相干布居数囚禁(Coherent Population Trapping, CPT)原子钟具有体积小、功耗低、长期频率稳定度较好等特点,可广泛用于微小卫星、水下通讯设备、通信基站、导弹等领域。以改善CPT原子钟的性能,减小其体积和功耗为目标,论文对CPT原子钟的各组成部分性能展开研究和优化,工作主要涉及CPT原子钟的伺服电路设计、信号检测电路优化、锁频环路优化和物理系统优化四部分,成果包括：1.完成CPT原子钟伺服电路的数字化设计和实现。设计出高度数字化的伺服电路,并通过现场可编程门阵列实现。减小了原子钟电路的体积和功耗,降低了温度漂移,提高了抗干扰能力,并方便了各种智能化操作的执行。该工作还为设计伺服电路的专用集成芯片打下基础。2.改进信号检测电路,包括光检电路、滤波器和相敏解调电路。改进了光检放大电路,既提高了信号检测的精度,又扩大了动态范围。设计了数字滤波器代替模拟滤波器,提高了短期频率稳定度,降低了功耗；与传统数字滤波器相比,所设计的数字滤波器所占用的逻辑资源大幅度减少。设计并实现了两种对相敏解调电路的优化方案。这两种方案完全省去了数字滤波器,在保持短期频率稳定度基本不变的同时,使设计大为简化,对数字伺服的主控芯片功能要求降低,能大幅降低功耗,适用于对低功耗有特殊要求的原子钟。3.优化锁频环路,改进锁频控制器、频率扫描方式并优化环路参数。设计了多种变步长锁频控制器,克服了传统锁频控制器具有多个平衡点、存在稳态误差、纠偏速度和短期频率稳定度不能兼容等缺点。通过算法实现了对受到振动和冲击等情况造成的频率偏差进行识别和校正,提高了变步长锁频控制器在拟合区之外和受到外界干扰时恢复正常工作状态的能力。通过改进锁频控制器的结构,消除了晶振频率漂移速率变化引起的频率误差,提高了原子钟频率的长期稳定性。对锁频环路积分时间的影响进行分析,得出了小型CPT原子钟和微型CPT原子钟适用的不同控制速率,并提高了短期频率稳定度。通过改变锁频环路的频率扫描方式,提高了CPT原子钟的频率复现性,并使输出频率精确可调。4.改进物理系统,提高原子钟性能。设计研制出用于垂直腔面发射半导体激光器的精密温控电路。研究了吸收泡中不同缓冲气体配比时原子钟的温度频移,通过调节配比、改变吸收泡工作温度,抑制了温度频移。通过计算和实验得出了零温度频移点和缓冲气体配比的关系,据此可根据吸收泡的工作温度选取最佳配比。对C场线圈结构进行改进,提高了吸收泡内磁场的均匀性和稳定性。