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：
本實用新型涉及到銣原子頻標(biāo)，更具體地說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)時頻信號的設(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，是目前使用最廣泛的原子頻標(biāo)，其發(fā)展趨勢是高性能和小型化。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)頻率信號同時 輸入到量子系統(tǒng)的微波腔進行階躍倍頻和混頻而得到激勵銣原子躍遷的微波頻 率信號(6834MHz)。因為在微波腔需要進行高達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功率比較大，這樣會增加 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管將lOMHz壓控晶 振的輸出信號9次倍頻到90MHz，同時lOMHz信號輸入到小數(shù)綜合器產(chǎn)生 5.3125MHz小數(shù)頻率，90MHz與5.3125MHz兩個信號同時輸入到銣原子頻標(biāo)內(nèi) 量子系統(tǒng)的微波腔進行階躍倍頻到6834MHz鐘躍遷頻率。這種方式的優(yōu)點是電 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制作一個 綜合器來產(chǎn)生5.3125MHz的小數(shù)頻率信號，使電路的復(fù)雜程度增加。針對這種 情況，國外出現(xiàn)了一種改進的電路方案，它釆用對小數(shù)晶振信號直接倍頻得到 6834MHz信號，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)輸出頻率信號的準(zhǔn)確度比較困難。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型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)簡單、數(shù)字化程度高、參數(shù)優(yōu)化簡單易行的特點。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(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，lOMHz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，單片機與 AD9956通過SPI通訊來設(shè)置數(shù)字頻率綜合器(DDS)的小數(shù)分頻比，可以對一 個含有小數(shù)的輸入頻率信號進行小數(shù)分頻而得到一個整數(shù)頻率輸出信號；同時單 片機還對數(shù)字頻率綜合器(DDS)的輸出信號進行FSK (頻移鍵控)調(diào)制來實現(xiàn) 對壓控振蕩器(VCO)輸出信號進行調(diào)頻。這樣，10MHz壓控晶振的輸出信號 通過由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，該信號進 行微波功率放大，再經(jīng)階躍匹配電路進行阻抗匹配，最后輸入到銣原子頻標(biāo)的微 波腔內(nèi)進行七次階躍倍頻到6834MHz微波信號去激勵銣原子躍遷。
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
1、 具有良好的動態(tài)性能。因為采用了鎖相環(huán)(PLL)倍頻，可通過設(shè)計適 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。
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)抵數(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 率達微赫茲水平。
3、 硬件電路精簡。因為本倍頻器中釆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)門電路構(gòu)成的小數(shù)綜合器；利用單片機對數(shù) 字頻率綜合器(DDS )進行FSK來實現(xiàn)對數(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)試簡單易行。本倍頻器通過單片機內(nèi)軟件設(shè)定輸入到 微波腔的6834MHz微波調(diào)頻信號的調(diào)制信號大小和調(diào)制深度大??；還通 過軟件給數(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)微波腔的信號純度高。因為本倍頻器把壓控晶振輸出 的10MHz信號倍頻到帶小數(shù)頻率的976.3839MHz信號，則該信號可直 接進行七次階躍倍頻到6834MHz而無需傳統(tǒng)的混頻，故輸入到銣原子頻 標(biāo)微波腔的信號只有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信號直接倍頻到帶小數(shù) 頻率的976.3839MHz微波頻段信號，該信號輸入到微波腔后只需進行七 次階躍倍頻則可得到激勵銣原子躍遷的6834MHz微波信號，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，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)射頻倍頻器方框圖 圖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
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明
如圖1可知，壓控晶振的10MHz信號連接到AD9956時集成的鑒相器1 的一個輸入端，且該10MHz信號作為PLL的輸入?yún)⒖碱l率信號，與10MHz低
通濾波器6輸出的10MHz信號在AD9956內(nèi)的鑒相器1上比相，鑒相器1的另 一個輸入端連經(jīng)過一個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 三階無源超前一滯后濾波器對鑒相器1的輸出信號進行濾波，得到壓控振蕩器3 (VCO)的壓控信號，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微波信號通過微波功分器4 分為兩路信號， 一路反饋給數(shù)字頻率綜合器5 (DDS)進行小數(shù)分頻得到lOMHz 信號，另一路經(jīng)微波放大器8放大并經(jīng)過階躍匹配電路9進行匹配后，即得到本 倍頻器的輸出信號。
