小型頻標(biāo)與頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)

張凱

(武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，各行各業(yè)對(duì)測量數(shù)據(jù)精度的要求越來越高。通信、電力、導(dǎo)航、航空航天、電子行業(yè)、儀器儀表、國防軍工、計(jì)量和天文等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展也越來越取決于時(shí)頻精度及測控技術(shù)的發(fā)展，高精度時(shí)頻源的應(yīng)用越來越廣泛，高精度的時(shí)頻測量系統(tǒng)要求越來越突出。被動(dòng)型銣原子頻標(biāo)的研制主要朝著高性能和小型化這兩個(gè)方面發(fā)展。高性能的原子頻標(biāo)主要應(yīng)用在衛(wèi)星、導(dǎo)航以及其他惡劣環(huán)境和特殊的工作領(lǐng)域，要求具有高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。小型化銣原子頻標(biāo)在導(dǎo)航衛(wèi)星等空間應(yīng)用領(lǐng)域中，面臨著能源、可載負(fù)載、空間有限等問題，在保證高性能的前提下，追求頻標(biāo)的小型化、低功耗和低成本。近三十多年來，頻率穩(wěn)定度指標(biāo)提高了7個(gè)量級(jí)，由10－8提高到10－15，甚至更高。應(yīng)運(yùn)而生的頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)不僅可以確定振蕩器性能的優(yōu)劣，而且還推動(dòng)了精密振蕩器的研制和發(fā)展。

本設(shè)計(jì)就是致力于研究一種小型、低功耗、高精度及高性價(jià)比的原子頻標(biāo)及測量系統(tǒng)，滿足上述領(lǐng)域?qū)Ρ粍?dòng)型原子頻標(biāo)長、短穩(wěn)兼優(yōu)的指標(biāo)要求且能極大的促進(jìn)導(dǎo)航和信息傳播技術(shù)的發(fā)展。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

如圖1所示，為改進(jìn)型銣原子頻標(biāo)工作原理方框圖[2－5]。此改進(jìn)型銣原子頻標(biāo)最大的特點(diǎn)就是用非整數(shù)晶體(19.984 466 MHz)替代了常用銣原子頻標(biāo)中的整數(shù)晶體(5 MHz或10 MHz)，這樣改進(jìn)的好處就是外圍電路中省去了綜合器這一部分，讓復(fù)雜的電路簡單化，減少了元器件的使用，有利于銣原子頻標(biāo)的小型化發(fā)展。

量子系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供基準(zhǔn)頻率，起到了鑒頻的作用，非整數(shù)晶體振蕩器的19.984 466 MHz信號(hào)輸出分為兩路，一路通過調(diào)制與調(diào)相器到倍頻電路，產(chǎn)生頻率為119.906 798 MHz的信號(hào)進(jìn)入腔內(nèi)，另一路是經(jīng)過倍頻電路和DDS鎖定銣原子頻標(biāo)信號(hào)的輸出。

1.1 伺服環(huán)路分析

被動(dòng)型銣原子頻標(biāo)是利用原子(或分子)能級(jí)的躍遷譜線對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行鑒頻，再經(jīng)過鎖頻環(huán)路將激勵(lì)信號(hào)頻率鎖定在躍遷譜線的中心頻率[6]。在系統(tǒng)中，倍頻器，綜合器，量子系統(tǒng)，前置放大器的噪聲均被低通濾波器濾波，而壓控晶振的噪聲被高通濾波器濾波。因此總的噪聲中低頻成分來自倍頻器，綜合器，量子系統(tǒng)和前置放大器，而高頻成分主要來自晶振。由于低頻成分主要決定長期穩(wěn)定度，而高頻成分主要決定短期穩(wěn)定度，因此銣原子頻標(biāo)的長期穩(wěn)定度主要由倍頻器，綜合器，量子系統(tǒng)，前置放大器決定，而短期穩(wěn)定度主要由晶振決定。在銣原子頻標(biāo)中，晶振的閃頻噪聲可以全部被量子系統(tǒng)伺服，減小白相噪聲和閃頻噪聲的方法是在晶振中接一個(gè)窄帶濾波器。

