專利名稱：一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字鎖相倍頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到銣原子頻標(biāo)，更具體地說(shuō)是涉及一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)射頻倍頻器，可適用于制作小型化商用銣原子頻標(biāo)。
背景技術(shù)：
原子頻標(biāo)是利用原子的躍遷譜線鎖定壓控晶振而提供高穩(wěn)時(shí)頻信號(hào)的設(shè)備，在通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域有廣泛用途。銣原子頻標(biāo)具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)，是目前使用最廣泛的原子頻標(biāo)，其發(fā)展趨勢(shì)是高性能和小型化。根據(jù)構(gòu)成單元的功能，銣原子頻標(biāo)可以簡(jiǎn)單地分為微波腔和電路系統(tǒng)兩部分。電路系統(tǒng)一般由射頻倍頻器、頻率綜合器、調(diào)制器和同步檢波器組成。射頻倍頻器作用是把標(biāo)準(zhǔn)壓控晶振10MHz輸出頻率變換到90MHz，與綜合器產(chǎn)生的小數(shù)頻率信號(hào)同時(shí)輸入到量子系統(tǒng)的微波腔進(jìn)行階躍倍頻和混頻而得到激勵(lì)銣原子躍遷的微波頻率信號(hào)(6834MHz)。因?yàn)樵谖⒉ㄇ恍枰M(jìn)行高達(dá)76次的高次階躍倍頻和下變頻的混頻，導(dǎo)致效率低下，故要求輸入微波腔的射頻信號(hào)功率比較大，這樣會(huì)增加射頻倍頻器制作難度。
傳統(tǒng)射頻倍頻器的技術(shù)手段是采用晶體管組成的差分對(duì)管將10MHz壓控晶振的輸出信號(hào)9次倍頻到90MHz，同時(shí)10MHz信號(hào)輸入到小數(shù)綜合器產(chǎn)生5.3125MHz小數(shù)頻率，90MHz與5.3125MHz兩個(gè)信號(hào)同時(shí)輸入到銣原子頻標(biāo)內(nèi)量子系統(tǒng)的微波腔進(jìn)行階躍倍頻到6834MHz鐘躍遷頻率。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是電路采用分離器件制作，成本較低。但由于采用整數(shù)頻率與小數(shù)頻率在微波腔中混頻方式，微波腔內(nèi)存在5.3125MHz間隔的旁頻。另外由于還需要專門(mén)制作一個(gè)綜合器來(lái)產(chǎn)生5.3125MHz的小數(shù)頻率信號(hào)，使電路的復(fù)雜程度增加。針對(duì)這種情況，國(guó)外出現(xiàn)了一種改進(jìn)的電路方案，它采用對(duì)小數(shù)晶振信號(hào)直接倍頻得到6834MHz信號(hào)，可去掉綜合器。但精確的小數(shù)晶振的制作成本高，且調(diào)節(jié)頻標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率信號(hào)的準(zhǔn)確度比較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字鎖相倍頻器，該倍頻器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)字化程度高、參數(shù)優(yōu)化簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是外部10MHz壓控晶振的輸出端連接到數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)的輸入端，數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)的輸出端連接到微波放大器的輸入端，微波放大器的輸出端連接階躍匹配電路的輸入端，階躍匹配電路的輸出端為倍頻器的輸出端。數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)由AD9956、環(huán)路低通濾波器、壓控振蕩器(VCO)、微波功分器、10MHz低通濾波器組成，AD9956集成了鑒相器和數(shù)字頻率綜合器(DDS)。鑒相器的輸出端通過(guò)環(huán)路低通濾波器連接到壓控振蕩器(VCO)的輸入端，壓控振蕩器(VCO)通過(guò)微波功分器分為兩路，一路連接微波放大器的輸入端，另一路連接數(shù)字頻率綜合器(DDS)的輸入端，數(shù)字頻率綜合器(DDS)輸出端連接10MHz低通濾波器，10MHz低通濾波器輸出端連接鑒相器的輸入端。
