本發(fā)明屬于量子測控，具體涉及了一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣窗口自動調(diào)節(jié)電路及方法。

背景技術(shù)：

1、原子鐘是目前最精確的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置，芯片原子鐘是大小、重量都與芯片相當(dāng)?shù)脑隅?，因其在小體積、輕重量、低功耗的同時能保證高精度的時頻輸出，因此在對體積和功耗有嚴(yán)格要求又需要較高頻率穩(wěn)定度的場景中芯片原子鐘具有廣泛的應(yīng)用前景。

2、芯片原子鐘的基本原理是相干布局囚禁(coherent?population?trapping,cpt)，芯片原子鐘通過微波調(diào)制激光器獲得相干雙色光與原子氣室中的原子作用實(shí)現(xiàn)cpt共振，獲得原子鐘所需的該原子特定能級輻射躍遷的穩(wěn)定微波頻率作為譜線信號，通過電子學(xué)器件將微波頻率轉(zhuǎn)化成實(shí)際應(yīng)用中方便使用的標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出。芯片原子鐘由物理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，物理系統(tǒng)是整個芯片原子鐘的核心，其中激光器和原子氣室又是物理系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。芯片原子鐘所用的激光器為垂直腔面發(fā)射激光器，激光器工作溫度變化將會直接導(dǎo)致激光器的輸出頻率變化，進(jìn)而影響芯片原子鐘的穩(wěn)定性。同樣，原子氣室的溫度穩(wěn)定性也將直接影響芯片原子鐘的穩(wěn)定性。由于激光器的控制電流直接影響著芯片原子鐘多普勒吸收峰的強(qiáng)度大小，壓控晶振的控制電壓更是直接影響著芯片鐘的輸出頻率。電流的伺服控制也對芯片原子鐘的穩(wěn)定性有重要影響。

3、因此，如何實(shí)現(xiàn)對芯片原子鐘溫度的精確控制與對各調(diào)制解調(diào)伺服環(huán)路信號的精確控制是目前研究領(lǐng)域至關(guān)重要的方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，即芯片原子鐘溫度的不穩(wěn)定與調(diào)制解調(diào)伺服環(huán)路的不穩(wěn)定的問題，本發(fā)明提供了一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣窗口自動調(diào)節(jié)電路，包括dac輸出電平控制子電路、輸入信號端、精密儀表放大器、數(shù)字電位器、adc采樣子電路和單片機(jī)：

2、所述單片機(jī)通過spi接口向dac輸出電平控制子電路中的dac芯片寫入目標(biāo)電壓值對應(yīng)的二進(jìn)制編碼；

3、所述spi接口用于通過串行方式使單片機(jī)與外圍設(shè)備通信；

4、所述dac輸出電平控制子電路用于將單片機(jī)的數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，其中數(shù)字量通過spi接口由單片機(jī)寫入；所述dac輸出電平控制子電路包括dac芯片；

5、所述精密儀器放大器，用于基于輸入信號進(jìn)行了放大處理；

6、連接方式包括導(dǎo)線連接和pcb電路板焊接；精密儀表放大器將輸入電壓信號放大后輸出給adc采樣子電路，adc采樣子電路采集到的信號發(fā)送給到單片機(jī)處理，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字電位器阻值以及dac輸出電壓的調(diào)節(jié)；

7、所述adc采樣子電路，用于采集精密儀表放大器的輸出電壓信號，并將采集得到的電壓信號反饋給單片機(jī)。

8、

9、進(jìn)一步的，所述芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣窗口自動調(diào)節(jié)電路，其連接方式具體包括：

10、dac輸出電平控制子電路連接精密儀表放大器的反相輸入端，輸入信號端連接精密儀表放大器的正相輸入端；數(shù)字電位器連接精密儀表放大器的增益控制端rg，精密儀表放大器的輸出端連接adc采樣子電路。

11、進(jìn)一步的，所述dac輸出電平控制子電路，其電路參數(shù)具體包括：

12、dac芯片輸出電壓

13、其中，v2表示dac芯片的參考電壓，dac芯片為a位電壓輸出芯片，輸出的電壓值大小有2^a種，單片機(jī)將dac芯片輸出電壓值對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)x1通過spi接口寫入dac芯片中。

14、進(jìn)一步的，所述數(shù)字電位器，其工作原理具體包括：

15、用于通過改變數(shù)字電位器中的電阻值控制精密儀表放大器的放大倍數(shù)；

16、減小數(shù)字電位器中的電阻值時，精密儀表放大器的放大倍數(shù)增大；

17、增大數(shù)字電位器中的電阻值時，精密儀表放大器的放大倍數(shù)減小。

18、數(shù)字電位器亦稱數(shù)控可編程電阻器，它采用數(shù)控方式調(diào)節(jié)電阻值，具有使用靈活、調(diào)節(jié)精度高、無觸點(diǎn)、低噪聲、不易污損、抗振動、抗干擾、體積小、壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)；

19、進(jìn)一步的，所述通過改變數(shù)字電位器中的電阻值控制精密儀表放大器的放大倍數(shù)，具體包括：

20、放大倍數(shù)

