【摘 要】
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原子钟作为一种准确度高、稳定性好的时间频率标准,广泛地应用于通信和导航系统中,但传统的原子钟由于体积和功耗大,使其发展具有一定的局限性。为实现小型化的原子钟,基于铷原子气室和相干布居囚禁（Coherent Population Trapping,CPT）原理,设计研发了一种芯片级原子钟控制系统,并对系统性能进行测试。以下为主要研究内容:（1）基于CPT原理研发芯片级原子钟控制系统,提出系统的整体结
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（ZLJC1710）；
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原子钟作为一种准确度高、稳定性好的时间频率标准,广泛地应用于通信和导航系统中,但传统的原子钟由于体积和功耗大,使其发展具有一定的局限性。为实现小型化的原子钟,基于铷原子气室和相干布居囚禁（Coherent Population Trapping,CPT）原理,设计研发了一种芯片级原子钟控制系统,并对系统性能进行测试。以下为主要研究内容:（1）基于CPT原理研发芯片级原子钟控制系统,提出系统的整体结构,确定系统关键物理器件的性能参数,明确系统中各项控制功能和技术指标,设计完成闭环控制系统,并对温度控制、激光器驱动、微波信号控制和光电检测等功能进行分析。（2）设计系统的控制电路并实现相应的控制功能。为提供系统的工作温度,控制半导体热电制冷器（Thermo Electric Cooler,TEC）实现激光器的温度控制、控制ITO薄膜电阻实现原子气室的外部加热。为使激光器产生相干激光,利用DAC驱动激光器输出光信号;设计并比较振荡器和锁相环两种3.4GHz微波信号发生电路,调制激光器驱动电流,并利用仿真工具对微波电路进行仿真优化。为调节激光边带的能量分布,设计PIN二极管电调衰减电路,实现3.4GHz微波信号功率变化。设计电流/电压转换电路和分频电路,实现光电探测信号的处理。（3）编写系统的软件控制算法实现激光器频率和微波频率的误差纠偏。激光器环路利用幅度调制方法,微波环路利用2FSK频率调制方法。设计数字锁相放大器对调制信号进行相敏解调,通过PID控制算法进行误差量的反馈调节,实现两个频率信号的锁定。（4）搭建芯片级原子钟测试系统,编写系统的上位机通讯软件。测量系统10MHz晶振输出信号的频率稳定度为1.36×10-11/300s,其相位噪声低于-125d Bc/Hz。探索了原子钟小型化的方向,搭建了芯片级原子钟系统,初步实现了原子钟控制系统的各项功能。
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