原子钟是一种高精度时间频率测量装置。它利用原子能级间的跃迁频率作为基准信号,可以大幅度提升时间频率的标定精度,同时还具备超高的稳定度与准确性。但目前的原子钟受限于体积与功耗,无法应对复杂的工作环境。相干布居俘获现象的出现,使得小体积低功耗芯片级原子钟的研制有了理论支撑。它在保证精度与准确度的同时,可以将功耗与体积降低至商品级范围,具备很广泛的应用前景。因此对芯片级原子钟的研究具有重要的战略意义。本文分析了国内外原子钟的发展现状,论述了芯片级原子钟的理论基础并搭建了原子钟系统的整体框架。在对微波信号源设计与实现的基础上,成功研制出原子钟频率伺服环路和芯片级原子钟样机。本文的主要工作如下:1.利用三能级系统和半经典理论对相干布局囚禁现象进行了理论推导,并在此基础上设计了芯片级原子钟系统的模块框架与电路原理。2.设计了芯片级原子钟关键部分微波信号源电路。通过搭建微波锁相环路实现4.596GHz的信号输出,并利用系统函数与工程控制理论对锁相环模块进行了数学模型搭建与原理仿真。其中,还根据微带线理论成功研制了一款中心频率在4.596GHz,压控调谐灵敏度为110MHz/V,相位噪声为-50.54dBc/Hz@300Hz的低功耗小尺寸压控振荡器。3.在微波信号源的基础上搭建了芯片级原子钟的频率伺服环路,并利用小信号调制与相敏检波的原理实现了对激光器电流与微波信号频率的锁定。通过分析检测信号相位频率变化,确定了原子钟闭环的理论依据。在对压控振荡器和锁相环电路的模块测试以及原子钟频率伺服环路与物理系统的联合测试后,我们实现了 CPT谐振峰的锁定。最后,进行芯片级原子钟样机的初步测试,得到其输出频率为9.99999999763195MHz,在1Hz频偏处相噪为-51.03dBc/Hz,1秒稳定度为1.50× 10-10,1小时稳定度优于1.0× 10-11,功耗约为200mW。