-Wandler 43 gelieferte Sollwert geändert wird, wird der Integrator 75 durch Signale auf einer Steuerleitung 77 zurückgesetzt, indem ein Schalter 169 geöffnet wird, um den Eingang zum Integrator zu unterbrechen und ferner der Schalter 171 geschlossen wird, um den Kondensator 167 als Vorbereitung für die nächste Integration zu entladen. Am Ende der Rücksetzperiode schließt die DASIC 29 den Schalter 169 und öffnet den Schalter 171, um die neue Integration auszulösen. Um den dynamischen Bereich des Integrators 75 zu vergrößern, wird ein Verschiebungswert vom Photodetektorsignal durch einen Differenzverstärker 173 abgezogen. Die Verschiebung wird so eingestellt, daß das Signal, das vom Photodetektor 11 abgeleitet wird, während der positiven Verschiebung des Lasersignals möglichst nahe bei 0 gehalten wird. Das Verschiebungssignal wird vom DSP 27 digital erzeugt und vom D/A-Wandler 175 in ein Analogsignal umgewandelt.
• Wie bereits besprochen wird der Ausgang des Integrators 75 vom Analog-Multiplexer 61 ausgewählt, wenn der Integrator ausgelesen werden soll. Der 16-Bit-A/D-Wandler 63 beinhaltet einen Abtastschalter 177, der durch ein Signal von der DASIC 29 über die Leitungen 67 geschlossen wird, um die Umwandlung auszulösen. Mit dem Abschluß der Umwandlung wird ein Schalter 179 geschlossen, um den Digitalwert an die DASIC zum Speichern zu schicken. Ein Flußdiagramm für die Laserstrom-Steuerroutine 181 wird in Fig. 9 gezeigt. Wie oben beschrieben, wird diese Routine von der Interruptdienstroutine des 0-ten Zeitfensters gemäß 111 in Fig. 4 aufgerufen. Wie dargestellt, liest die Routine gemäß 183 die gespeicherten Integrationsspitzenwerte für Plus- und Minus- Verschiebungen, die im vorhergehenden Zeitrahmen aufgezeichnet wurden. Die Differenz zwischen dem Detektorsignal bei Plus- und Minus-Verschiebung des Laserstroms wird dann gemäß 185 berechnet. Diese Differenz wird benutzt, um 0-, Plus- und Minus-Werte zur Verwendung in der Hauptroutine gemäß 187 zu erzeugen. Die Routine 181 bestimmt auch den Verschiebungswert, der durch den D/A-Wandler 175 an den Differenzverstärker 173 angelegt wird. Dieser Teil des Algorithmus hält den Ausgang des Differenzverstärkers 173 während der Zeit, in der der Laserstrom positiv verschoben ist, möglichst nahe bei 0. Der Absolutwert des Photodetektorausgangs ist nicht wesentlich, jedoch ist die genaue Bestimmung der Differenz des Photodetektorausgangs während der Verschiebung des Laserstroms wichtig. Wenn das gespeicherte integrierte Photodetektorsignal während der positiven Verschiebung in dem vorhergehenden Zeitrahmen, wie bei 189 bestimmt, gemäß 191 größer als 0 ist, wird das Verschiebungsregister gemäß 193 um 1 dekrementiert. Ansonsten wird es gemäß 195 um 1 inkrementiert. Dieser Prozess hält den Ausgang des Differenzverstärkers 173 während der positiven Verschiebung des Lasers nahe bei 0, wobei damit der dynamische Bereich des Analogintegrators 75 maximiert wird, sowohl bei einer Antwort auf die positive als auch auf die negative Verschiebung des Laserstroms. Diese Nullstellung eliminiert auch eine AC-Kopplung des Photodetektors 11, so daß die Notwendigkeit für große DC-Sperrkondensatoren beseitigt wird.
• Zusammenfassend gilt für die Gesamtsteuerung des Laserstroms, daß zu Beginn des Zeitfensters 0 eines jeden Zeitrahmens der Sollwert für die Verschiebung des Laserstroms auf den 0-Wert gesetzt wird. Die Laserstromversorgung 161 regelt dann den augenblicklichen Laserstrom auf diesen Wert ein. Später im Zeitfenster 0 ruft die Hauptroutine die Laserstrom- und Temperaturroutinen 181 auf, wie in Fig. 9 gezeigt wird. Die symmetrische Form des Ausgangssignals des Photodetektors 11 als Funktion des Laserstroms im Bereich des Laserabsorptionsabfalls wird vom Laserstromalgorithmus zum ermitteln des Signals für die Abweichung der Laserwellenlänge benutzt. Wenn die Laserwellenlänge genau auf dem Cäsiumabsorptionsabfall liegt, erzeugt die Verschiebung des Stroms gleiche Ausgangssignale am Photodetektor für positive und negative Verschiebungen. Eine Stromverschiebung unter den Bedingungen eines Wellenlängenabweichung führt zu ungleichen Ausgangssignalen des Photodetektors. Die Differenz in der Ausgangssignale zeigt die Größenordnung des Fehlers, und das Vorzeichnen der Differenz ergibt die Richtung der Abweichung. Die Routine für die Laserstromregelung integriert diesen Fehler und erzeugt Laser- 0, Plus- und Minuswerte für den Laserstrom.
