[发明专利]用于汞离子微波频标荧光探测的差分式信号甄别电路

说明书

技术领域

本发明涉及汞离子微波频标荧光探测技术领域，尤其涉及一种用于汞离子微波频标荧光探测的差分式信号甄别电路。

背景技术

汞离子微波频标是一种新型的被动型原子频标，其物理系统采用囚禁离子物理体系，不同于传统微波频标的物理系统，它通过加在特定构型的阱电极上的静电、磁场或射频场，将作为工作物质的汞离子，长时间地约束在恒定的、几乎无电磁干扰的的超高真空区，处于上述条件下的离子，具有基本不受实物粒子和场的影响、运动效应小和量子态相干时间长等内在特点，各种频移很小。同时，囚禁的汞离子作为工作物质，其对空间环境中的温度和磁场变化相对不敏感，具有很强的环境适应性。汞离子基态的超精细结构分裂大（40.5GHz），离子囚禁在超高真空中的“自由空间”里，无器壁、杂质粒子的碰撞，钟跃迁谱线线宽极窄（可达毫赫兹），Q（品质因数）值高。汞离子微波频标因囚禁离子体系和汞离子自身的特点，具有优异的长期稳定度和极低的漂移率，并且能够长期连续运行，易于小型化，是新一代高性能地面守时和星载原子钟的首选。

汞离子微波频标工作原理如下：本地振荡器发出10MHz频率信号，并经过频率综合器，产生频率在钟跃迁频率（约40.5GHz）附近的微波辐射场；再利用汞同位素谱灯进行光抽运选态，实现光-微波双共振，使汞离子发出钟跃迁荧光；钟跃迁荧光信号的强度代表汞离子与微波相互作用时的跃迁几率，能够反映微波辐射场频率与钟跃迁频率偏差的大小；通过频率偏差产生纠偏电压对本地振荡器的频率进行反馈控制，使本地振荡器输出频率锁定在汞离子的钟跃迁谱线上，实现稳定的频率输出。其电子系统包括离子囚禁系统以及荧光探测和控制系统。荧光探测系统检测囚禁离子阱中的离子在抽运光的作用下自发辐射的荧光信号，通过光电倍增管转换成微弱电信号。弱电信号为高速负脉冲信号，通过荧光采集、放大、以及信号电压甄别，将弱荧光信号装换成高信噪比的压控信号，用于锁定恒温晶振频率。因此，在整个频标的电子系统中，囚禁离子的荧光探测是非常重要的环节，荧光信号的信噪比直接影响汞离子微波频标的性能指标。

目前，汞离子微波频标实验系统采用商用前置放大器将光电倍增管输出信号放大，再利用商用光子计数器对信号进行计数，最后利用计算机软件LABVIEW控制数据采集卡得到本振晶振的电压控制信号，其系统庞大、稳定性差。为研制高性能、小型化汞离子微波频标，本发明研制了一种用于汞离子微波频标荧光探测的差分式信号甄别电路取代传统商业仪器，差分信号能被可编程逻辑器件直接采集，使整个荧光光子的数据采集单元数字化、集成化，具有体积小、重量轻的特点，大大降低了整个电路的功耗，进一步提高了汞离子微波频标系统中荧光信号的采集精度，为实现小型化汞离子微波频标应用奠定技术基础。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在缺点和不足，提供一种用于汞离子微波频标荧光探测的差分式信号甄别电路。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括现有的荧光放大电路、荧光采集装置和直流稳压电源；

设置有反相模块、驱动模块、电压参考模块、差分甄别模块和电平转换模块；

其连接关系是：

荧光放大电路、反相模块、驱动模块依次连接，驱动模块输出端接入差分甄别模块的正输入端，差分甄别模块通过电平转换模块将得到的高速差分信号送入荧光采集装置；

直流稳压电源为反相模块、驱动模块、电压参考模块、差分甄别模块和电平转换模块供电，电压参考模块和差分甄别模块的负输入端连接，提供一种精准的参考电压。

与现有技术相比，本发明具有下列优点和积极效果：

①与一种单光子计数放大/甄别电路（CN201110200406）相比，本发明更具体地针对甄别电路，利用了较低功耗的差分式信号处理方法，在差分甄别模块添加了迟滞回路，具有更强的抗干扰能力和降噪功能；驱动模块以及参考电压模块的添加与改进使整个电路具有更强的实用性，能匹配不同状况下的信号；

②电路输出的差分信号可直接由可编程逻辑器件构成的荧光采集装置采集，摒弃了商用仪器，为整个荧光探测系统的小型化奠定了基础；

③荧光探测过程中，荧光信号是脉宽约2.5ns高速不规则信号，本发明能够将荧光放大电路输出的高速模拟信号转换成数字脉冲信号，数字信号具有更高的信噪比，能提高后级荧光采集精度；

④差分式信号甄别电路通过R₂₂电阻和R₂₃电阻构成迟滞差分比较器，能在一定程度上增强高速信号的抗干扰能力，进一步提高采集精度。