21、其中，r表示數(shù)字電位器的電阻值，100kω是精密儀表放大器本身內(nèi)部電路的固定電阻值。

22、進(jìn)一步的，所述adc采樣子電路，采用精度為12位的adc采樣芯片，其電路參數(shù)具體包括：

23、所述12位adc采樣子電路的電壓采樣值的數(shù)字量為4096為2的12次方；

24、則輸入信號的電壓值為

25、其中，v3為12位的adc采樣芯片的采樣參考電壓。

26、進(jìn)一步的，所述一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣電路自動調(diào)節(jié)電路還可以采集溫度，具體包括：

27、根據(jù)元器件的溫度t與輸入信號電壓值v之間的關(guān)系將adc采樣的電壓值v3轉(zhuǎn)化為元器件的溫度t；

28、所述元器件的溫度t與輸入信號電壓值v之間的關(guān)系為v＝k×t；

29、其中k為元器件的溫度t與輸入信號電壓v之間的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

30、進(jìn)一步的，所述單片機(jī)，具體包括msp430單片機(jī)。

31、msp430系列單片機(jī)是一種16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器。

32、本發(fā)明的另一方面，提出了一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣窗口自動調(diào)節(jié)方法，所述方法包括：

33、步驟s10，通過將adc采樣子電路的采樣窗口調(diào)到滿量程，搜尋輸入信號；

34、步驟s20，當(dāng)輸入信號不在adc采樣子電路的采樣窗口內(nèi)時，移動adc采樣窗口位置，直至adc采樣窗口可以捕獲到輸入信號；進(jìn)入步驟s30；

35、步驟s30，通過pid算法動態(tài)調(diào)節(jié)adc采樣子電路的采樣窗口的位置，保持對輸入信號的持續(xù)跟蹤，將輸入信號維持在adc采樣窗口內(nèi)；

36、步驟s40，在輸入信號電壓滿足設(shè)定的波動范圍后，通過增大數(shù)字電位器的電阻值，減小精密儀表放大器的放大倍數(shù)，通過dac輸出電平控制子電路控制dac輸出電平，使得adc采樣子電路的采樣窗口收窄的同時讓adc采樣窗口可以完整的接收輸入信號；

37、所述adc采樣子電路的采樣窗口收窄為adc采樣子電路采樣的范圍縮小；

38、步驟s50，記錄輸入信號的最大值與最小值，調(diào)節(jié)dac輸出電平與數(shù)字電位器中的電阻，直至輸入信號波段范圍分布在采樣窗口預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。

39、進(jìn)一步的，所述設(shè)定的波動范圍，具體包括：

40、當(dāng)連續(xù)一定數(shù)量輸入信號電壓的最大最小值之差都處在一個設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)值范圍時，其波動范圍達(dá)到要求。

41、本發(fā)明的有益效果：

42、(1)本發(fā)明通過自動調(diào)節(jié)adc采樣窗口的位置與大小，實(shí)現(xiàn)電平信號的跟蹤與精確采集；

43、(2)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了芯片原子鐘物理系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性提高以及調(diào)制解調(diào)信號伺服環(huán)路的穩(wěn)定性提高。

技術(shù)特征：

1.一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣窗口自動調(diào)節(jié)電路，其特征在于，包括dac輸出電平控制子電路、輸入信號端、精密儀表放大器、數(shù)字電位器、adc采樣子電路和單片機(jī)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣電路自動調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣窗口自動調(diào)節(jié)電路，其連接方式具體包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣電路自動調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述dac輸出電平控制子電路，具體包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣電路自動調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述數(shù)字電位器，其工作原理具體包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣電路自動調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述通過改變數(shù)字電位器的電阻值控制精密儀表放大器的放大倍數(shù)，具體包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣電路自動調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述adc采樣子電路，采用精度為12位的adc采樣芯片，其電路參數(shù)具體包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣電路自動調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣電路自動調(diào)節(jié)電路還可以采集溫度，具體包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣電路自動調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述單片機(jī)，具體包括msp430單片機(jī)。

9.一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣窗口自動調(diào)節(jié)方法，基于上述權(quán)利要求1-7任一項所述的一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣窗口自動調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述方法包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種芯片原子鐘內(nèi)部adc采樣電路自動調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述設(shè)定的波動范圍，具體包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于量子測控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種芯片原子鐘內(nèi)部ADC采樣窗口自動調(diào)節(jié)電路及方法，旨在解決芯片原子鐘溫度的精確控制與對各調(diào)制解調(diào)伺服環(huán)路信號的精確控制的問題。本發(fā)明包括：DAC輸出電平控制子電路、輸入信號端、精密儀表放大器、數(shù)字電位器和ADC采樣子電路；DAC輸出電平控制子電路連接精密儀表放大器的反相輸入端，輸入信號端連接精密儀表放大器的正相輸入端；數(shù)字電位器連接精密儀表放大器的增益控制端，精密儀表放大器的輸出端連接ADC采樣子電路。本發(fā)明能夠?qū)π酒隅姷臏囟炔杉疉DC窗口以及解調(diào)信號的ADC采集窗口進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，提升芯片原子鐘激光器與原子氣室的溫度控制能力以及激光電流和壓控晶振電流的伺服控制能力。

技術(shù)研發(fā)人員：柏岱冰,薛瀟博,吳晨,劉夢,呂宇濤,林再盛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京無線電計量測試研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8