• Zu Beginn des 2-ten Zeitfensters wird der Integrator 75 von der Interruptdienstroutine des 2-ten Zeitfensters in Fig. 6 gemäß 135 zurückgesetzt. Während der Integrator 75 zurückgesetzt gehalten wird, wird der Stromwert für die positive Verschiebung an den D/A-Wandler 43 für die Laserstromversorgung 161 geschickt. Der Integrator verbleibt im zurückgesetzten Zustand, während Schwingungen gedämpft werden, die durch die Veränderung des Laserstroms entstehen. Daraufhin geht der DSP 27 in den Ruhezustand und der Schalter 169 im Integrator wird geschlossen und der Schalter 171 wird geöffnet, um mit der Integration des Photodetektorsignals für den positiven Wert des Laserstroms zu beginnen. Während dieses Intervalls wird das Mikrowellensignal auf den Wert für die unverschobene Frequenz eingestellt. Der Integrator 75 verstärkt die DC-Komponente des Photodetektorausgangs für die positive Verschiebung des Lasers während er gleichzeitig zusätzliches Rauschen ausfiltert. Zu Beginn des 3- ten Zeitfensters generiert die DASIC 29 das A/D-Abtastsignal, das den A/D-Wandler veranlaßt, eine Umwandlung des Integratorausgangssignals vorzunehmen. Wie in Fig. 7 dargestellt, kommt der DSP 27 dann aus dem Ruhezustand und setzt den Integrator gemäß 151 zurück. Dann wird der Stromwert für die negative Verschiebung zum A/D-Wandler 43 als Sollwert für die Laserstromversorgung 161 ausgegeben. Wenn das Einschwingen beendet ist, beginnt der Integrator als Reaktion auf die negative Verschiebung des Laserstroms mit der Integration des Photodetektorausgangs. Zu Beginn des nächsten 0-ten Zeitfensters wird das A/D-Abtastsignal erzeugt, um die Umwandlung des integrierten Wertes der Minus-Verschiebung des Lasers zu beginnen.
• Das Ausgangssignal des Integrators 75 wird für ein DC- Eingangssignal Vin durch Vout = T · Vin/RC gegeben, wobei R der Wert des Integrator-Eingangswiderstands 166 ist. In der hier beschriebenen Konfiguration ist die Integrationszeit T etwa 1 ms, R = 5100 Ohm und C = 0,01 uF, wobei C die Kapazität des Intergrationskondensators 167 ist. Somit ist die DC-Verstärkung des Integrators 75 der Laserwellenlängensteuerung gleich 20.
• Fig. 10 ist ein Prinzipschema, das die Steuerschleife für die Mikrowellenfrequenz gemäß der vorliegenden Erfindung in näheren Einzelheiten darstellt. Wie bereits erwähnt, zeitmultiplext die vom DSP 27 ausgeführte Hauptroutine die Verschiebung der Mikrowellenfrequenz mit der Verschiebung des Laserstroms. Somit erzeugt der DSP 27 während des Zeitfensters 0 in jedem Zeitrahmen einen Pluswert für das Mikrowellensteuersignal, welches über den Parallelbus 35 der DASIC 29 zugeführt wird. Die DASIC 29 wandelt dieses Mikrowellensteuersignal in das serielles Format um und überträgt es über den seriellen Bus 39 zum D/A-Wandler 41 des Mikrowellenfrequenzgenerators. Der D/A- Wandler 41 enthält einen 16-Bit grob-D/A-Wandler 197 und einen 16-Bit fein-D/A-Wandler 199, der etwa eine 6-Bit-Überlappung mit dem groben D/A-Wandler aufweist, um ein 26-Bit breites digitales Steuersignal zu erzeugen. Die Analogausgänge der D/A- Wandler 197 und 199 dienen als Sollwerteingabe für den Hochfrequenzgenerator 47, der das kombinierte analoge Einga besignal in das Mikrowellensignal konvertiert, welches auf den Cäsiumdampf wirkt. Dieser Hochfrequenzgenerator 47 beinhaltet einen kristallgeregelten und durch eine Spannung gesteuerten 20 MHz Oszillator (VCXO) 201. Der Ausgang des 20 MHz VCXO wird als Eingang für eine 