其中，鑒相器和數(shù)字頻率綜合器(DDS)集成在AD9956中，單片機(jī)與AD9956通過(guò)SPI通訊來(lái)設(shè)置數(shù)字頻率綜合器(DDS)的小數(shù)分頻比，可以對(duì)一個(gè)含有小數(shù)的輸入頻率信號(hào)進(jìn)行小數(shù)分頻而得到一個(gè)整數(shù)頻率輸出信號(hào)；同時(shí)單片機(jī)還對(duì)數(shù)字頻率綜合器(DDS)的輸出信號(hào)進(jìn)行FSK(頻移鍵控)調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓控振蕩器(VCO)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻。這樣，10MHz壓控晶振的輸出信號(hào)通過(guò)由AD9956、環(huán)路低通濾波器、壓控振蕩器(VCO)、10MHz低通濾波器、功分器組成的數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)直接倍頻到帶小數(shù)的976.3839MHz，該信號(hào)進(jìn)行微波功率放大，再經(jīng)階躍匹配電路進(jìn)行阻抗匹配，最后輸入到銣原子頻標(biāo)的微波腔內(nèi)進(jìn)行七次階躍倍頻到6834MHz微波信號(hào)去激勵(lì)銣原子躍遷。
本數(shù)字式PLL倍頻器系統(tǒng)與傳統(tǒng)銣原子頻標(biāo)模擬倍頻器相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、具有良好的動(dòng)態(tài)性能。因?yàn)椴捎昧随i相環(huán)(PLL)倍頻，可通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)沫h(huán)路低通濾波器通帶，有效地抑制原子頻標(biāo)系統(tǒng)因雜散引起的頻標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率跳動(dòng)。
2、具有分辨率很高的小數(shù)頻率輸出能力。本倍頻器系統(tǒng)把數(shù)字頻率綜合器(DDS)內(nèi)插于數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)，倍頻輸出信號(hào)的分辨率由數(shù)字頻率綜合器(DDS)的頻率數(shù)據(jù)位寬決定，而48位的位寬使輸出頻率的分辨率達(dá)微赫茲水平。
3、硬件電路精簡(jiǎn)。因?yàn)楸颈额l器中采用了集成的分辨率很高的數(shù)字頻率綜合器(DDS)，故省掉了傳統(tǒng)門(mén)電路構(gòu)成的小數(shù)綜合器；利用單片機(jī)對(duì)數(shù)字頻率綜合器(DDS)進(jìn)行FSK來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字鎖相環(huán)輸出的976.3839MHz微波調(diào)頻，可省掉傳統(tǒng)的專用調(diào)頻電路和調(diào)制頻率產(chǎn)生電路。
4、參數(shù)軟件設(shè)置，調(diào)試簡(jiǎn)單易行。本倍頻器通過(guò)單片機(jī)內(nèi)軟件設(shè)定輸入到微波腔的6834MHz微波調(diào)頻信號(hào)的調(diào)制信號(hào)大小和調(diào)制深度大小；還通過(guò)軟件給數(shù)字頻率綜合器(DDS)設(shè)置不同的小數(shù)分頻比來(lái)調(diào)節(jié)銣原子頻標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率的準(zhǔn)確度。
5、輸入到銣原子頻標(biāo)微波腔的信號(hào)純度高。因?yàn)楸颈额l器把壓控晶振輸出的10MHz信號(hào)倍頻到帶小數(shù)頻率的976.3839MHz信號(hào)，則該信號(hào)可直接進(jìn)行七次階躍倍頻到6834MHz而無(wú)需傳統(tǒng)的混頻，故輸入到銣原子頻標(biāo)微波腔的信號(hào)只有976.3839MHz單一頻率。
6、倍頻效率高。本倍頻器把壓控晶振輸出的10MHz信號(hào)直接倍頻到帶小數(shù)頻率的976.3839MHz微波頻段信號(hào)，該信號(hào)輸入到微波腔后只需進(jìn)行七次階躍倍頻則可得到激勵(lì)銣原子躍遷的6834MHz微波信號(hào)，故倍頻次數(shù)低、倍頻效率高。
