Microchip Technology 4310B, User Manual

CSIII (MODEL 4310B) User’s Guide

DS50003057A-page 32



 2021 Microchip Technology Inc.

The clock transition exhibits the characteristic Ramsey separated oscillatory fields 

pattern, generated by passing through two spatially separated regions of microwave 

field at the two ends of the U-shaped resonance cavity. The relatively narrow Ramsey 

fringe exhibits a line width of 500 Hz, dictated by the Fourier transform of the flight time 

between the two regions. The fringe sits atop the broader Rabi Pedestal, whose 10 kHz 

line width reflects the travel time through one of the two regions.

5.3

CLOCK SERVO

The purpose of the clock servo is to steer the control voltage of the ovenized quartz 

oscillator (OCXO) so that it’s output frequency (multiplied up to 9192631770 Hz) is 

aligned with the center of the clock resonance transition, v

C

. A measurement is 

composed of a pair of interrogations of the CBT response at two points located 

symmetrically about the clock frequency at the steepest points of the Ramsey fringe, 

at v = v

C

 ±250 Hz. The Ramsey error signal is the voltage difference (in millivolts) 

between the left and right interrogations of the Ramsey fringe. The Ramsey error signal 

is integrated numerically by the microprocessor, using a gain factor determined by the 

desired loop time constant (factory set to τ = 1 second), and applied to the 24-bit 

digital-to-analog converter (DAC) which controls the tuning voltage of the OCXO so as 

to drive the Ramsey error to zero. For monitoring purposes, an exponential average of 

the Ramsey error, with a 1 second time constant, is maintained by the microprocessor 

and reported by Monitor3. In normal operation, the reported Ramsey error is driven to 

zero, though occasionally small fluctuations of 1 mV - 2 mV may be observed.
As an integrity test, the microprocessor periodically performs a measurement of the 

Clock Servo Rabi error by performing a pair of interrogations at v = v

C

 ±5000 Hz. The 

Clock Servo Rabi error is continuously averaged by the microprocessor with a 100 

second time constant. So far as the Ramsey fringe is symmetrically positioned atop the 

Rabi pedestal, this value reads zero. In the unlikely event that the clock servo has 

locked to the wrong peak of the Ramsey fringe, producing a clock output error of nearly 

ȳ = 10

–7

, the Clock Servo Rabi error would exceed its error threshold of 50 mV, a major 

alarm (0x02) would be declared, and the unit would perform a restart. In normal 

operation, the reported value of the Clock Servo Rabi error lies well within ±25 mV.
The full tuning range of the OCXO is 5 × 10–7 for an OCXO control voltage range of 

0–5 VDC, which is adequate, in the presence of oscillator aging, to guarantee stable 

acquisition and lock for the lifetime of the CsIII instrument. Typically, upon delivery, the 

OCXO control voltage is between 2 VDC and 4 VDC. A minor alarm (0x08) is declared 

if the OCXO control voltage falls below 0.5 VDC or rises above 4.5 VDC.
For integration times short compared to the servo loop time constant, the OCXO is 

essentially free running and thus, provides a reference against which the noise 

properties of the CBT signal can be measured. The Signal Deviation parameter reports 

the RMS deviation of the measured Ramsey error. This parameter can be taken as a 

rough indication of the Allan Deviation of the CBT signal. On this time scale, the CBT 

signal exhibits white Gaussian noise statistics, which lead to σ

y

(τ) α τ

–1/2

. and thus, 

properly scaled, the signal deviation parameter is proportional to the 1-second Allan 

deviation of the CsIII instrument. The absolute value of the signal deviation, and thus 

the scale factor necessary to predict Allan deviation, varies slightly from instrument to 

instrument. Nonetheless, monitoring this parameter provides a valuable independent 

indicator of the state-of-health of the instrument. A standard performance CsIII exhibits 

signal deviation between 120 and 150. An enhanced performance instrument exhibits 

signal deviation between 70 and 90.
The relative deviation of the CBT measurements is continuously monitored by the CsIII 

adaptive clock servo algorithm as a measure of signal quality. If the CsIII detects a 

transient disturbance, which might occur, for example, if the instrument is mechanically 

disturbed while operating, a minor alarm (0x07) is declared. In this case, the instrument