1 GHz Phasensperrschleife 203 benutzt, die einen spannungsgesteuerten 1 GHz Oszillator (VCO) 205 beinhaltet und dessen Ausgangssignal vom Ausgangssignal des 20 MHz VCXO 205 in einem Phasenkomparator 207 abgezogen wird, um ein Fehlersignal zu erzeugen, welches den 1 GHz VCO 205 treibt. Der Ausgang der Phasensperrschleife 203 treibt einen Frequenzvervielfacher 209 in Form eines Speicher-Schalt-Dioden-(steprecovery-diode)-Vervielfachers (SRD-Vervielfacher) mit einem Multiplikationsfaktor 9, um das Mikrowellensignal mit etwa 9 GHz zu erzeugen. Zusätzlich wird das Ausgangssignal der 1 GHz Phasensperrschleife 203 genutzt, um eine 10 MHz Ausgangsphasen- Sperrschleife (Ausgangs-PLL) 211 zu regeln, die am Ausgang das stabile 10 MHz Zeitsignal liefert.
• Das vom Hochfrequenzgenerator 47 generierte Mikrowellensignal wird durch Koaxkabel 213 an den Mikrowellenhohlraumresonator 13 im Physikpaket 3 auf die im Stand der Technik bekannte Weise übertragen. Dieses Mikrowellensignal besetzt erneut den Grundzustand des Cäsiumdampfs, wenn es auf die Mikrowellen- Resonanzfrequenz eingestellt wird. Dieses Einstellen des Mikrowellensignals führt zu einem Mikrowellenabfall im Ausgang des Photodetektors 11. Das Photodetektorausgangssignal wird, wie oben im Zusammenhang mit der Laserstromsteuerschleife beschrieben, vom Lade/Mess- und Entladeintegrator 75, durch die Betätigung der Schalter 169 und 171 als Reaktion auf die von der DASIC 29 erzeugten Steuersignale, integriert. Wie im Falle des Laserstroms, wird der Ausgang des Integrators 75 am Ende jeder Integrationsperiode durch die Auswahl des Integrators durch den Analog-Multiplexer zum Umwandeln durch den A/D- Wandler 63 ausgelesen.
• Zusammenfassend gilt für den Betrieb der Mikrowellenfrequenzsteuerschleife, daß der DSP 27 zu Beginn des 0-ten Zeitfensters aufwacht und das Mikrowellensteuersignal gemäß 109 auf den Wert für die positive Frequenzverschiebung setzt, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Während der kurzen Zeitspanne, in der der DSP während des 0-ten Zeitfensters an ist, berechnet, wie in Fig. 4 dargestellt, der Steueralgorithmus für die Mikrowellenleistung gemäß 113 den Wert für die im nächsten Zeitrahmen zu verwendende Laserleistung. Inzwischen setzt die DASIC 29 den Integrator 75 zurück und löst die Integration des Photodetektorsignals als Reaktion auf die positive Mikrowellenfrequenzverschiebung aus, wenn die Einschwingvorgänge abgeklungen sind.
• Am Anfang des 1-ten Zeitfensters wird der integrierte Wert der positiven Mikrowellenfrequenzverschiebung gelesen, der Integrator wird zurückgesetzt und die Mikrowellenfrequenzverschiebung wirdgemäß 123, wie in Fig. 5 dargestellt, auf den negativen Wert eingestellt. Nach Abschluß der ihm zugewiesenen Aufgabe geht der DSP 27 in den Ruhezustand über, und die Integration des negativ verschobenen Signals beginnt. Zu Beginn des 2-ten Zeitfensters wird der integrierte Wert des negativ verschobenen Signals gelesen und dann wird die Mikrowellenfrequenzverschiebung auf den 0-Wert gesetzt, wo sie während des 2-ten und 3-ten Zeitfensters bleibt.
• Die Integrationszeit des Lade/Mess- und Entladeintegrators 75 der Mikrowellenfrequenzsteuerschleife beträgt 2,5 ms. Wendet man die oben dargestellten Formel im Zusammenhang mit der Laserstrom-Steuerschleife an, so ergibt sich, daß die DC- Verstärkung, die auf das Photodetektorsignal in der Mikrowellenfrequenzsteuerschleife angewendet wird, 50 ist. Wie im Falle der Laserstromschleife integriert der Integrator 75 alle Rauschfrequenzkomponenten, die integrierte Vielfache von 1/T sind, zu Null. Außerdem ist wohlbekannt, daß das Signal/Rausch-Verhältnis eines Integrators sich bei weißem Rauschen mit der Quadratwurzel der Zeit verbessert.
