原子频标故障指示装置及原子频标的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种原子频标故障指示装置及原子频标，属于原子频标技术领域，所述装置包括：四个指示模块，分别指示原子频标的四个模块是否发生故障，每个指示模块分别包括两个指示灯，两个指示灯包括故障指示灯和正常指示灯，四个模块包括压控晶振、电子线路、物理单元中的光谱灯和物理单元中的集成滤光共振泡单元；处理模块分别与物理单元的输出端、压控晶振的输出端及四个指示模块电连接，以采集压控晶振的输出频率值以及物理单元产生的量子鉴频信号，并根据所述输出频率值及采集的所述量子鉴频信号判断所述四个模块是否发生故障，根据判断结果控制四个指示模块的指示灯工作，从而使得用户可以根据指示灯直观判断故障情况。
【专利说明】
原子频标故障指示装置及原子频标
技术领域
[0001]本实用新型涉及原子频标技术领域，特别涉及一种原子频标故障指示装置及原子频标。
【背景技术】
[0002]为获得大自然中比较稳定的时间频率，人们通过对铷、铯、氢等原子施加弱磁场，使其原子能级由基态转变为激发态，利用不受外界磁场干扰的基态超精细结构0-0跃迀中心频率作为参照时间频率值。
[0003]利用上述原理制成的原子频标主要包括以下部分:压控晶振、隔离放大器、射频倍频单元、微波倍混频单元、物理单元、伺服单元和综合单元；隔离放大器对压控晶振的输出信号进行隔离和放大，隔离放大器的输出信号经过射频倍频单元输出至微波倍混频单元，综合单元用于产生一路综合调制信号，微波倍混频单元对射频倍频单元的输出信号和综合调制信号进行倍频和混频，以产生微波探询信号;物理单元对微波探询信号进行鉴频，产生量子鉴频信号;伺服单元对量子鉴频信号进行选频放大后与参考信号进行同步鉴相，产生纠偏电压作用于压控晶振，以调整压控晶振的输出频率;通过上述结构单元，最终将压控晶振的输出频率锁定在原子基态超精细0-0跃迀中心频率上。
[0004]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:
[0005]现有原子频标在发生故障时，技术人员很难快速判断出上述原子频标中发生故障的具体器件，从而进行快速修复。
【实用新型内容】
[0006]为了解决现有技术中综合调制信号幅值不稳，进而拉偏原子频标整机的输出频率的问题，本实用新型实施例提供了一种原子频标故障指示装置及原子频标。所述技术方案如下:
[0007]—方面，本实用新型实施例提供了一种原子频标故障指示装置，所述装置包括:
[0008]四个指示模块，分别指示原子频标的四个模块是否发生故障，每个指示模块分别包括两个指示灯，所述两个指示灯包括故障指示灯和正常指示灯，所述四个模块包括压控晶振、电子线路、物理单元中的光谱灯和所述物理单元中的集成滤光共振泡单元；
[0009]处理模块，分别与所述物理单元的输出端、所述压控晶振的输出端及所述四个指示模块电连接，以采集所述压控晶振的输出频率值以及所述物理单元产生的量子鉴频信号，并根据所述输出频率值及采集的所述量子鉴频信号判断所述四个模块是否发生故障，根据判断结果控制所述四个指示模块的指示灯工作。
[0010]在本实用新型的一种实现方式中，所述处理模块，包括:
[0011]计数器、采样单元和中央处理单元，所述计数器与所述压控晶振的输出端电连接，所述采样单元与所述物理单元的输出端电连接，所述中央处理单元分别与所述计数器、所述采样单元和所述四个指示模块电连接。
[0012]在本实用新型的另一种实现方式中，所述处理模块还包括产生采样时序信号的时序控制单元，所述时序控制单元与所采样单元电连接。
[0013]在本实用新型的另一种实现方式中，所述处理模块还包括设置在所述压控晶振和所述电子线路之间的控制开关，所述控制开关与所述中央处理器单元电连接。
[0014]另一方面，本实用新型实施例还提供了一种原子频标，所述原子频标包括压控晶振、电子线路、物理单元以及原子频标故障指示装置，所述物理单元包括光谱灯和集成滤光共振泡单元；