7、便于銣原子頻標(biāo)小型化。本倍頻器系統(tǒng)還具有集成度高、體積小、數(shù)字化程度高、易于調(diào)試等特點(diǎn)，故易于生產(chǎn)小型化銣原子頻標(biāo)。


圖1為一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)射頻倍頻器方框2為一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)射頻倍頻器軟件流程圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明如圖1可知，壓控晶振的10MHz信號(hào)連接到AD9956內(nèi)集成的鑒相器1的一個(gè)輸入端，且該10MHz信號(hào)作為PLL的輸入?yún)⒖碱l率信號(hào)，與10MHz低通濾波器6輸出的10MHz信號(hào)在AD9956內(nèi)的鑒相器1上比相，鑒相器1的另一個(gè)輸入端連經(jīng)過(guò)一個(gè)10MHz低通濾波器6連接數(shù)字頻率綜合器5(DDS)的輸出端，鑒相器1的輸出端連接到環(huán)路低通濾波器2的輸入端，環(huán)路低通濾波器2的輸出端連接到壓控振蕩器3(VCO)的壓控輸入端，環(huán)路低通濾波器2采用三階無(wú)源超前-滯后濾波器對(duì)鑒相器1的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，得到壓控振蕩器3(VCO)的壓控信號(hào)，壓控振蕩器3(VCO)的輸出端連接到微波功分器4的輸入端，壓控振蕩器3(VCO)輸出的976.3839MHz微波信號(hào)通過(guò)微波功分器4分為兩路信號(hào)，一路反饋給數(shù)字頻率綜合器5(DDS)進(jìn)行小數(shù)分頻得到10MHz信號(hào)，另一路經(jīng)微波放大器8放大并經(jīng)過(guò)階躍匹配電路9進(jìn)行匹配后，即得到本倍頻器的輸出信號(hào)。
10MHz信號(hào)作為本倍頻器的輸入信號(hào)源連接到鑒相器1的參考輸入端，鑒相器1的兩個(gè)輸入端均為差分輸入形式，鑒相器1和數(shù)字頻率綜合器5(DDS)集成在芯片AD9956中，通過(guò)對(duì)數(shù)字頻率綜合器5(DDS)的FSK(頻移鍵控)調(diào)制來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓控振蕩器3(VCO)輸出的調(diào)頻，數(shù)字頻率綜合器5(DDS)輸出端為差分輸出形式；數(shù)字頻率綜合器5(DDS)的輸出信號(hào)中的噪聲主要是10MHz鑒相信號(hào)的倍頻鏡像頻率和雜散，七階橢圓濾波器可以有效地把這些噪聲和雜散去除，故10MHz低通濾波器6采用兩路七階橢圓濾波器分別對(duì)數(shù)字頻率綜合器5(DDS)輸出的10MHz信號(hào)進(jìn)行濾波，10MHz低通濾波器6的輸出連接到鑒相器1的反饋輸入端。
AD9956內(nèi)部鑒相器1的輸出級(jí)集成了電荷泵，輸出信號(hào)為反映鑒相器1的兩路10MHz輸入信號(hào)相位差的脈沖電流信號(hào)，有較強(qiáng)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，故環(huán)路低通濾波器2采用無(wú)源三階超前滯后濾波器濾掉鑒相器1輸出信號(hào)中的高頻成分，剩余的慢速信號(hào)輸入到壓控振蕩器3(VCO)的電壓調(diào)諧端，去調(diào)制壓控振蕩器3(VCO)的輸出頻率。壓控振蕩器3(VCO)采用ZCOMM公司的CLV980E，其本振頻率在976.3839MHzHz附近，且擁有較低的相位噪聲，可滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。壓控振蕩器3(VCO)輸出連接的微波功分器4，微波功分器4采用MINI公司的SCN-2-11，它為一路輸入二路輸出形式，輸入輸出阻抗均為50歐姆。微波功分器4的一路輸出作為數(shù)字鎖相環(huán)11(PLL)的反饋信號(hào)輸入到數(shù)字頻率綜合器5(DDS)的輸入端，即作為數(shù)字頻率綜合器5(DDS)的時(shí)鐘信號(hào)；微波功分器4的另一路輸出作為PLL的輸出端連接到微波放大器8進(jìn)行放大。微波放大器8采用MINI公司的ERA-5SM，它具有最大為20dB的增益，且可通過(guò)調(diào)節(jié)其偏置電壓來(lái)調(diào)節(jié)其增益，實(shí)際使用時(shí)可用以此方法調(diào)節(jié)本倍頻器最終輸出信號(hào)的幅度大小。階躍匹配電路對(duì)放大后的微波信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配，其的輸出端作為本倍頻器的最終輸出端連接到銣原子頻標(biāo)微波腔。