1.2 基于CPLD的雙DDS頻率合成

本設(shè)計(jì)中采用雙DDS技術(shù)，它包括頻率控制字寄存器、相位累加器、正弦波形查詢表、模數(shù)轉(zhuǎn)換及濾波電路等部分。其中數(shù)據(jù)寄存器存儲(chǔ)頻率控制數(shù)據(jù)(頻率控制字)，具有串行/并行數(shù)據(jù)輸入功能，串行、并行輸入來自控制器(或微機(jī))，兩路輸出中一路為固定的10 MHz頻率。頻率控制數(shù)據(jù)并行輸入至相位累加器，相位累加器的位數(shù)可依據(jù)頻率合成器所要求的分辨率選取。為了消除帶外噪聲和雜散，其輸出經(jīng)窄帶晶體濾波器濾波。合成框圖如圖2所示。

本設(shè)計(jì)中，頻率控制字 K為32位(N=32)，ROM為256×8位，所以ROM的輸出數(shù)據(jù)線寬L=8，地址線寬M=8。壓控晶振的輸出頻率為19.986 644 MHz，經(jīng)過一個(gè)2倍頻和一個(gè)3倍頻得到頻率為119.919 864 MHz的信號(hào)輸入到DDS，一路信號(hào)為了得到12 MHz的輸出頻率，由公式可以計(jì)算出頻率控制字K1的值:

轉(zhuǎn)換成32位二進(jìn)制得

另一路輸出頻率可以在1～16 MHz之間通上位機(jī)的設(shè)置得到。例如輸出頻率的期望值為10 MHz，則由公式可以計(jì)算出此路的頻率控制字K2:

轉(zhuǎn)換為32位二進(jìn)制可以得到:

通過上位機(jī)將第二路的頻率控制字設(shè)置為上值，即輸出高精確度和穩(wěn)定度的10 MHz信號(hào)。

2 測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)被測信號(hào)接入頻差倍增法輸入端時(shí)。待測信號(hào)fr=10M+Δf輸入后對(duì)其進(jìn)行10倍頻得到100M+Δf的信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)銣原子10 M信號(hào)經(jīng)過9倍頻電路倍頻得到90 MHz的信號(hào)，之后以90 MHz信號(hào)為本振信號(hào)，100M+Δf為輸入信號(hào)通過混頻器混頻可以得到差頻10M+Δf以及和頻190M+Δf，選出差頻并通過后級(jí)緩沖調(diào)諧放大便可以得到穩(wěn)定可靠的10M+Δf信號(hào)輸出，依次經(jīng)過n次倍頻，混頻，緩沖放大后最后便可以得到10M+10nΔf的信號(hào)，這樣通過一系列的倍頻，混頻。我們可以把頻偏擴(kuò)大10nΔf倍，這就是我們的頻差倍增法測頻，提高了測量精度，但是考慮到多級(jí)倍頻混頻后會(huì)帶入一定的噪聲，所以一般頻差倍增的極限時(shí)104Δf～105Δf左右，我們通過實(shí)驗(yàn)，采用雙柵場效應(yīng)管搭建雙調(diào)諧倍頻電路，達(dá)到了104Δf的頻差倍增，而且效果很理想。輸出的10M+104Δf信號(hào)再與銣原子的標(biāo)準(zhǔn)10M信號(hào)進(jìn)行混頻，通過濾波，放大，再整形變?yōu)橄薹姆讲ㄐ盘?hào)，便可以得到適宜于單片機(jī)測量的低頻信號(hào) 104Δf，再通過相應(yīng)的算法，計(jì)算出其頻率穩(wěn)定度。

當(dāng)被測信號(hào)接入差拍法輸入端時(shí)。待測信號(hào)fr輸入后直接接入最后一級(jí)混頻器，銣原子鐘的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)直接通過CPLD設(shè)計(jì)的DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出可調(diào)頻率值f0與fr產(chǎn)生一定的調(diào)偏，從而直接混頻輸出，通過濾波，放大，再整形變?yōu)橄薹姆讲ㄐ盘?hào)，便可以得到適宜于單片機(jī)測量的低頻信號(hào)，再通過相應(yīng)的算法，計(jì)算出其頻率穩(wěn)定度。為了使設(shè)計(jì)人性化，并考慮到后期發(fā)展的需要，我們還搭建了上位機(jī)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC機(jī)通信，可以把單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)送計(jì)算機(jī)，圖形化顯示頻率值的抖動(dòng)，而且也可以通過計(jì)算機(jī)輸入命令來控制單片機(jī)工作。測量工作原理圖如圖3所示。

圖3 測量系統(tǒng)原理框圖

3 測量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖及子程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖與子程序流程圖