10MHz信號作為本倍頻器的輸入信號源連接到鑒相器1的參考輸入端，鑒 相器1的兩個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，通過對數(shù)字頻率綜合器5 (DDS)的FSK (頻移鍵控) 調(diào)制來說實現(xiàn)對壓控振蕩器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)的輸出信號中的噪聲主要是 lOMHz鑒相信號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lOMHz低通濾波器6采用兩路七階橢圓濾波器分別對數(shù)字頻 率綜合器5 (DDS)輸出的lOMHz信號進行濾波，10MHz低通濾波器6的輸出 連接到鑒相器l的反饋輸入端。
AD9956內(nèi)部鑒相器1的輸出級集成了電荷泵，輸出信號為反映鑒相器1的 兩路10MHz輸入信號相位差的脈沖電流信號，有較強的負載驅(qū)動能力，故環(huán)路 低通濾波器2采用無源三階超前滯后濾波器濾掉鑒相器1輸出信號中的高頻成 分，剩余的慢速信號輸入到壓控振蕩器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)的反餓信號輸入到數(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)的時鐘信號;
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 通過調(diào)節(jié)其偏置電壓來調(diào)節(jié)其增益，實際使用時可用以此方法調(diào)節(jié)本倍頻器最終 輸出信號的幅度大小。階躍匹配電路對放大后的微波信號進行阻抗匹配，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AD9956進行軟件控制來 實現(xiàn)。微控制器采用單片機7，它為TI公司的16位超低功耗單片機MSP430F169, 負責(zé)對AD9956進行相關(guān)設(shè)置和輸出用于FSK調(diào)制的鍵控信號。AD9956由ADI 公司生產(chǎn)，單片機與AD9956進行SPI通訊，即單片機7的SPIO 口連接到AD9956 的SPI 口 ，單片機7則可對設(shè)置AD9956內(nèi)部寄存器的值來設(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)的時鐘信 號是來自壓控振蕩器3 (VCO)的反饋信號，它是帶有小數(shù)頻率的976.3839MHz 微波信號。該信號通過給數(shù)字頻率綜合器5 (DDS)設(shè)置小數(shù)分頻得到10MHz 頻率信號，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) 字值并可通過單片機7的SPIO發(fā)送到AD9956內(nèi)對應(yīng)的寄存器。同時單片機7 還對數(shù)字頻率綜合器5 (DDS)的輸出信號進行FSK (頻移鍵控)調(diào)制來實現(xiàn)對 壓控振蕩器3 (VCO)輸出的976.3839MHz信號進行調(diào)頻。實現(xiàn)的方法是，單 片機7在AD9956內(nèi)部的兩個寄存器分別設(shè)定兩個相近的小數(shù)分頻比來得到 10MHz附近的兩個頻率值，單片機7同時輸出PWM方波信號，該信號連接到 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 個頻率點交替切換輸出，這樣數(shù)字頻率綜合器5 (DDS)輸出的10MHz就被單 片機7輸出的PWM信號調(diào)制。數(shù)字頻率綜合器5 (DDS)輸出的10MHz調(diào)頻 信號經(jīng)10MHz低通濾波器濾波6后與10MHz信號輸出信號在鑒相器1進行鑒 相，鑒相器1輸出的信號經(jīng)過環(huán)路低通濾波器2進行濾波，濾除信號中的高頻成 分，得到的輸出電壓對壓控振蕩器3 (VCO)直接調(diào)頻。通過上述方法，壓控 晶振的10MHz輸出信號通過由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，并進行了直接調(diào)頻。該信號進行微波功 率放大后輸入銣原子頻標(biāo)的微波腔進行七次階躍倍頻，得到去激勵銣原子躍遷的
6834MHz微波信號。
為實現(xiàn)上述功能，需要在單片機MSP430F169中完成如附圖2所示的程序,
具體為
(1) 主程序開始；
(2) 設(shè)置系統(tǒng)時鐘；
(3) 配置SPIO和PWM;
(4) 發(fā)送小數(shù)分頻系數(shù)；
(5) 主程序結(jié)束。
其中，單片機系統(tǒng)時鐘采用銣原子頻標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)10MHz輸出頻率的2分頻信號， 可保證控制的高精度，PWM信號采用單片機的硬件PWM產(chǎn)生，PWM輸出信 號連接到AD9956的頻率值選擇輸入端PS0,PS0引腳上電平則隨PWM信號"髙 一低"跳變，DDS的輸出頻率就跟隨著在兩個頻率直接跳變，即可實現(xiàn)對DDS 的FSK鍵控頻移調(diào)制。本單片機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)造性勞動均能設(shè)計程序。
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)過簡單 調(diào)試后即可實現(xiàn)閉環(huán)鎖定。初步測試其標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率指標(biāo)，短穩(wěn)達到3E-ll/s， 達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(7)，其特征在于外部10MHz壓控晶振輸出信號連接到數(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)、 IOM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。
專利摘要本實用新型公開了一種銣原子頻標(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。本實用新型中，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)，通過單片機對數(shù)字綜合器進行小數(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)簡單、集成度高、信號頻譜純度高、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H03L7/085GK201008145SQ20072008360
公開日2008年1月16日 申請日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月16日
發(fā)明者康松柏, 張賢誼, 曹遠洪, 梅剛?cè)A, 達 鐘 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所