• Der Steueralgorithmus für die Mikrowellenfrequenz, der gemäß 143 in der Interruptdienstroutine des 2-ten Zeitfensters 131 gemäß Fig. 6 ausgeführt wird, ist ähnlich der Routine 181, des Stromsteueralgorithmus gemäß Fig. 9. Zusätzlich zur Erzeugung der positiven, negativen und 0-Werte für das Mikrowellensteuersignal stellt diese Routine auch die Vorspannung ein, die durch den D/A-Wandler 175 an den Differentialverstärker 173 angelegt wird, um den integrierten Wert der positiv verschobenen Mikrowellenfrequenz möglichst nahe bei Null zu halten, wodurch der dynamischen Bereich der Steuerschleife vergrößert wird.
• Die Steuerschleife des Cäsiumdampf-Erhitzers wird schematisch in Fig. 11 dargestellt. Der Erhitzer 15 wird versorgt durch den Erhitzer-Leistungs-Impulsbreitenmodulator (Erhitzer-Leistungs- PWM) 55. Die Rückkopplung kommt vom Cäsium-Thermistor 17, der von einer 100 uA Konstantstromquelle 215 versorgt wird. Der Spannungsabfall am Thermistor 17 ist ein Maß für die Temperatur der Cäsiumzelle und wird vom Operationsverstärker 73 verstärkt und durch den Tiefpaß-Störfilter 217 gefiltert. Wie bereits besprochen, wird der Erhitzer 15 während der Zeitfenster, in denen das Mikrowellensignal gemessen wird, nicht betrieben, weil das Feld, das vom Erhitzer, der zur Minimierung des Leistungsbedarfs innerhalb der Abschirmung liegt, die Stabili tät der Mikrowellenfrequenz stören kann. Dementsprechend wird der Erhitzer nur während der Verschiebung des Lasers eingeschaltet, da diese vom Erhitzer nicht beeinflußt wird. Wie bei 125 in Fig. 5 gezeigt wird, wird die Spannung am Cäsiumthermistor 17 von der Dienstroutine des 1-ten Zeitfensters gelesen. Zwar geschieht dies, während die Mikrowellenfrequenz positiv frequenzverschoben ist, jedoch wird der Erhitzer zu diesem Zeitpunkt ausgeschaltet. Der Analog-Multiplexer 61 wählt die Cäsium-Thermistorspannung für die Umwandlung durch den A/D- Wandler 63 und zur Eingabe in den Digitalprozessor 25 aus. Der DSP 27 im Controller 25 vergleicht diese Rückkopplungsspannung mit der eingestellten Sollspannung, um die Abweichung zu bestimmen. Diese Abweichung wird seinerseits an einen Digitalfilter übergeben, der einen Integrator beinhaltet, um ein Impulsbreitenmodulationssignal zu erzeugen, das die Intervalle bestimmt, während deren der Erhitzer eingeschaltet wird. Die DASIC 29 konvertiert dieses vom DSP generierte Impulsbreitenmodulationssignal zu einem einfachen Ein/Ausschaltsignal für den Erhitzer-Leistungs-PWM 55. Dieses Steuersignal wird von der DASIC mit Hilfe eines Registers generiert, in das das vom DSP erzeugte Impulsbreitenmodulationssignal geladen ist, und welches mit einem Zähler, der von einem Zeitgeber inkrementiert wird unter Zuhilfenahme eines Komparators verglichen wird. Wenn die Zählung gleich der des Registers ist, geht das Steuersignal auf Hochpegel, um den Erhitzer-Leistungs-PWM 55 einzuschalten. Das Register wird nur während der Zeitfenster 2 und 3 geladen, wenn die Laserfrequenz verschoben wird. Die Zeit während dieser Zeitfenster, in der der Erhitzer eingeschaltet ist, wird bestimmt durch die Größenordnung des Impulsbreitenmodulationssignals. Je größer dieses Signal ist, desto eher wird der Erhitzer innerhalb der Zeitperiode eingeschaltet. Der Erhitzer wird durch das Zurückstellen der Steuersignale auf 0 am Ende jedes dieser Zeitfenster ausgeschaltet. Diese einfache Steueranordnung erübrigt einen gesonderten D/A-Wandler für die Erhitzerschaltung. Während die Erhitzer während des normalen Betriebs nur periodisch eingeschaltet sind, können sie beim Hochfahren durchgehend eingeschaltet sein, um die Aufheizzeit zu verkürzen.
