本实用新型涉及原子钟技术领域，特别是涉及一种原子钟原子跃迁信号采集系统。
背景技术：
原子钟是一种重要的原子频标设备，特别是氢原子钟和铯原子钟普遍应用在大量的需要高精度时间的尖端技术领域。频率的高度稳定性是决定任何一种原子钟的实际性能的最重要的指标之一。原子钟的输出频率的稳定程度的测量系统则是用来实际测量原子钟的工作频率的实际稳定度定量指标的专用的电子设备。
原子钟的理论基础是根据原子跃迁频率的不变性，利用微波源信号源激励原子跃迁，并将该微波源输出频率锁定至原子的跃迁频率上，使其获得较高的稳定度与准确度。铯原子与微波信号作用的场所即铯原子钟的物理谐振器，是铯原子钟物理系统的重要组成部分。作用于谐振器的微波源通常是由一恒温晶体振荡器经频率合成技术倍频至原子跃迁频率，一个高性能的微波频率合成器是进行谐振器测试工作的前提条件，频率合成器的频率建立时间、噪声指标、相位跟踪能力及不稳定度会对谐振器特性测试产生直接影响。频率合成技术经历的长足的发展如今已经衍生出多种频率合成方案，但现有的频率合成技术都有或多或少的缺点，不易满足飞速发展的电子系统需求。
技术实现要素：
本实用新型解决了现有技术中微波源存在参数调节繁琐，操作不直观，以及测试时需要依赖其他仪器观测跃迁谱线，无法与微波源输出频率精确匹配，硬件参数调节不够精确的问题。
本实用新型采用的技术方案如下：
一种原子钟原子跃迁信号采集系统，包括上位机、微控制器、微波频率综合器、谱线采集模块；上位机通过usb模块向微控制器传输控制指令；微控制器接收控制指令，对微波频率综合器进行调制；微波频率综合器根据调制结果，输出谐振信号到原子钟物理系统；原子钟物理系统内原子发生能级跃迁，输出跃迁信号到谱线采集模块；谱线采集模块将采集到的跃迁信号通过usb模块传输至上位机。
进一步地，所述微波频率综合器包括中频调制模块和射频链路模块，中频调制模块与微控制器连接，微控制器通过接收上位机的控制指令控制中频调制模块；中频调制模块对信号进行调制后输出到射频链路模块；射频链路模块输出谐振信号到原子钟物理系统。
进一步地，所述微波频率综合器采用10mhz恒温晶振作为基准信号。
进一步地，所述微控制器包括第一锁相环路和第二锁相环路；
200mhz倍频模块为第一锁相环路，10mhz基准信号经20倍频后作为第一锁相环路的参考与鉴相信号；200mhz信号经滤波后分成两路，一路用作中频调制模块的参考信号，另一路送入梳状谱发生器经带通滤波器获得9.2ghz信号；
第二锁相环路将介质振荡器输出的9192.6mhz信号与9.2ghz信号进行混频，混频后经低通滤波器与放大器所得到的中频信号与中频调制模块产生的7.368mhz信号进行鉴相，从而对介质振荡器的输出信号进行调节；介质振荡器的输出信号经功分器分为两路，除混频外还有一路送入增益控制模块经过信号功率的调节后送入原子钟物理系统。
进一步地，所述微控制器采用stm32芯片。
进一步地，所述中频调制模块采用ad9854芯片，集成了dds功能。
进一步地，所述谱线采集模块工作时与ad9854芯片输出信号频率匹配，通过adc转换配合dma传输的方式传输跃迁信号。
进一步地，stm32芯片pc0-pc7引脚分别与ad9854芯片d0-d7引脚连接，stm32芯片pc8-pc13引脚分别与ad9854芯片a0-a5引脚连接。
进一步地，所述原子钟物理系统包括依次连接的铯炉、用于能级选择的选态部分、铯原子与微波信号作用的谐振器及原子跃迁信号的探测区。
进一步地，伺服控制系统根据原子跃迁信号产生误差信号对10mhz恒温晶振纠偏。
本实用新型谱线采集模块与中频调制模块受同一微控制器控制进行原子跃迁信号的采集，采集结果与系统当前输出匹配以提高测试结果精度，并将采集结果经usb传输至上位机完成跃迁谱线绘制。本实用新型的有益效果在于解决了现有谐振器测试过程调节复杂，需要多环路配合的问题，简化了谐振器的测试工作。
附图说明
图1为本实用新型原子跃迁信号采集系统结构框图；
图2为本实用新型微波频率综合器电路结构框图；
图3为stm32与ad9854引脚连接图；
