本发明公开了一种数字一体化的CPT原子钟控制系统，包括微控制器、多路D/A转换器、温补晶振、倍频电路、加法器、压控电流源、Bias‑T、光电转换电路、高Q值滤波器以及相敏检波电路；整个电路系统在微控制器的控制下工作，电路结构简单，调试方便；电路系统共用一个相敏检波电路，原子钟锁定时相敏检波电路为复用电路，通过软件设置可实现激光频率与微波频率的锁定，减小了电路的体积和功耗；在光电转换电路和相敏检波电路之间加入高Q值滤波器，大幅提高了电路的信噪比。
1.一种数字一体化的CPT原子钟控制系统，其特征在于，包括微控制器(1)、多路D/A转换器(2)、温补晶振(3)、倍频电路(4)、加法器(5)、压控电流源(6)、Bias-T(7)、光电转换电路(8)、高Q值滤波器(9)以及相敏检波电路(10)；
所述微控制器(1)用于：控制温补晶振(3)的输出频率；控制倍频电路(4)的倍频系数和输出微波功率；控制高Q值滤波器(9)的通道中心频率在激光调制频率和微波调制频率之间切换；向相敏检波电路(10)输出参考方波：当将高Q值滤波器(9)的通道中心频率切换到激光器调制频率时，将参考方波的频率调节成与激光调制频率一致后向相敏检波电路(10)输出；当将高Q值滤波器(9)的通道中心频率切换到微波调制频率时，将参考方波的频率调节成与微波调制频率一致后向相敏检波电路(10)输出；
高Q值滤波器(9)从光电转换电路(8)接收电压调制信号，并根据当前被切换的通道中心频率对所述电压调制信号进行滤波降噪，并送入相敏检波电路(10)；
所述相敏检波电路(10)依据所述参考方波将调制信号检测转换成直流电压信号，作为锁定信号；
所述微控制器(1)用于：从相敏检波电路(10)接收得到的对应于激光信号的锁定信号时，对该直流电压信号进行采样并判断：当该直流电压信号大于设定值时，控制多路D/A转换器输出的直流偏置信号减小；反之，增大直流偏置信号；当接收得到的对应于微波信号的锁定信号时，对该直流电压信号进行采样并判断：当该直流电压信号大于设定值时，控制温补晶振输出的频率减小；反之，增大温补晶振输出频率；同时，控制多路D/A转换器输出与激光调制频率一致的低频调幅信号；
所述倍频电路(4)根据所述倍频系数、输出微波功率以及从温补晶振(3)接收的输出频率，输出相应的微波信号；
加法器(5)将多路D/A转换器(2)输出的直流偏置控制信号与所述低频调幅信号相加，送至压控电流源(6)；所述压控电流源(6)将接收的信号转换为电流信号；
所述Bias-T(7)将微波信号、激光器偏置直流信号以及低频调幅信号的直流信号相加，输出至激光器；
所述光电转换电路(8)将激光信号转换为具有激光低频调制信号和微波低频调制信号的电压调制信号。
2.如权利要求1所述的一种数字一体化的CPT原子钟控制系统，其特征在于，还包括温控电路(11)，经由多路D/A转换器接收微控制器(1)发出的用于控制激光器工作温度和原子气室工作温度的信号。
3.如权利要求1所述的一种数字一体化的CPT原子钟控制系统，其特征在于，所述微控制器(1)根据设定的激光频率纠偏和微波频率纠偏时间间隔，交替对高Q值滤波器(9)的两种通道中心频率进行切换。
一种数字一体化的CPT原子钟控制系统
技术领域
[0001] 本发明涉及原子钟技术领域，尤其涉及一种数字一体化的CPT原子钟控制系统。
背景技术
[0002] 基于相干布居囚禁(Coherent Population Trapping，简称CPT)现象的原子钟由于不需要微波腔，可以实现低功耗和微型化甚至芯片化设计，是目前原子钟技术领域的发展趋势。与传统原子钟相比，CPT原子钟具有体积小、功耗低、启动快等特点，不仅可以应用于民用通信网络等领域，获得高可靠时间同步网络，还可应用于小卫星/微小卫星平台，构成时钟单元和有效载荷的频时间频率源，提高卫星的时间同步、时差/频差测量、测距、测速和通信等能力。
[0003] CPT原子钟包括物理部分和电子学系统，其中物理部分采用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)加工技术可以实现体积仅几立方厘米甚至更小的封装，低功耗、小体积、低噪声的电子学系统是实现高性能CPT原子钟低功耗和微型化设计需要解决的主要问题之一。目前常用的CPT原子钟电子学系统大多为采用微控制器或FPGA作为控制单元的数模混合电路，控制单元利用率较低，采用两路独立的相敏检波电路分别实现微波频率和激光频率的锁定，增加了电路的体积和功耗。