[0015]所述原子频标故障指示装置包括:四个指示模块，分别指示所述原子频标的四个模块是否发生故障，每个指示模块分别包括两个指示灯，所述两个指示灯包括故障指示灯和正常指示灯，所述四个模块包括所述压控晶振、所述电子线路、所述光谱灯和所述集成滤光共振泡单元；
[0016]处理模块，分别与所述物理单元的输出端、所述压控晶振的输出端及所述四个指示模块电连接，以采集所述压控晶振的输出频率值以及所述物理单元产生的量子鉴频信号，并根据所述输出频率值及采集的所述量子鉴频信号判断所述四个模块是否发生故障，根据判断结果控制所述四个指示模块的指示灯工作。
[0017]在本实用新型的一种实现方式中，所述处理模块，包括:
[0018]计数器、采样单元和中央处理单元，所述计数器与所述压控晶振的输出端电连接，所述采样单元与所述物理单元的输出端电连接，所述中央处理单元分别与所述计数器、所述采样单元和所述四个指示模块电连接。
[0019]在本实用新型的另一种实现方式中，所述处理模块还包括产生采样时序信号的时序控制单元，所述时序控制单元与所采样单元电连接。
[0020]在本实用新型的另一种实现方式中，所述处理模块还包括设置在所述压控晶振和所述电子线路之间的控制开关，所述控制开关与所述中央处理器单元电连接。
[0021]在本实用新型的另一种实现方式中，所述压控晶振、电子线路、光谱灯、集成滤光共振泡单元均为模块化设计。
[0022]在本实用新型的另一种实现方式中，所述电子线路包括隔离放大器、综合单元、射频倍频单元、微波倍混频单元、伺服单元、恒流源及控温单元，所述集成滤光共振泡单元包括集成滤光共振泡、光电探测器、C场以及磁屏。
[0023]本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0024]通过采用压控晶振的输出频率值以及所述物理单元产生的量子鉴频信号，判断原子频标中压控晶振、电子线路、物理单元中的光谱灯和物理单元中的集成滤光共振泡单元四个模块是否发生故障，并通过设置四个指示模块，以指示灯来提示四个模块的故障情况，从而使得用户可以根据指示灯直观判断故障情况，能够有针对性地进行原子频标故障修复。
【附图说明】
[0025]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。
[0026]图1是本实用新型实施例提供的现有原子频标的结构示意图；
[0027]图2是本实用新型实施例提供的原子频标故障指示装置的结构示意图；
[0028]图3是本实用新型实施例提供的锁定状态示意图。
【具体实施方式】
[0029]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。
[0030]下面先结合图1对现有原子频标的基本结构进行简单介绍。该结构仅为举例，并不作为对本实用新型的限制。
[0031]如图1所示，现有原子频标包括压控晶振1、物理单元2、隔离放大器3、射频倍频单元4、微波倍混频单元5、综合单元(包括图1中数字频率合成器6和中央处理器7)、伺服单元(包括图1中选频放大单元8和同步鉴相单元9)。
[0032]其中，压控晶振I同时与中央处理器7和隔离放大器3电连接，射频倍频单元4同时与隔离放大器3、数字频率合成器6及微波倍混频单元5电连接，物理单元2同时与微波倍混频单元5、选频放大单元8电连接，中央处理器7同时与数字频率合成器6和同步鉴相单元9电连接，选频放大单元8还与同步鉴相单元9电连接。
[0033]其中，压控晶振I用于输出原始频率信号；隔离放大器3用于将压控晶振I的输出频率信号进行隔离和放大；射频倍频单元4用于对经隔离放大器3隔离放大后的信号进行倍频;微波倍混频单元5用于对经过射频倍频单元4倍频后的信号和数字频率合成器6产生的综合调制信号同时进行倍频和混频，以产生微波探询信号;物理单元2用于对微波探询信号进行鉴频，产生量子鉴频信号;选频放大单元8，用于对量子鉴频信号进行光检放大和方波整形；中央处理器7用于产生频率合成指令、调制信号以及同步鉴相参考信号;数字频率合成器6用于根据中央处理器7产生的频率合成指令和键控调频信号产生前述综合调制信号；同步鉴相单元9用于对上述经光检放大和方波整形后的物理单元产生的量子鉴频信号进行同步鉴相，产生纠偏电压作用于压控晶振1，以调整压控晶振I的输出频率;通过上述结构单元，最终将压控晶振I的输出频率锁定在原子基态超精细0-0中心频率上。
