时间服务器中的可选钟源铷钟基本原理

我们公司大部分时间服务器都是可以配置铷钟作为时间源，比如欧洲铷钟、俄罗斯铷钟、国产铷钟及各种指标OCXO，稳定度、相燥、守时指标会不同。今天就讲讲时间服务器中的可选钟源铷钟基本原理。

上篇文章说道，铷钟就是铷原子钟的简称，铷钟主要由伺服电路、倍频综合电路、频率调制、单片机电路、微波倍频电路多个模块构成的。铷频标是一种被动型原子频率，通过利用基态超精细能级之间的跃迁，相应的跃迁频率为6834.682614MHz。原子迁跃对微波信号起鉴频作用而产生误差信号，通过锁相环路伺服晶振的频率，使激励信号频率锁定到原子跃迁频率，实现晶振输出频率的高度稳定和准确。

其实铷钟的基本工作原理和铯钟类似，都是利用能级跃迁的谐振频率作为基准。原子是按照围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个高“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它就会释放电磁波。这种电磁波特征频率是固定的，这也就是人们所说的共振频率。通过以这种共振频率为节拍器，原子钟可以来测定时间。铷钟利用光抽运的办法进行原子选态，谐振的检测则是利用光检测器（光电池）去测量经谐振腔的抽运光（激励原子跃迁）的传递衰减来完成。当微波频率在跃迁概率的峰值时，传递的光波大概降低1%～10%。铷钟的体积小，预热时间短，长期的老化率为2×10-10/年，如果为改进性能参数而加大体积，则与铯钟同样大小的铷钟也会具有几乎与铯钟一样的性能。

电子设备也有“心脏”？

如同人体离不开心脏提供生存必须的脉搏一样，电子设备也需要“心脏”来为数据的传输和处理提供稳定的频率信号，晶振就是产生电子设备“脉搏”的“心脏”。普通晶振只有绿豆大小，看上去是一个不起眼的小器件，它可是电子设备中一颗颗小 “心脏”，应用领域十分广泛，比如普通的智能手机中就有十多颗晶振在各个“岗位”上提供频率信号，电脑、路由器、蓝牙耳机等电子设备中也处处是晶振的身影，智能汽车等大型智能设备中更是搭载上百颗各种功能的晶振。除此之外，卫星、飞船、火箭等航天器中，晶振作为内部各个系统中电子设备的“心脏”，也为系统的正常工作提供稳定的频率频率信号。比如神舟飞船上就搭载数量众多的晶振，它为神舟飞船和地面的通信、飞船内部数据的传输处理提供了有力保障，助力神舟飞船听到清、看得到、飞得稳。那么，晶振是怎样工作的呢？晶振又有那些种类呢？

1.晶振是怎样工作的呢？

晶振，它的全称是石英晶体振荡器，是利用石英晶体的压电效应来工作的。晶体的压电效应是19世纪末法国的皮埃尔·居里发现的。从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片)，在晶片的两个表面上涂敷金或银层作为电极，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为晶片的谐振频率时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振，谐振的频率会非常稳定，因此，晶振的输出频率才会非常稳定，我们的电子设备才能稳定工作。

2.晶振又有那些种类呢？

晶振按照应用场合的不同，可以分为普通时钟晶振、高频差分晶振、温补晶振和恒温晶振等。普通时钟晶振是直接利用晶体谐振频率进行工作的时钟振荡器，它结构较为简单，用途很广泛，比如我们家用的石英钟表就是采用普通时钟晶振制作的。高频差分晶振通常采用锁相倍频的原理将晶体谐振频率倍频到很高频率，实现高频率的运算和高速传输，它的输出频率可以达到GHz，也就是每秒振荡10亿次，智能设备和5G通信都少不了它。温补晶振是利用温度补偿技术，使得晶振的输出频率更加稳定。恒温晶振通常采用恒温技术将晶振的工作温度控制在非常小的范围内，使得晶振的工作环境极为稳定，目前世界上最稳定的频率设备——原子钟，就是采用它输出的频率信号的。（夏琦）

来源： 光明网

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