[发明专利]恒温晶体振荡器高精度频率控制装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及恒温晶体振荡器(OCXO)的高精度频率控制方法，适用于原子频标等对输出频率信号的控制分辨率和稳定度要求较高的领域。

背景技术

晶体振荡器作为频率信号源被广泛使用。按照工作原理，晶体振荡器可以分为温度补偿式晶体振荡器(TCXO)、电压控制式晶体振荡器(VCXO、恒温控制式晶体振荡器(OCXO)等几种类型。其中，恒温晶体振荡器具有低相位噪声、高稳定度的优点，因而可以作为本机振荡器应用在守时和授时的原子钟系统上。

如博士论文《铷原子喷泉钟的运行和性能评估》中所示，对恒温晶体振荡器的电压控制可以通过采用数据采集卡输出的16位DAC信号与精密参考电压构成的比例加法电路来实现，选择合适的比例系数(1/20或1/15)会使比例电路在一定程度上提高控制电压的分辨率，并完成对恒温晶体振荡器的控制，对应恒温晶体振荡器(型号：BVA-8607，电压分数频率系数：6×10^-9/V)输出频率信号短期稳定度最好达到1.1×10^-13(@average time:4s)。然而，这个频率稳定度指标未能达到该恒温晶体振荡器标称的频率稳定度极限，偏大的频率噪声会通过微波综合链传递给原子频标的鉴频频率，由于本机振荡器噪声的频率下转换会影响周期性鉴频的原子频标的频率稳定度(Dick效应)。另外，采用这种比例电路也会缩小实际输出电压的可调范围。因而需要研制更加精密且范围更宽的电压控制单元，来改善受控的恒温晶体振荡器的短期频率稳定度，进而改善原子频标输出频率的稳定度。

发明内容

本发明的目的是旨在解决现有技术中恒温晶体振荡器频率稳定度较差的问题，提高恒温晶体振荡器控制电压的分辨率，改善恒温晶体振荡器输出频率的短期稳定度。

为了解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案：

一种恒温晶体振荡器高精度频率控制装置，其特点在于，包括控制电脑、MCU单片机、高精度数字模拟转换器(DAC)和恒温晶体振荡器；

所述控制电脑通过串口连接线与所述MCU单片机的RXD端口连接，所述MCU单片机的3个I/O端口分别通过连接线与所述高精度数字模拟转换器的3个数字控制端口连接，该高精度数字模拟转换器的模拟电压输出端与所述恒温晶体振荡器的电调控制端口连接。

还包括⁸⁷Rb原子喷泉装置，该⁸⁷Rb原子喷泉装置的输入端与所述的恒温晶体振荡器的频率输出端相连，其输出端与所述的控制电脑相连。

一种利用所述的恒温晶体振荡器高精度频率控制装置对恒温晶体振荡器进行高精度频率控制的方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

①通电后进行初始化指定字符、数字控制电压值Dn、高精度数字模拟转换器由参考电压输入端接收参考电压；

②控制电脑将该数字控制电压值Dn转化为串行指令输出到MCU单片机的RXD端口；

③MCU单片机对输入的串行指令进行判断：

当该串行指令的首字符是指定字符时，将该串行指令转化为三通道24bit的二进制指令并输出给高精度数字模拟转换器，进入步骤④，否则，不输出任何指令；

④高精度数字模拟转换器产生与指定字符对应的模拟电压量，并输入恒温晶体振荡器的电调控制端口，以控制恒温晶体振荡器的频率输出。

该方法还包括步骤⑤，用⁸⁷Rb原子喷泉的跃迁谱线对恒温晶体振荡器频率进行鉴频，并将误差信号传输到控制电脑，控制电脑根据比例和积分反馈机制更新恒温晶体振荡器的控制电压，从而将恒温晶体振荡器输出频率锁定。

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

(1)DAC电压输出时延

本发明采用一旦通过LabVIEW程序写给单片机控制指令，受控的DAC就同步更新输出电压的控制方式。在这种控制方式下，电平由低电平拉高时，DAC输出电压将更新。如图2所示，DAC电压切换相对于的时延约为4μs，这远远小于我们实验室冷原子频标的反馈周期(3.5s)，因而能够满足实验需要。

(2)恒温晶体振荡器输出频率的稳定度