• Die Steuerschleife für den TEC, der die Lasertemperatur steuert, ist ähnlich der für den eben beschriebenen Erhitzer. Wie in Fig. 12 gezeigt wird, generiert die DASIC 29 ein einfaches Ein/Ausschaltsignal für den TEC-Leistungsimpulsbreitenmodulator (TEC-Leistungs-PWM) 53. Wenn der TEC-Leistungs-PWM 53 eingeschaltet ist, steht der TEC 19 unter Strom. Die Rückkopplung der Temperatur des Lasers 9 wird durch den Laser-Thermistor 21 gewährleistet, der wie im Falle des Cäsium-Thermistors von einer 100 uA Konstantstromquelle 219 versorgt wird. Der Spannungsabfall am Thermistor 21, der für die Lasertemperatur repräsentativ ist, wird vom Operationsverstärker 71 verstärkt und durch den Störfilter 221 gefiltert. Diese Spannung wird vom Analog-Multiplexer 61 unmittelbar nach dem Lesen des Hohlraumresonator-Thermistors zum Digitalisieren durch den A/D-Wandler 63 ausgewählt. Der DSP 27 vergleicht diesen Ist-Spannungswert mit einem Sollwert, um ein Impulsbreitenmodulationssignal zu erzeugen, das von der DASIC benutzt wird, um das Ein/Ausschaltsignal auf die gleiche Weise zu erzeugen, die im Zusammenhang mit der Steuerschleife des Cäsium-Erhitzers schon diskutiert wurde.
• Das Rückkopplungssignal des Laserthermistors wird nur benutzt, um den TEC in der Aufheizzeit zu steuern. Sobald der Laserabfall gefunden ist, erzeugt der DSP 27 das Impulsbreitenmodulationssignal, das von der DASIC 29 zur Steuerung des TEC als Funktion der Differenz zwischen dem Laser-Iststrom, der durch das Photodetektorsignal in der Laserstromschleife bestimmt wird, und einem Sollwert für den Laserstrom, benutzt wird. Das hält die Laserleistung auf einem festen Wert, wodurch die Taktstabilität erhöht wird, da die Laserwellenlänge zu einem gewissen Grad mit der Leistung schwankt.
• Der C-Feld Spulenstrom wird auf einen vom Digitalcontroller 25 gelieferten, digitalen Sollwert geregelt und durch den D/A- Wandler 45 in ein Analogsignal umgewandelt, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Der C-Feld-Stromregler 51 regelt dann den Strom für die Spule 23 in einer Rückkopplungsschleife, ähnlich der inneren Schleife, die im Zusammenhang mit der Laserstromsteuerung beschrieben wurde.
• Die Software des erfindungsgemäßen Atomfrequenzstandards 1 kann als Rechner mit diskreten Zuständen (finite state machine) beschrieben werden, der in Echtzeit arbeitet. Ein Diagramm der Übergangszustände der Software 223 ist in Fig. 13 beschrieben. Ein Zustand definiert das Verhalten des Frequenzstandards und wird in der Figur als Kreis dargestellt. Die Programmlogik bestimmt die Übergänge von einem Zustand in einen anderen. Die Übergänge sind durch die Pfeile zwischen den Zuständen dargestellt.
• Der Initialisierungszustand 225 ist der Zustand, der sich beim Anlegen der Stromversorgung an den Frequenzprüfzähler 1 einstellt. In diesem Zustand werden der Digitalcontroller 25 und seine Peripheriegeräte initialisiert. Am Ende des Initialisierungszustands werden Zeitgeber-Interrupts aktiviert und der Zustand wechselt zum Anfangsbedingungszustand 227.
• Der Anfangsbedingungszustand 227 richtet die Temperatursteuerung kritischer Komponenten innerhalb des Physikpakets 3 ein. Während des Anfangsbedingungszustands 227 werden die Lasertemperatursteuerungs- und Cäsiumzellen-Temperatursteuerungsalgorithmen ausgeführt. Der Laser wird mit einem Konstantstrom betrieben, der etwas über dem gewünschten Betriebspunkt liegt. Der C-Feld-Strom wird auf Null gesetzt, der grobe und der feine D/A-Wandler 157, 159, die den Hochfrequenzgenerator 47 steuern, werden auf den Minimalwert bzw. den Mittelbereichswert gesetzt. Die Software geht erst in den Zustand für das Finden des Laserabfalls 231 über, wenn beide Temperatursteueralgorithmen Laser- und Cäsiumzellen-Temperaturabweichungen ermitteln, die innerhalb programmierbarer Grenzen liegen.
• Der Zustand für das Finden des Laserabfalls 231 regelt die Laserdiodenwellenlänge grob auf einen Cäsiumabsorptionsabfall ein. Während des Zustand für das Finden des Laserabfalls 231 werden die Laser- und Cäsiumgas-Temperatursteuerungsalgorithmen ausgeführt. Der Laserstrom wird von dem groben Wert aus abgesenkt. Während des Absenkens wird die Photodetektorspannung des Physikpakets vom Digital-Controller 25 durch den 16-Bit-A/D 63 gelesen. Die Erfassung eines Minimums bedeutet, daß der Laser auf den Cäsiumabsorptionsabfall grob eingestellt ist. Die Software geht nicht in den Zustand für das Halten des Lasers über, sofern ein Abfall gefunden wird, und der Lasertemperatur- Steueralgorithmus nicht eine Abweichung ermittelt, die kleiner ist als eine programmierbare Grenze. Der C-Feld-Strom, die Hochfrequenzleistung und die Hochfrequenzsteuerung sind nicht betroffen.