本倍頻器的直接小數(shù)倍頻和調(diào)頻采用微控制器對(duì)AD9956進(jìn)行軟件控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。微控制器采用單片機(jī)7，它為T(mén)I公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F169，負(fù)責(zé)對(duì)AD9956進(jìn)行相關(guān)設(shè)置和輸出用于FSK調(diào)制的鍵控信號(hào)。AD9956由ADI公司生產(chǎn)，單片機(jī)與AD9956進(jìn)行SPI通訊，即單片機(jī)7的SPI0口連接到AD9956的SPI口，單片機(jī)7則可對(duì)設(shè)置AD9956內(nèi)部寄存器的值來(lái)設(shè)定數(shù)字頻率綜合器5(DDS)的小數(shù)分頻比。本倍頻器中，給數(shù)字頻率綜合器5(DDS)的時(shí)鐘信號(hào)是來(lái)自壓控振蕩器3(VCO)的反饋信號(hào)，它是帶有小數(shù)頻率的976.3839MHz微波信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)給數(shù)字頻率綜合器5(DDS)設(shè)置小數(shù)分頻得到10MHz頻率信號(hào)，小數(shù)分頻比為97.63839，即該分頻比換算成AD9956所要求格式的數(shù)字值并可通過(guò)單片機(jī)7的SPI0發(fā)送到AD9956內(nèi)對(duì)應(yīng)的寄存器。同時(shí)單片機(jī)7還對(duì)數(shù)字頻率綜合器5(DDS)的輸出信號(hào)進(jìn)行FSK(頻移鍵控)調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓控振蕩器3(VCO)輸出的976.3839MHz信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻。實(shí)現(xiàn)的方法是，單片機(jī)7在AD9956內(nèi)部的兩個(gè)寄存器分別設(shè)定兩個(gè)相近的小數(shù)分頻比來(lái)得到10MHz附近的兩個(gè)頻率值，單片機(jī)7同時(shí)輸出PWM方波信號(hào)，該信號(hào)連接到AD9956的PS0口則可使數(shù)字頻率綜合器5(DDS)的輸出頻率在上述設(shè)定的兩個(gè)頻率點(diǎn)交替切換輸出，這樣數(shù)字頻率綜合器5(DDS)輸出的10MHz就被單片機(jī)7輸出的PWM信號(hào)調(diào)制。數(shù)字頻率綜合器5(DDS)輸出的10MHz調(diào)頻信號(hào)經(jīng)10MHz低通濾波器濾波6后與10MHz信號(hào)輸出信號(hào)在鑒相器1進(jìn)行鑒相，鑒相器1輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)路低通濾波器2進(jìn)行濾波，濾除信號(hào)中的高頻成分，得到的輸出電壓對(duì)壓控振蕩器3(VCO)直接調(diào)頻。通過(guò)上述方法，壓控晶振的10MHz輸出信號(hào)通過(guò)由AD9956、環(huán)路低通濾波器2、壓控振蕩器3(VCO)、10MHz低通濾波器6、微波功分器4組成的數(shù)字鎖相環(huán)11(PLL)直接倍頻到帶小數(shù)的976.3839MHz信號(hào)，并進(jìn)行了直接調(diào)頻。該信號(hào)進(jìn)行微波功率放大后輸入銣原子頻標(biāo)的微波腔進(jìn)行七次階躍倍頻，得到去激勵(lì)銣原子躍遷的6834MHz微波信號(hào)。
為實(shí)現(xiàn)上述功能，需要在單片機(jī)MSP430F169中完成如附圖2所示的程序，具體為(1)主程序開(kāi)始；(2)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘；(3)配置SPI0和PWM；(4)發(fā)送小數(shù)分頻系數(shù)；(5)主程序結(jié)束。