图4为铯原子钟结构框图。
具体实施方式
本实用新型提供了一种原子钟原子跃迁信号采集系统，通过上位机、基于stm32芯片控制的中频调制模块与谱线采集模块结合的方式，在上位机即可完成硬件参数调节以调制微波频率综合器输出并完成跃迁谱线的绘制。简化了谐振器测试工作，可应用于铯原子钟物理谐振器的高效准确的测试。下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行进一步的详细描述。
图1为原子跃迁信号采集系统结构框图，包括上位机、微控制器(单片机)、微波频率综合器、谱线采集模块，其中微波频率综合器包括中频调制模块和射频链路模块。通过在上位机可控制中频调制模块输出模式及参数，进而调制微波频率综合器硬件，使其输出的9.192ghz谐振信号满足原子钟谐振器特性测试要求。
微波频率综合器的电路结构框图如图2所示。电路使用10mhz恒温晶振作为基准信号，采用双模拟锁相环与双倍频器结构，电路可分为200mhz倍频模块、9.2ghz倍频模块、9.192ghz介质振荡器与锁相环模块、增益控制模块。模拟锁相环分频系数为1，相比于数字锁相环其具有快的锁定速度及更好的相位跟踪能力，环路中的混频器可用于鉴相并提高鉴相频率，通过提高鉴相频率可有助于减小相位噪声，这些特性对谐振器激励十分重要。
200mhz倍频模块为第一锁相环路，10mhz基准信号经20倍频后作为该环路的参考与鉴相信号。该环路将10mhz至9.2ghz的920倍倍频拆分为20与46倍频。200mhz信号经滤波后一路用作dds的参考信号，一路送入梳状谱发生器经带通滤波器获得9.2ghz信号，一路送入环路鉴相器。
第二锁相环路将介质振荡器(dro，dielectricresonatoroscillator)输出的9.192ghz信号与9.2ghz信号进行混频，混频后经低通滤波器与放大器所得到的中频信号与dds产生的7.368mhz信号进行鉴相，从而调节介质振荡器使其输出更精确的9.19263177ghz信号。介质振荡器输出信号经功分器分为两路，除混频外还有一路送入增益控制模块经过信号功率的调节后送入谐振腔。
在环路中加入dds(directdigitalsynthesis，直接数字频率合成)模块可以满足微波频率综合器在谐振器测试及伺服控制阶段所需要的三角波、方波调制需求，且可辅助增益控制模块进行功率调节。除此之外利用dds频率捷变速度快、频率精度高的特点可提高环路输出频率分辨率，并利用锁相环抑制dds输出杂散。
微控制器采用stm32单片机，优选采用stm32f103芯片。
中频调制模块采用adi公司生产的ad9854芯片，ad9854是一种高集成度dds频率合成器，集成有可编程时钟倍频器、正余弦波形存储表、48bit相位累加器、反sinc滤波器、用于频率、相位、幅值编程的乘法器、两路12bit正交模数转换器等。
ad9854芯片并行模式下采用六位地址线，八位双向数据线，可独立进行读写控制，一次写操作可访问任意寄存器，i/o操作速度可达10.5ns每次，相对于串行模式速度有较大提升。本系统使用并行编程模式，stm32与ad9854芯片连接如图3所示，程序使用keil5单片机开发工具和c语言实现。
中频调制模块主要功能为控制ad9854进行线性扫频、跳频、点频模式输出以及输出信号频率、幅值等参数的控制。该模块设置的具体数据需要上位机软件配置，通过usb模块接收并提取关键数据，因此本模块按照控制功能封装成不同函数，函数对外暴露关键参数，方便上级模块调用。主要功能函数有ad9854芯片初始化函数、数据写入函数、频率控制字计算函数、工作模式控制函数。现对其关键部分进行分析。
谱线采集模块主要负责采集铯原子物理系统经微波作用后原子跃迁信号的采集，采集到的数据经usb发送至上位机。模块在工作时应与ad9854输出信号频率匹配，为减少等待时间，降低对频率更新的影响，使用adc转换配合dma传输的方式实现，该方式可在adc转换完成后无需cpu干预将结果传输至指定内存区域。