• Während des Zustands 231 führt der Digital-Controller 25 einen Algorithmus aus, der den Ausgang des Photodetektordifferenzver stärkers grob minimiert, in Vorbereitung auf die Ausführung des Steuerungsalgorithmus für die Wellenlänge und des Algorithmus zur Suche des Mikrowellenabfalls.
• Der Algorithmus senkt den Strom auf einen Minimalwert ab. Wenn bis zum Erreichen des Minimumstroms kein Abfall gefunden wird, ist ein Fehler aufgetreten. In der vorliegenden Ausführungsform bleibt die Software, wenn kein Abfall gefunden wird, in dem Zustand für das Finden des Laserabfalls 231.
• Der Zustand für das Halten des Lasers 233 stellt die Laserwellenlänge durch Steuern von Laserstrom und Lasertemperatur genau auf den Cäsiumabsorptionsabfall ein, der im vorherigen Zustand gefunden wurde. Während des Zustands für das Halten des Lasers 233 wird der Steueralgorithmus für die Cäsium- Gastemperatur ausgeführt. Der Lasertemperatur-Steueralgorithmus wird ebenfalls ausgeführt, wird aber jetzt von der Differenz zwischen dem Ist-Laserstrom und dem Soll-Laserstrom gesteuert, anstatt vom Rückkopplungssignal des Laserthermistors. Das führt tendenziell dazu, daß die Laserleistung gleich bleibt. Der C- Feld-Strom und die Hochfrequenzversorgung sind nicht betroffen. Der Algorithmus für die Steuerung der Laserwellenlänge wird ausgeführt. Ein Algorithmus wird ausgeführt, der vorbereitend für den Algorithmus zur Suche des Mikrowellenabfalls den Ausgang des Photodetektor-Differenzialverstärkers 12 genau auf Null einregelt.
• Die Software geht erst dann in den Zustand zum Finden des Mikrowellenabfalls 235 über, nachdem der Algorithmus für die Steuerung der Wellenlänge die Abweichung des Laserstroms als kleiner als eine programmierbare Grenze berechnet hat und der Photodetektor-Differenzialverstärker genau auf Null gestellt ist. Diese beiden Bedingungen müssen für etwa vier Minuten erfüllt sein. Während des Zustands zum Finden des Mikrowellenabfalls 235 werden die Steuerungsalgorithmen für die Lasertemperatur, die Cäsiumgastemperatur und die Laserwellenlänge ausgeführt.
• Der C-Feldstrom wird auf einen programmierbaren Wert gesetzt und der grobe D/A-Wandler 41 des Hochfrequenzgenerators wird angehoben und verschoben. Die Abweichung der Verschiebung wird berechnet und mit einem Schwellenwert verglichen. Jegliche Abweichung die größer als der Schwellenwert ist zeigt das Auftreten des Hochfrequenzabfalls im Cäsiumgas. Beim Erfassen des Hochfrequenzabfalls geht die Software in den Zustand zum Halten des Mikrowellenabfalls 237 über. Wenn kein Hochfrequenzabfall gefunden wird, bleibt das System im Zustand zum Finden des Mikrowellenabfalls 235.
• Der Zustand zum Halten des Mikrowellenabfalls 237 ist der stationäre Betriebszustand des Frequenzstandards 1. Während des Zustands zum Halten des Mikrowellenabfalls 237 werden die Steuerungsalgorithmen für die Lasertemperatur, die Cäsiumgastemperatur und die Laserwellenlänge ausgeführt. Die Hochfrequenzsteuerschleife wird unter Verwendung des feinen D/A-Wandlers der Hochfrequenzsteuerung ausgeführt. Sobald die Frequenzabweichung in der Frequenzsteuerschleife unter einen vordefinierten Schwellenwert absinkt, wird eine Sperranzeige aktiviert und der Frequenzstandard ist voll betriebsbereit.
• Die Ausführungsformen der Erfindung wurden in Einzelheiten beschrieben, jedoch ist sich der Fachmann bewußt, daß verschiedene Änderungen und Alternativen dieser Einzelheiten im Lichte der Gesamtlehre der Offenbarung ausgearbeitet werden können. Dementsprechend sind die geoffenbarten besonderen Anordnungen lediglich beschreibend und nicht einschränkend für den Umfang der Erfindung, der in voller Breite in den begleitenden Ansprüchen angegeben ist.