发明内容
[0004] 有鉴于此，为克服现有CPT原子钟电子学系统的不足之处，本发明提供了一种数字一体化的CPT原子钟控制系统，降低了电路系统尺寸、功耗，提高了电路的信噪比。
[0005] 一种数字一体化的CPT原子钟控制系统，包括微控制器(1)、多路D/A转换器(2)、温补晶振(3)、倍频电路(4)、加法器(5)、压控电流源(6)、Bias-T(7)、光电转换电路(8)、高Q值滤波器(9)以及相敏检波电路(10)；
[0006] 所述微控制器(1)用于控制温补晶振(3)的输出频率；
[0007] 控制倍频电路(4)的倍频系数和输出微波功率；
[0008] 控制高Q值滤波器(9)的通道中心频率在激光调制频率和微波调制频率之间切换；
[0009] 向相敏检波电路(10)输出参考方波：当将高Q值滤波器(9)的通道中心频率切换到激光器调制频率时，将参考方波的频率调节成与激光调制频率一致后向相敏检波电路(10)输出；当将高Q值滤波器(9)的通道中心频率切换到微波调制频率时，将参考方波的频率调节成与微波调制频率一致后向相敏检波电路(10)输出；
[0010] 高Q值滤波器(9)从光电转换电路(8)接收电压调制信号，并根据当前被切换的通道中心频率对所述电压调制信号进行滤波降噪，并送入相敏检波电路(10)；
[0011] 所述相敏检波电路(10)依据所述参考方波将调制信号检测转换成直流信号，作为锁定信号；
[0012] 所述微控制器(1)从相敏检波电路(10)接收得到的对应于激光信号的锁定信号时，对该直流电压信号进行采样并判断：当该直流电压信号大于设定值时，控制多路D/A转换器输出的直流偏置信号减小；反之，增大直流偏置信号；当接收得到的对应于微波信号的锁定信号时，对该直流电压信号进行采样并判断：当该直流电压信号大于设定值时，控制温补晶振输出的频率减小；反之，增大温补晶振输出频率；同时，控制多路D/A转换器输出与激光调制频率一致的低频调幅信号；
[0013] 所述倍频电路(4)根据所述倍频系数、输出微波功率以及从温补晶振(3)接收的输出频率，输出相应的微波信号；
[0014] 加法器(5)将多路D/A转换器(2)输出的直流偏置控制信号与所述低频调幅信号相加，送至压控电流源(6)；所述压控电流源(6)将接收的信号转换为电流信号；
[0015] 所述Bias-T(7)将微波信号、激光器偏置直流信号以及低频调幅信号的直流信号相加，输出至激光器；
[0016] 所述激光器产生被微波信号调制的激光信号；
[0017] 所述光电转换电路(8)将激光信号转换为具有激光低频调制信号和微波低频调制信号的电压调制信号。
[0018] 进一步的，还包括温控电路(11)，经由多路D/A转换器接收微控制器(1)发出的用于控制激光器工作温度和原子气室工作温度的信号。
[0019] 较佳的，所述微控制器(1)根据设定的激光频率纠偏和微波频率纠偏时间间隔，交替对高Q值滤波器(9)的两种通道中心频率进行切换。
[0020] 本发明具有如下有益效果：
[0021] (1)整个电路系统在微控制器的控制下工作，电路结构简单，调试方便。
[0022] (2)电路系统共用一个相敏检波电路，原子钟锁定时相敏检波电路为复用电路，通过软件设置可实现激光频率与微波频率的锁定，减小了电路的体积和功耗。
[0023] (3)在光电转换电路和相敏检波电路之间加入高Q值滤波器，大幅提高了电路的信噪比。
附图说明
[0024] 图1为本发明数字一体化的CPT原子钟控制系统的原理框图。
[0025] 图中：1—微控制器，2—多路D/A转换器，3—温补晶振，4—倍频电路，5—加法器，6—压控电流源，7—Bias-T，8—光电转换电路，9—高Q值滤波器，10—相敏检波电路，11—控温电路，12—激光器物理部分。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0027] 如图1所示，为本发明的数字一体化的CPT原子钟控制系统结构图，它由微控制器(1)、多路D/A转换器(2)、温补晶振(3)、倍频电路(4)、加法器(5)、压控电流源(6)、Bias-T(7)、光电转换电路(8)、高Q值滤波器(9)相敏检波电路(10)和控温电路(11)组成。