[0034]其中，物理单元2包括控温电路、微波腔、设于微波腔内的集成滤光共振泡、C场、光电探测器和磁屏、与C场电连接的恒流源、以及设于微波腔尾部的耦合环。
[0035]图2是本实用新型实施例提供的一种原子频标故障指示装置的结构示意图，参见图2，装置包括:
[0036]四个指示模块101，用于分别指示原子频标的四个模块是否发生故障，每个指示模块101分别包括两个指示灯1011，两个指示灯1011包括故障指示灯和正常指示灯，四个模块包括压控晶振、电子线路、物理单元中的光谱灯和物理单元中的集成滤光共振泡单元；
[0037]处理模块102，分别与物理单元的输出端、压控晶振的输出端及四个指示模块101电连接，用于采集压控晶振的输出频率值以及物理单元产生的量子鉴频信号，并根据所述输出频率值及采集的所述量子鉴频信号判断所述四个模块是否发生故障，根据判断结果控制四个指示模块的指示灯1011工作。
[0038]本实用新型通过采用压控晶振的输出频率值以及所述物理单元产生的量子鉴频信号，判断原子频标中压控晶振、电子线路、物理单元中的光谱灯和物理单元中的集成滤光共振泡单元四个模块是否发生故障，并通过设置四个指示模块，以指示灯来提示四个模块的故障情况，从而使得用户可以根据指示灯直观判断故障情况，能够有针对性地进行原子频标故障修复。
[0039]其中，原子频标包括压控晶振、电子线路、光谱灯、集成滤光共振泡单元均为模块化设计，例如设计为可直接拔插的模块，从而在发生故障时可以直接进行更换，以实现快速修复。
[0040]其中，电子线路包括隔离放大器、综合单元、射频倍频单元、微波倍混频单元、伺服单元、恒流源及控温单元，集成滤光共振泡单元包括集成滤光共振泡、光电探测器、C场以及磁屏。
[0041]在本实用新型实施例中，四个指示模块101可以在对应模块正常时，亮起正常指示灯，故障时亮起故障指示灯，从而对用户进行指示。
[0042]具体地，处理模块102，包括:
[0043]计数器1021，用于采集压控晶振的输出频率值；
[0044]采样单元1022，用于对物理单元产生的量子鉴频信号进行采样处理，得到采样信号；
[0045]中央处理单元1023，用于在原子频标故障时或原子频标上电的一定时间内，根据输出频率值及采样信号判断四个模块是否发生故障。
[0046]其中，计数器1021与压控晶振的输出端电连接，采样单元1022与物理单元的输出端(光电探测器)电连接，中央处理单元1023分别与计数器1021、采样单元1022及四个指示模块101电连接。
[0047]其中，原子频标故障包括上电一段时间后处于未锁定状态、脱锁状态或输出频率值不稳定等。
[0048]在本实用新型实施例，中央处理单元1023，采用如下方式判断压控晶振是否故障:在原子频标故障时或原子频标上电的一定时间内，控制压控晶振与电子线路断开；向压控晶振输入纠偏信号;根据输入纠偏信号前后压控晶振的输出频率值计算压控晶振的压控斜率;比较计算得到的压控斜率与预存的压控晶振的标准压控斜率的大小；当计算得到的压控斜率与标准压控斜率的差值超过第一阈值时，判断压控晶振故障，当计算得到的压控斜率与标准压控斜率的差值未超过第一阈值时，判断压控晶振正常。
[0049]光谱灯工作时，由于原子与灯泡中的及泡壁上微量的杂质元素起化学和物理作用，使得灯泡中的原子数量逐渐减少，此时图3中的锁定信号幅度相比于标准锁定信号会出现明显减小。特别故障时，光谱灯可能不工作(不亮)，锁定信号幅度将急剧减小。上述两种情况下，采样信号的幅值与标准锁定信号的幅值的差值均会超过第二阈值。
[0050]其中，标准压控斜率可以是出厂参数，也可以通过标定得到。
[0051]进一步地，该装置还包括设置在压控晶振和电子线路之间的控制开关，控制开关域中央处理器单元1023电连接，中央处理器单元1023通过控制控制开关打开，实现压控晶振与电子线路断开控制。