Claims (11)

1. Ein Atomfrequenzstandard (1) bestehend aus:

Einem begrenzten Volumen eines Dampfs (7) mit spezifischen Atomübergangsfrequenzen/Wellenlängen, einschließlich einer optischen Resonanzwellenlänge und einer Mikrowellen-Atomübergangsfrequenz;

Mittel zum Erzeugen von Frequenzen (47), das ein Mikrowellensignal in einem die Mikrowellen-Atomübergangsfrequenz einschließenden Frequenzbereich, sowie ein Ausgangssignal mit einer mit der Mikrowellen-Atomübergangsfrequenz in einem bestimmten Verhältnis stehenden, stabilen Frequenz, erzeugt;

Mittel (13) zum Koppeln des Mikrowellensignals an den Dampf (7);

einer Laserdiode (9), die den Dampf (7) mit Licht bei einer Wellenlänge in einem die optische Resonanzwellenlänge einschließenden Bereich optisch pumpt;

Detektormittel (11), das ein Detektorsignal erzeugt, das den Dampf (7) durchlaufenes Licht von der Laserdiode (9) repräsentiert;

Steuermittel (5) einschließlich Mittel zur digitalen Verarbeitung (25), die auf das Detektorsignal ansprechen und den Frequenzgenerator (47) steuern, um das Mikrowellensignal als Funktion der Atomübergangsfrequenz zu regeln, und die die Laserdiode (9) steuern, um die Wellenlänge des Lichts, das relativ zur optischen Resonanzwellenlänge erzeugt wurde zu stabilisieren; und

wobei das Mittel zur digitalen Verarbeitung (25) gekennzeichnet ist durch Mittel (27, 29) zum Erzeugen eines Mikrowellensteuersignal, das an den Frequenzgenerator (47) übergeben wird, und zum Verschieben (109, 123) des Mikrowellensteuersignals, um das vom Frequenzgenerator (47) erzeugte Mikrowellensignal auf Frequenzen, die auf die Mikrowellen-Atomübergangsfrequenz zentriert sind, einzustellen, und

Mittel (49) zum Erzeugen eines Lichtwellenlängensteuersignals, das an die Laserdiode (9) angelegt wird, und zum Verschieben (137, 153) des Lichtsteuersignals, um die von der Laserdiode (9) erzeugte Lichtwellenlänge auf Wellenlängen, die auf die optische Resonanzwellenlänge zentriert sind, einzustellen, und Mittel (29) zum Zeit-Multiplexen der Verschiebung des Mikrowellensteuersignals und des Lichtsteuersignals.

2. Der Atomfrequenzstandard (1) gemäß Anspruch 1, in dem das Mittel (29) zum Verschieben des Mikrowellensteuersignals und des Lichtsteuersignals Mittel zum Alternieren der Werte des Mikrowellensteuersignals und des Lichtsteuersignals zur Erzeugung erster und zweiter Werte des Detektorsignals umfaßt, und in dem das Steuermittel (5) Integrationsmittel (75), die die ersten und zweiten Werte des Detektorsignals für die Erzeugung erster und zweiter integrierter Werte des Detektorsignals integrieren, sowie Mittel (61, 63) zur Eingabe der ersten und zweiten integrierten Werte in das Mittel zur digitalen Verarbeitung, aufweist.

