铷原子钟温度补偿技术研究

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1、2012年8月宇航计测技术Au“2012第32卷第4期JournalofAstronauticMetrologyandMeasurementV01．32．No．4文章编号：i000—7202(2012)04—0021—04中图分类号：TH935．115文献标识码：A铷原子钟温度补偿技术研究任良崔敬忠陆防涂建辉张金海(兰州空间技术物理研究所，兰州730000)摘要利用直接数字频率合成器AD9852设计并制备了一种铷原子钟的温度补偿电路，该电路能够在不降低铷原子钟输出频率短期稳定度的基础上，有效地减小了铷钟的温度系数。关键词数字式频率合成器铷钟温度补偿温度系数TheRes

2、earchonTemperatureCompensationTechnologyofaRubidiamAtomicClockPENLiangCUIJing-zhongLUFangTUJiau··huiZHANGJin·-hai(LanzhouSpaceTechnologyandPhysicsInstitute，Lanzhou730000)AbstractAtemperaturecompensatingcircuitofarubidiumatomicclockisdesignedbasedonDDS，AD9852．Temperaturecoefficientofther

3、ubidiumatomicclockcanbeimprovedeffectivelyonthebasisofnon—deteriorationofitsshorttermstabihty．KeywordsDigitalfrequencysynthesizerRubidiumatomicclockTemperaturecompensationTemperaturecoefficient1引言铷原子钟具有体积小、质量小、功耗小、价格低、寿命长、可靠性高等特性，因而广泛应用于守时授时、导航定位、通信基站设备、高稳仪器设备、机载、导弹甚至单兵装备等领域⋯。但是，铷原子钟由于本

4、身物理结构，如Rb光谱灯、腔泡系统和倍频电路等组成部分对温度非常敏感，从而使温度成为了制约铷原子钟性能进一步提高的一个主要原因”o。为此，利用单片机控制直接数字频率合成器，设计了一种铷原子钟的温度补偿电路，测量和比较了补偿前后铷钟温度系数的变化。实验结果表明，所设计的电路具有良好的温度补偿功能。2温度补偿原理该温度补偿原理的框图如图1所示。文中，被补偿的频率源为商用铷钟。由于铷钟输出频率的误差譬随温度变化而变化，所以首先测量得到被补偿商用铷钟输出频率工的温度特性笋r)，然后单片祝根据笋r)，在不同的温度下向收穑13期：2012一01—20，修回日期：2012—03—1

5、6作者简介：任良(1987一)，男，在读硕士研究生．主要研究方向：原子频标技术。宇航计测技术2012芷直接数字频率综合罂温度传感罂图1单片机温度补偿原理框图AD9852发送不同的频率控制字FCW来减小AD9852输出频率五的准确度的变化，即减小频率，2的温度系数，从而达到温度补偿的目的。3补偿电路设计3．1硬件电路设计温度补偿电路原理框图如图2所示。图2温度补偿电路原理框图其中，单片机PICl6F877A通过两线SPI方式与AD9852进行通信；74LVC4245A负责进行5V一3．3v电压转换；DSl8820是一款数字式的温度传感器，其负责测量商用铷钟的基板温度值，

6、PICl6F877A通过单总线方式与DSl8820进行通信；由于AD9852自身不带有低通滤波器，所以需要在AD9852的输出部分加入低通滤波器以滤除谐波和改善信号相噪。而且，AD9852的输出是弱小信号，所以需要放大器对其进行放大。对AD9852的低通滤波器采用了7阶椭圆滤波器”J，其电路图如图3所示。放大器采用的是Mini公司的一款单片集成微波放大器ERA一3SM，其增益为20dB左右。圉37阶椭圆滤波器图在AD9852内部对商用铷钟的10MHz频率进行8倍频，这样AD9852的参考时钟频率为80MHz，工作模式为单音模式(Single—ToneMode)。由于D

7、DS内部时钟信号会发生泄漏，并且与输出频率的谐波产生差频，而该差频信号．无法用滤波器滤除”o，所以不能使AD9852的输出继续保持IOMHz，于是将其设置为10．23MHz。此时，AD9852输出频率的相对分辨力为击×百：堂堑_：2．778×10一(1)23MH2柏610．z一‘“、7因为在进行温度补偿的(10—40)℃温度范围内，该商用铷钟输出频率的误差随温度的变化范围为10。11量级，所以AD9852的频率分辨力可以满足对该铷钟的频率准确度进行温度补偿。由于该温度补偿电路是混合信号电路，而且补偿后信号频率要有良好的短稳，所以在进行PCB设计时要注