[0052]在本实用新型实施例，中央处理单元1023，采用如下方式判断光谱灯是否故障:在原子频标故障时，根据采样信号确定原子频标当前的工作状态(如图3所示)，工作状态包括锁定状态、未锁定状态和脱锁状态；当原子频标当前处于锁定状态时，比较采样信号的幅值与预先存储的标准锁定信号的幅值大小，当采样信号的幅值与标准锁定信号的幅值的差值超过第二阈值时，判断光谱灯故障，当采样信号的幅值与标准锁定信号的幅值的差值未超过第二阈值时，判断光谱灯正常。
[0053]其中，标准锁定信号的幅值是在原子频标整机稳定工作时，采样得到的。采样信号和标准锁定信号的幅值均包括高、低两种幅值。
[0054]在本实用新型实施例，中央处理单元1023，采用如下方式判断集成滤光共振泡单元是否故障:当原子频标当前处于脱锁状态时，判断集成滤光共振泡单元故障，当原子频标当前未处于脱锁状态时，判断集成滤光共振泡单元正常。
[0055]集成滤光共振泡单元故障包含集成滤光共振泡泡频变化、微波腔腔频变化、甚至磁场导致的原子不分裂。故障出现时，就看到图3中的“脱锁状态”。
[0056]需要注意的是:当原子频标上电时，有一段会处于脱锁状态，此时并非集成滤光共振泡单元故障，而是原子频标需要经过一个闭环的过程。
[0057]在本实用新型实施例，中央处理单元1023，采用如下方式判断电子线路是否故障:当原子频标当前处于未锁定状态时，判断电子线路故障，当原子频标当前未处于未锁定状态时，判断电子线路正常。
[0058]进一步地，处理模块还包括:
[0059]时序控制单元1024，用于产生一路采样时序信号，采样时序信号为频率是电子线路产生的调制信号的4倍的方波信号，采样时序信号相位可调、占空比为1:1;
[0060]采样单元1022，用于根据采样时序信号对物理单元产生的量子鉴频信号进行采样处理，得到采样信号。
[0061]其中，时序控制单元1024与采样单元1022电连接。
[0062]具体地，处理模块采用以下方式判断原子频标的当前工作状态:
[0063]时序控制单元1024产生一路采样时序信号，该采样时序信号的频率是调制信号4倍的方波信号，其相位可调、占空比为1:1;采样单元1022根据该采样时序信号对量子鉴频信号进行采样处理；中央处理单元1023根据采样信号判断此时刻所加的微波探询信号的频率与原子跃迀中心频率的关系，即判断此时刻原子频标整机系统锁定情况;具体的判定依据如图3所示，以该采样时序信号的连续4个上升沿作为触发脉冲，分别对量子鉴频信号进行采样，并将采样结果分别记录为D1、D2、D3、D4，依据所记录的四种采样电平高低不同判断原子频标整机系统是否处于锁定状态，当电平关系式为:D1 = D3并且D2 = D4时，表明原子频标整机系统处于锁定状态，若上式不成立，且Dl不等于D2，表明原子频标整机系统处于未锁定状态，若D1=D2 = D3 = D4，则原子频标整机系统处于脱锁状态。优选设置多组采样结果，根据多组采样结果判断原子频标整机系统是否处于锁定状态，以使判断结果更为准确。判断完成后，中央处理单元将整机系统工作状态输送至中央处理器。
[0064]进一步地，该装置还包括第五个指示模块(图未示出)，用于指示处理模块102是否故障，该第五个指示模块包括一个指示灯。相应地，处理模块102还包括定时器开关单元，定时器开关单元与第五个指示模块电连接，用于输出方波电平，使第五个指示模块中的指示灯进行亮灭闪烁。如果第五个指示模块中的指示灯闪烁表示处理模块102正常工作，否则表示故障。
[0065]相应地，处理模块102也采用模块化设计，从而便于更换。
[0066]本实用新型实施例提供还提供了一种原子频标，原子频标包括压控晶振、电子线路、物理单元以及如图2所示的原子频标故障指示装置，所述物理单元包括光谱灯和集成滤光共振泡单元。
[0067]本实用新型通过采用压控晶振的输出频率值以及所述物理单元产生的量子鉴频信号，判断原子频标中压控晶振、电子线路、物理单元中的光谱灯和物理单元中的集成滤光共振泡单元四个模块是否发生故障，并通过设置四个指示模块，以指示灯来提示四个模块的故障情况，从而使得用户可以根据指示灯直观判断故障情况，能够有针对性地进行原子频标故障修复。
[0068]其中，原子频标包括压控晶振、电子线路、光谱灯、集成滤光共振泡单元均为模块化设计。