軟件部分核心是采用STM32處理器的定時(shí)器1的捕獲中斷功能來實(shí)現(xiàn)測頻，使用捕獲模塊測量周期時(shí)，可以讓主計(jì)數(shù)器工作在連續(xù)計(jì)數(shù)模式，捕獲模塊設(shè)置ICP管腳上升沿觸發(fā)捕獲，每次發(fā)生捕獲事件后，在捕獲中斷中讀取捕獲值。捕獲到一個(gè)脈沖的兩個(gè)上升沿，相鄰兩次捕獲值之差就是信號(hào)的周期，取周期的倒數(shù)便可得到頻率值。對(duì)于計(jì)數(shù)器溢出的情況，仍然可以使用溢出中斷計(jì)數(shù)器的方法，擴(kuò)展周期測量范圍。另外通過數(shù)字濾波功能，濾除由于其他干擾而產(chǎn)生的大的頻率跳變，從而得到一個(gè)有效數(shù)據(jù)，為了計(jì)算阿倫方差(哈達(dá)瑪方差)，我們采用定時(shí)器2定時(shí)捕獲來捕獲到N個(gè)數(shù)據(jù)再計(jì)算一次阿倫方差(哈達(dá)瑪方差)，通過液晶將數(shù)據(jù)顯示出來，并把相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機(jī)，可以圖形化的顯示頻率的抖動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)差拍法和頻差倍增法同時(shí)適用，系統(tǒng)還設(shè)置了矩陣鍵盤模塊，通過矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)DDS頻率，倍增次數(shù)，采樣時(shí)間，采樣組數(shù)等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，亦可以通過上位機(jī)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。圖5是采用VC++所寫的上位機(jī)控制界面，能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和監(jiān)測。

圖5 上位機(jī)界面

4 系統(tǒng)的進(jìn)步性分析

本次設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很大的進(jìn)步和創(chuàng)新，在銣原子頻標(biāo)系統(tǒng)中的進(jìn)步性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)具有精確且連讀可調(diào)的頻率分辨率，因?yàn)椴捎梅钦麛?shù)壓控晶體振蕩器，糾偏電壓直接壓控非整數(shù)晶體振蕩器，可獲得連續(xù)可變的尾數(shù)頻率輸出信號(hào)。經(jīng)倍頻器鏈倍頻后，理論上輸出頻率的分辨率可無限窄。

(2)銣原子頻標(biāo)微波腔的信號(hào)的頻譜純度高。因?yàn)闊o需傳統(tǒng)的的混頻電路，經(jīng)射頻倍頻器倍頻后，輸入到階躍二極管微波腔的信號(hào)為119.906 796 MHz的單一頻率，而無較低頻率的頻率綜合器分量。有效減小了相位噪聲和雜散分量，也降低了對(duì)原子頻標(biāo)微波腔Q值的要求。

(3)微波倍頻效率高且動(dòng)態(tài)性能好。階躍二極管倍頻器的倍頻次數(shù)降至57倍，故倍頻效率高。也減低了對(duì)環(huán)路低通濾波器的要求，并能有效的降低雜散分量對(duì)頻標(biāo)的影響。

(4)非整數(shù)壓控石英晶體振蕩器采用了具有倍頻功能的晶體振蕩器電路，優(yōu)化了倍頻電路結(jié)構(gòu)，能同時(shí)輸出二倍頻和五倍頻信號(hào)，分別提供給調(diào)頻電路和雙直接數(shù)字頻率合成器電路。

(5)采用溫控晶體管本身的發(fā)熱為晶體振蕩器直接加熱，將晶體振蕩器的溫度控制在晶體的溫度拐點(diǎn)，具有最好的溫度頻率特性。

(6)自動(dòng)增益控制功能的微波倍頻器，并由匹配網(wǎng)絡(luò)的偏壓值控制放大器的增益，自動(dòng)調(diào)節(jié)送至微波階躍二極管的功率，有利于微波功率穩(wěn)定。

(7) 銣原子頻標(biāo)適用的輸出頻率獲取方便，因?yàn)椴捎糜蓮?fù)雜可編程器件CPLD設(shè)計(jì)的雙DDS技術(shù)，兩路輸出中一路為固定的10 MHz頻率。另一路DDS的輸出頻率，可在1 Hz～16 MHz頻率范圍內(nèi)，通過上位機(jī)設(shè)置獲取適用的輸出頻率。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定度轉(zhuǎn)移，將不便于實(shí)用的銣原子頻率信號(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)的整數(shù)頻率或其它適用頻率與功率實(shí)用的高穩(wěn)頻標(biāo)信號(hào)輸出，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，電路結(jié)構(gòu)簡單，體積小，功耗低及調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，有利于提高銣原子頻標(biāo)的集成度和小型化，具有很好的應(yīng)用前景。

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