[发明专利]基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置及方法

说明书

本发明提供了一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置，包括温度控制模块，温度控制模块与温度采集模块和恒温模块连接，温度控制模块采用PIC单片机，温度采集模块包括一组热敏电阻，通过信号调理电路接入PIC单片机的模/数转换器ADC，恒温模块包括TEC和ITO加热膜，TEC和ITO加热膜通过驱动电路与PIC单片机的数/模转换器以及PWM连接，该装置体积小、功耗低，能够改善目前模拟电路结构复杂、精度低、可控性差、稳定性差的现状，解决FPGA电路体积大、功耗高、调整不方便的问题。本发明同时提供了一种主动温控方法，采用主动性温控，实现PID算法自动主动温控，响应快速、精度高。

技术领域

本发明涉及一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置及方法，适用于高集成度、高性能的芯片级原子钟，属于原子钟技术领域。

背景技术

原子钟是一种利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的精密时间计量仪器，广泛应用于定位、导航、通信、军事等多个领域。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确，精度可以达到每2000万年误差1秒，这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

其中，芯片原子钟(Chip Scale Atomic Clock，CSAC)由于体积小、重量轻、功率消耗小等优点，在便携式低能耗的守时定时和导航领域内具有广泛的应用前景。目前国外CSAC技术研制出的芯片原子钟的频率稳定度基本满足了应用需求，但体积和功耗上仍然离设定的目标值相差一个数量级。国内的芯片原子钟研究起步较晚，技术不成熟，解决稳定度、功耗和体积等方面的技术瓶颈迫在眉睫。

在稳定度方面，芯片原子钟的VCSEL(Vertical Cavity Surface EmittingLaser，垂直共振腔表面放射激光器)和原子气室部分的温度会对原子钟的稳定产生很大的影响。当VCSEL的温度波动较大时，出射光频在一个比较大的范围内波动，使VCSEL的光频锁定环路无法对其进行锁定。另外，原子气室也需要工作在一个稳定的温度，才能产生良好的CPT(相干布局囚禁Coherent Population Trapping，CPT)现象。所以，温度的稳定性对于提高系统的稳定度将起到很大的作用。在功耗方面，原子气室需工作在80℃～100℃，由于目标工作温度较高，能量传递损耗等因素，温控部分的功耗较高，降低温控装置的功耗对于降低原子钟的总功耗将会起到至关重要的作用。在体积方面，芯片原子钟目前已达到16cm³～20cm³，对于尺寸要求苛刻的便携式设备来说，体积问题严重限制了芯片原子钟的应用。

传统的温控电路多采用模拟电路实现，利用桥式电路检测热敏电阻与预置电阻的差值，该差值经运算放大及PID(比例(proportion)、积分(integral)、微分(derivative))电路处理后调节TEC(Thermo Electric Cooler，半导体制冷器)的加热制冷电流。在设计中预置电阻等电路元件的精度会对整个系统造成误差。另外，模拟PID电路调试比较复杂，不利于电路的开发。传统模拟温控电路在对温度进行控制时存在调试复杂、功耗高、精度低及可控性差等缺点，目前温控的为控芯片有51系列、ARM系列单片机或FPGA等，这几类为控芯片体积较大、功耗较高、精度较低。

另外一种采用基于FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的CPT原子钟数字温控方案。此方案多采用FPGA与ADC(模/数转换器)及DAC(数/模转换器)的组合。FPGA通过ADC采集热敏电阻的电压信号，由DAC输出控制信号，对金属加热丝的功率进行控制，并对原子钟系统进行真空密封保温。但真空保温大大增加了系统体积，且不方便调整，因此此方案具有体积大、功耗高、加热不均匀及调整不方便等缺点。

除此之外的现有方案也都为被动型温控，仅根据VCSEL和原子气室的温度变化进行温度纠正，使之在小范围内变化，稳定性较差。

发明内容