3. Der Atomfrequenzstandard (1) gemäß Anspruch 2, in dem das Mittel zur digitalen Verarbeitung (25) Mittel (81) zur Einschränkung des Betriebs des Mittels zur digitalen Verarbeitung (25) umfaßt, während der erste und der zweite Wert des Detektorsignals durch das Integrationsmittel (75) integriert werden, um Rauschen im ersten und im zweiten integrierten Wert des Detektorsignals zu reduzieren.

4. Der Atomfrequenzstandard (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, in dem das Integrationsmittel (75) einen gemeinsamen Integrator umfaßt, der das erste und zweite Detektorsignal als Reaktion auf die Verschiebung (109, 123, 137, 153) sowohl des Mikrowellensteuersignals als auch des Lichtsteuersignals integriert.

5. Der Atomfrequenzstandard (1) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 4, in dem das Steuermittel (5) Mittel (173) beinhaltet, die ein Grundsignal von den ersten Werten des Detektorsignals abziehen, um modifizierte erste Werte des Detektorsignals zu erzeugen, die an das Integrationsmittel (75) übergeben werden, und in dem das Mittel zur digitalen Verarbeitung (25) Mittel (175) beinhaltet, die das Grundsignal erzeugen, um den modifizierten ersten Wert des Detektorsignals gegen 0 zu steuern.

6. Der Atomfrequenzstandard (1) gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, in dem das Steuermittel (25) Mittel (57) zum Messen des Detektorsignals während eines ersten Intervalls, in dem das Mikrowellensteuersignal verschoben wird, und während eines zweiten Intervalls, in dem das Lichtsteuersignal verschoben wird, beinhaltet, und in dem das Mittel zur digitalen Verarbeitung (25) Mittel zum Einschränken des Betriebs (81) des Mittels zur digitalen Verarbeitung (25) aufweist, während das Detektorsignal im ersten und im zweiten Intervall gemessen wird.

7. Der Atomfrequenzstandard (1) gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, in dem das Steuermittel (5) ferner gekennzeichnet ist durch ein Heizmittel (15) zum Erwärmen des eingeschlossenen Dampfes (7), und in dem das Mittel zur digitalen Verarbeitung (25) Mittel zum Steuern der Energieversorgung des elektrischen Heizmittels aufweist, so daß das elektrische Heizmittel (15) nicht mit Energie versorgt wird, während das Mikrowellen-Steuersignal verschoben (109, 123) wird.

8. Der Atomfrequenzstandard (1) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, in dem das Steuermittel (5) ferner gekennzeichnet ist durch ein elektrisches Heizmittel (15) zum Erwärmen des eingeschlossenen Dampfes (7), und in dem das Mittel (29) zum Zeit-Multiplexen auf das Detektorsignal zum Einstellen das Mikrowellensignals währen des ersten sich wiederholenden Intervalls anspricht, und auf das Detektorsignal zum Regeln des Lichtsignals während des zweiten sich wiederholenden Intervalls anspricht, und Mittel (29), die das elektrische Heizmittel zu anderen Zeiten mit Energie versorgen, als während des ersten sich wiederholenden Intervalls.

9. Der Atomfrequenzstandard (1) gemäß Anspruch 1, in dem das Steuermittel (5) Integrationsmittel (75) zum Integrieren des Detektorsignals während vorgegebener Zeitintervalle aufweist, um integrierte Detektorsignale zu erzeugen, sowie Mittel (61- 63) zum Eingeben des integrierten Detektorsignals, das während jedes dieser Zeitintervalle erzeugt wurde, in das Mittel zur digitalen Verarbeitung (25), wobei das Mittel zur digitalen Verarbeitung (25) ferner Mittel aufweist, die das Mittel zur digitalen Verarbeitung während der vorgegebenen Zeitintervalle in einen Ruhezustand (81) versetzen.

10. Der Atomfrequenzstandard (1) gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, in dem das Mittel zur digitalen Verarbeitung (25), welches die Laserdiode (9) steuert, Mittel (49) aufweist, die den an die Laserdiode (9) abgegebenen Strom regeln, um die Wellenlänge des im Verhältnis zur optischen Resonanzwellenlänge erzeugten Lichts zu stabilisieren.

11. Der Atomfrequenzstandard (1) gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, in dem das Mittel zur digitalen Verarbeitung (25) ferner Mittel (53) beinhaltet, die die Temperatur der Laserdiode (9) als Funktion des wahren Laserstroms und eines Bezugswerts des Laserstroms regeln.