其中，單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘采用銣原子頻標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)10MHz輸出頻率的2分頻信號(hào)，可保證控制的高精度，PWM信號(hào)采用單片機(jī)的硬件PWM產(chǎn)生，PWM輸出信號(hào)連接到AD9956的頻率值選擇輸入端PS0，PS0引腳上電平則隨PWM信號(hào)“高-低”跳變，DDS的輸出頻率就跟隨著在兩個(gè)頻率直接跳變，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS的FSK鍵控頻移調(diào)制。本單片機(jī)7中所采用的程序，普通技術(shù)人員根據(jù)附圖2和AD9956產(chǎn)品數(shù)據(jù)表不付出任何創(chuàng)造性勞動(dòng)均能設(shè)計(jì)程序。
采用該發(fā)明的數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)倍頻器系統(tǒng)制作的銣原子頻標(biāo)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)試后即可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)鎖定。初步測(cè)試其標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率指標(biāo)，短穩(wěn)達(dá)到3E-11/s，達(dá)到一般商品銣原子頻標(biāo)水平。
權(quán)利要求
1.一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字鎖相倍頻器，它包括數(shù)字鎖相環(huán)(11)、微波放大器(8)、階躍匹配電路(9)、單片機(jī)(7)，其特征在于外部10MHz壓控晶振輸出信號(hào)連接到數(shù)字鎖相環(huán)(11)的輸入端，數(shù)字鎖相環(huán)(11)的輸出端連接微波放大器(8)的輸入端，微波放大器(8)的輸出端連接階躍匹配電路(9)的輸入端，階躍匹配電路(9)的輸出端為倍頻器的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字鎖相倍頻器，其特征在于所述的數(shù)字鎖相環(huán)(11)由AD9956(10)、環(huán)路低通濾波器(2)、壓控振蕩器(3)、微波功分器(4)、10M低通濾波器(6)組成，AD9956(10)集成了鑒相器(1)和數(shù)字頻率綜合器(5)，鑒相器(1)的輸出端通過(guò)環(huán)路低通濾波器(2)連接壓控振蕩器(3)的輸入端，壓控振蕩器(3)連接微波功分器(4)的輸入端，微波功分器(4)有兩路輸出，一路連接微波放大器(8)的輸入端，另一路連接AD9956(10)內(nèi)集成的數(shù)字頻率綜合器(5)的輸入端，數(shù)字頻率綜合器(5)輸出端連接10MHz低通濾波器(6)，10MHz低通濾波器(6)輸出端連接鑒相器(1)的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種銣原子頻標(biāo)數(shù)字鎖相倍頻器。數(shù)字鎖相環(huán)的輸入端作為本倍頻器的輸入端連接銣原子頻標(biāo)10MHz壓控晶振的輸出端、數(shù)字鎖相環(huán)的輸出端連接到微波放大器的輸入端、微波放大器的輸出端連接階躍匹配電路的輸出端、階躍匹配電路的輸出端作為本倍頻器的輸出端連接銣原子頻標(biāo)微波腔的輸入端。AD9956集成了鑒相器和數(shù)字頻率綜合器。本發(fā)明中，采用數(shù)字綜合器作為小數(shù)分頻器內(nèi)插于數(shù)字鎖相環(huán)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)字綜合器進(jìn)行小數(shù)分頻比設(shè)置和調(diào)制，使倍頻器能夠直接小數(shù)倍頻和調(diào)頻。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、信號(hào)頻譜純度高、相位噪聲低、雜散小、數(shù)字化程度高、易于調(diào)試，可用于制作小型化銣原子頻標(biāo)。
文檔編號(hào)H03L7/085GK101039117SQ20071005156
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月16日
發(fā)明者曹遠(yuǎn)洪, 康松柏, 張賢誼, 鐘達(dá), 梅剛?cè)A 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所