氢原子钟谐振腔超高稳定温度控制系统

发布时间：2017-07-25 20:16

  本文关键词：氢原子钟谐振腔超高稳定温度控制系统

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【摘要】：氢原子钟作为一种高精度的时间和频率标准,因其较好的短期和长期频率稳定度而被广泛的应用在需要高精度时频信号的领域。然而,由于腔牵引效应等因素的影响,氢原子钟谐振腔的温度变化是影响其输出频率稳定度的重要因素,因此,为谐振腔提供一个良好的恒温环境是保证氢原子钟稳定度的手段之一。氢原子钟谐振腔超高稳定温度控制系统的硬件以MSC1210Y5单片机作为控制核心,并设计包括测温电路模块、PWM输出模块、加热模块、数据通信模块以及电源模块的外围电路,控制算法选用位置式PID控制,另外,设计了上位机监测软件,用于数据的读取、存储以及复现等。本文介绍了国内外氢原子钟和氢原子钟谐振腔温度控制系统的发展状况,分析了因温度而影响氢原子钟输出频率的各个因素,并通过实验得到了谐振腔谐振频率的温度系数,从而确定了系统的设计目标。继而,详细介绍了系统的硬件设计、软件设计以及上位机监测软件设计。最后介绍系统的搭建,并在完成系统的搭建之后,进行实验。通过对所得到的数据进行初步分析,系统中两个控制段区的温度控制稳定度优于士5×10-4℃,达到了系统预期的设计目标。
【关键词】：氢原子钟 温度控制 MSC1210Y5 PID控制
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM935.115
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 氢原子钟的发展、应用及研究现状8-9
• 1.2 国外的研究现状9-10
• 1.3 国内研究现状10-12
• 1.4 氢原子钟的基本理论及工作原理12-14
• 1.4.1 氢原子钟的基本理论12-13
• 1.4.2 氢原子钟的工作原理13-14
• 1.5 论文主要内容和章节安排14-16
• 第二章 温度对原子钟输出稳定度的影响分析16-20
• 2.1 谐振腔温度对输出频率的影响因素16-17
• 2.1.1 腔牵引16-17
• 2.1.2 二级多普勒效应17
• 2.1.3 泡壁频移17
• 2.2 谐振腔温度控制系统的国内外的发展状况17-18
• 2.3 本系统的设计目标18-19
• 2.4 本章小结19-20
• 第三章 系统硬件设计20-34
• 3.1 系统硬件电路的总体设计20
• 3.2 温度数据采集模块20-25
• 3.2.1 测温元件的选择21-24
• 3.2.2 测温电路的设计24
• 3.2.3 热敏电阻自热效应的影响24-25
• 3.3 主控制芯片及AD转换模块25-27
• 3.3.1 主控制芯片的选型26-27
• 3.3.2 主控制芯片的最小系统电路27
• 3.4 PWM输出模块27-30
• 3.4.1 PWM输出电路28-29
• 3.4.2 功率驱动电路29-30
• 3.5 加热模块30-31
• 3.6 数据通信模块31-32
• 3.7 电源模块32
• 3.8 系统实物32
• 3.9 本章小结32-34
• 第四章 控制算法34-38
• 4.1 PID控制算法34-35
• 4.2 数字PID控制算法35-36
• 4.3 控制算法确定36-37
• 4.3.1 采样周期的确定36
• 4.3.2 控制方案的确定36-37
• 4.3.3 控制参数的确定37
• 4.4 本章小结37-38
• 第五章 系统软件设计38-48
• 5.1 系统软件的总体设计38
• 5.2 控制芯片系统软件设计38-46
• 5.2.1 系统初始化程序设计38-41
• 5.2.2 数据采集及处理程序设计41-43
• 5.2.3 PWM控制模块程序设计43-45
• 5.2.4 串口通信模块程序设计45-46
• 5.3 上位机监测软件设计46-47
• 5.3.1 LabVIEW程序开发环境的介绍46
• 5.3.2 监测软件界面设计46
• 5.3.3 监测软件功能设计46-47
• 5.4 本章小结47-48
• 第六章 系统搭建及数据分析48-54
• 6.1 实验系统的搭建48-49
• 6.1.1 硬件安装与连接48-49
• 6.1.2 控制方案参数的整定49
• 6.1.3 上位机监测软件的调试49
• 6.2 测试数据的分析49-53
• 6.3 本章小结53-54
• 第七章 总结和展望54-56
• 7.1 总结54
• 7.2 展望54-56
• 致谢56-58
• 参考文献58-60
• 攻读硕士学位期间发表的论文60

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