[0028] 微控制器(1)的内置D/A转换器与温补晶振(3)的压控端连接，用于控制温补晶振(3)的输出频率。其中，输出频率的大小与从相敏检波电路(10)接收得到的对应于微波信号的直流电压信号大小有关：当该信号显示频率偏大时，控制温补晶振输出的频率减小，反之，增大输出频率。微控制器1还与倍频电路(4)中的锁相环倍频芯片控制引脚和衰减器芯片的控制引脚相连，控制倍频电路(4)的倍频系数和输出微波功率；微控制器1还与高Q值滤波器(9)的开关芯片控制引脚相连，控制高Q值滤波器(9)的通道中心频率在激光调制频率和微波调制频率之间切换；微控制器1还与相敏检波电路(10)的参考方波输入端相连，控制参考方波的频率，切换激光频率锁定功能和微波频率锁定功能：当将高Q值滤波器(9)的通道中心频率切换到激光器调制频率时，将参考方波的频率调节成与激光调制频率一致后向相敏检波电路(10)输出；当将高Q值滤波器(9)的通道中心频率切换到微波调制频率时，将参考方波的频率调节成与微波调制频率一致后向相敏检波电路(10)输出。
[0029] 温补晶振(3)的输出端与倍频电路(4)的锁相环倍频芯片信号输入端相连，为倍频电路4提供10MHz信号。所述微控制器(1)从相敏检波电路(10)接收得到的对应于激光信号的锁定信号时，对该直流电压信号进行采样并判断：当该直流电压信号大于设定值时，控制多路D/A转换器输出的直流偏置信号减小；反之，增大直流偏置信号；该设定值根据期望输出的激光波长进行设定，目的是使激光器的输出波长能够维持稳定。当接收得到的对应于微波信号的锁定信号时，对该直流电压信号进行采样并判断：当该直流电压信号大于设定值时，控制温补晶振输出的频率减小；反之，增大温补晶振输出频率。该设定值根据期望输出的微波信号频率进行设定，目的是使激光器的微波信号输出频率能够维持稳定。
[0030] 多路D/A转换器的两个输出端与加法器(5)的两个输入端相连，将激光器的直流偏置控制信号与低频调幅信号相加；两个输出端与控温电路(11)相连，分别控制激光器工作温度和原子气室工作温度。加法器(5)的输出端与压控电流源(6)的控制端相连，控制电流源(6)的输出电流。倍频电路(4)的输出端、压控电流源(6)的输出端分别与Bias-T(7)的输入端连接，Bias-T(7)将微波信号与激光器偏置直流和低频调幅信号相加。Bias-T(7)的输出端与激光器(12)直流输入端相连，控制激光输出被微波信号调制后的激光信号。光电转换电路(8)将激光信号转换为具有激光低频调制信号和微波低频调制信号的电压调制信号。
[0031] 光电转换电路(8)的输出端与高Q值滤波器(9)的输入端连接，对信号进行滤波降噪。相敏检波电路(10)的输入端连接高Q值滤波器(9)的输出端，根据参考方波将调制信号检测转换成直流。微控制器(1)的内置A/D转换器输入端与相敏检波电路(10)的输出端连接，将检测得到的直流信号进行采样计算，实现微波信号和激光信号的分时频率锁定。
[0032] 控制系统上电运行后程序执行的步骤如下：
[0033] a.系统初始化；
[0034] b.设置温补晶振(3)的控制电压，设置倍频电路(4)中锁相环芯片的倍频系数和衰减器芯片的衰减系数，设置控温电路(11)的控温电压，设置激光器的偏置直流电压和低频调幅控制电压。
[0035] c.控制高Q值滤波器(9)的开关使通带中心频率与激光器低频调幅信号频率对应，同时控制输入相敏检波电路(10)的参考方波信号与激光器低频调幅信号频率相同，开启激光频率锁定功能，根据相敏检波电路(10)的输出信号采样计算结果调整加法器(5)的直流偏置电压，实现激光频率锁定。
[0036] d.控制高Q值滤波器(9)的开关使通带中心频率与微波调制信号频率对应，同时控制输入相敏检波电路(10)的参考方波信号与微波调制信号频率相同，开启微波频率锁定功能，根据相敏检波电路(10)的输出信号采样计算结果温补晶振(3)的控制电压，实现微波频率锁定。
[0037] e.设置激光频率纠偏和微波频率纠偏的时间间隔，根据该时间间隔定时重复步骤(3)和(4)，实现原子钟的稳定锁定。
[0038] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