stm32f103芯片拥有3个12位逐次逼近型adc，每个adc有18个通道，可以采集16路外部信号以及两路内部信号，系统使用gpio作为adc1的外部输入，将待采集信号与gpiob_pin1连接，将gpio引脚配置为gpio_mode_ain模拟输入模式。
直接存储器访问(directmemoryaccess，dma)是一种无须cpu干预的数据传输方式。stm32f103有dma1和dma2两个控制器，共有12个独立的、支持外部触发或软件触发的通道，本实用新型使用的dma1有7个通道。每个通道可独立配置用来处理对应外设的存储器访问请求，完成固定地址的外设寄存器和存储器间的dma配置。各个dma请求的优先级通过仲裁器协调，同一dma模块上不同请求的优先级可以通过软件设置为4种等级，等级相同时由硬件决定。闪存、sram、外设的sram、apb1、apb2和ahb外设均可以作为dma传输的请求或目标地址。
在具体实施例中铯原子钟采用被动型原子钟，其结构框图如图4所示，包括微波频率综合系统、伺服控制系统和原子钟物理系统。原子钟物理系统由产生铯原子束的铯炉、用于能级选择的选态部分，铯原子与微波信号作用的谐振器及原子跃迁信号的探测区组成。伺服控制系统根据原子跃迁信号产生误差信号对晶体振荡器纠偏。微波频率综合系统由5mhz或10mhz的晶体振荡器和频率综合器组成，晶体振荡器一路送入频率综合器用于倍频至原子跃迁频率，一路经纠偏后的基准信号输出用于日常使用。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
1.一种原子钟原子跃迁信号采集系统，其特征在于，包括上位机、微控制器、微波频率综合器、谱线采集模块；上位机通过usb模块向微控制器传输控制指令；微控制器接收控制指令，对微波频率综合器进行调制；微波频率综合器根据调制结果，输出谐振信号到原子钟物理系统；原子钟物理系统内原子发生能级跃迁，输出跃迁信号到谱线采集模块；谱线采集模块将采集到的跃迁信号通过usb模块传输至上位机。
2.如权利要求1所述的一种原子钟原子跃迁信号采集系统，其特征在于，所述微波频率综合器包括中频调制模块和射频链路模块，中频调制模块与微控制器连接，微控制器通过接收上位机的控制指令控制中频调制模块；中频调制模块对信号进行调制后输出到射频链路模块；射频链路模块输出谐振信号到原子钟物理系统。
3.如权利要求2所述的一种原子钟原子跃迁信号采集系统，其特征在于，所述微波频率综合器采用10mhz恒温晶振作为基准信号。
4.如权利要求3所述的一种原子钟原子跃迁信号采集系统，其特征在于，所述微控制器包括第一锁相环路和第二锁相环路；
200mhz倍频模块为第一锁相环路，10mhz基准信号经20倍频后作为第一锁相环路的参考与鉴相信号；200mhz信号经滤波后分成两路，一路用作中频调制模块的参考信号，另一路送入梳状谱发生器经带通滤波器获得9.2ghz信号；
第二锁相环路将介质振荡器输出的9192.6mhz信号与9.2ghz信号进行混频，混频后经低通滤波器与放大器所得到的中频信号与中频调制模块产生的7.368mhz信号进行鉴相，从而对介质振荡器的输出信号进行调节；介质振荡器的输出信号经功分器分为两路，除混频外还有一路送入增益控制模块经过信号功率的调节后送入原子钟物理系统。
5.如权利要求4所述的一种原子钟原子跃迁信号采集系统，其特征在于，所述中频调制模块采用ad9854芯片，集成了dds功能。
6.如权利要求5所述的一种原子钟原子跃迁信号采集系统，其特征在于，所述谱线采集模块工作时与ad9854芯片输出信号频率匹配，通过adc转换配合dma传输的方式传输跃迁信号。
7.如权利要求4所述的一种原子钟原子跃迁信号采集系统，其特征在于，所述原子钟物理系统包括依次连接的铯炉、用于能级选择的选态部分、铯原子与微波信号作用的谐振器及原子跃迁信号的探测区。
8.如权利要求7所述的一种原子钟原子跃迁信号采集系统，其特征在于，伺服控制系统根据原子跃迁信号产生误差信号对10mhz恒温晶振纠偏。
技术总结