[0069]其中，电子线路包括隔离放大器、综合单元、射频倍频单元、微波倍混频单元、伺服单元、恒流源及控温单元，集成滤光共振泡单元包括集成滤光共振泡、光电探测器、C场以及磁屏。
[0070]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0071]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。
【主权项】
1.一种原子频标故障指示装置，其特征在于，所述装置包括: 四个指示模块，分别指示原子频标的四个模块是否发生故障，每个指示模块分别包括两个指示灯，所述两个指示灯包括故障指示灯和正常指示灯，所述四个模块包括压控晶振、电子线路、物理单元中的光谱灯和所述物理单元中的集成滤光共振泡单元； 处理模块，分别与所述物理单元的输出端、所述压控晶振的输出端及所述四个指示模块电连接，以采集所述压控晶振的输出频率值以及所述物理单元产生的量子鉴频信号，并根据所述输出频率值及采集的所述量子鉴频信号判断所述四个模块是否发生故障，根据判断结果控制所述四个指示模块的指示灯工作。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理模块，包括: 计数器、采样单元和中央处理单元，所述计数器与所述压控晶振的输出端电连接，所述采样单元与所述物理单元的输出端电连接，所述中央处理单元分别与所述计数器、所述采样单元和所述四个指示模块电连接。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述处理模块还包括产生采样时序信号的时序控制单元，所述时序控制单元与所采样单元电连接。4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述处理模块还包括设置在所述压控晶振和所述电子线路之间的控制开关，所述控制开关与所述中央处理器单元电连接。5.—种原子频标，其特征在于，所述原子频标包括压控晶振、电子线路、物理单元以及原子频标故障指示装置，所述物理单元包括光谱灯和集成滤光共振泡单元； 所述原子频标故障指示装置包括:四个指示模块，分别指示所述原子频标的四个模块是否发生故障，每个指示模块分别包括两个指示灯，所述两个指示灯包括故障指示灯和正常指示灯，所述四个模块包括所述压控晶振、所述电子线路、所述光谱灯和所述集成滤光共振泡单元； 处理模块，分别与所述物理单元的输出端、所述压控晶振的输出端及所述四个指示模块电连接，以采集所述压控晶振的输出频率值以及所述物理单元产生的量子鉴频信号，并根据所述输出频率值及采集的所述量子鉴频信号判断所述四个模块是否发生故障，根据判断结果控制所述四个指示模块的指示灯工作。6.根据权利要求5所述的原子频标，其特征在于，所述处理模块，包括: 计数器、采样单元和中央处理单元，所述计数器与所述压控晶振的输出端电连接，所述采样单元与所述物理单元的输出端电连接，所述中央处理单元分别与所述计数器、所述采样单元和所述四个指示模块电连接。7.根据权利要求6所述的原子频标，其特征在于，所述处理模块还包括产生采样时序信号的时序控制单元，所述时序控制单元与所采样单元电连接。8.根据权利要求6所述的原子频标，其特征在于，所述处理模块还包括设置在所述压控晶振和所述电子线路之间的控制开关，所述控制开关与所述中央处理器单元电连接。9.根据权利要求5至8任一项所述的原子频标，其特征在于，所述压控晶振、电子线路、光谱灯、集成滤光共振泡单元均为模块化设计。10.根据权利要求5至8任一项所述的原子频标，其特征在于，所述电子线路包括隔离放大器、综合单元、射频倍频单元、微波倍混频单元、伺服单元、恒流源及控温单元，所述集成滤光共振泡单元包括集成滤光共振泡、光电探测器、C场以及磁屏。
【文档编号】H03L7/26GK205545206SQ201620096020
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月29日
【发明人】张霞
【申请人】江汉大学