本發(fā)明涉及一種高性能隔離分配放大設備，屬于時頻通信系統(tǒng)領域。

背景技術：

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，需要原子鐘為系統(tǒng)提供準確度高，頻率穩(wěn)定度高的參考頻率信號。隨著時頻領域的技術發(fā)展，參考頻率的用戶設備也變得日益復雜，由原來的單臺設備向多用戶設備過渡。整個系統(tǒng)需要統(tǒng)一的時間和頻率確保各自系統(tǒng)正常運行，滿足自身通信業(yè)務的需要。由于受負載能力的限制，原子鐘不能直接用于多個級聯(lián)設備。因此，對原子頻標輸出進行區(qū)分放大，同時實現(xiàn)頻標的準確度、穩(wěn)定度的高度保持，諧波、噪聲的有效抑制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高性能隔離分配放大設備。

本發(fā)明采取的技術方案是：一種高性能隔離分配放大設備，其包括母板，以及分別設置在母板上實現(xiàn)互連互通的電源模塊、標頻模塊、主控模塊、前面板和后面板，所述后面板接射頻輸入信號，經主控模塊內的功分器輸出4路信號，4路信號分別接入標頻模塊，經輸入緩沖、放大整形、射隨驅動后輸出至后面板，所述前面板作為顯示模塊采用矩陣發(fā)光二極管顯示方式，每一個發(fā)光二極管對應相應的標頻輸入輸出接口。

所述母板采用四層印制板設計，信號線內層布線，地線表層布線，同時母板采用無源接插件分布式排列，母板和各模塊之間采用板對板連接器，母板采用J18直式孔插座，模塊采用J18彎式針插頭。

所述設備后面板接射頻輸入信號，頻率10MHz，幅度-20～10dBm，經主控模塊內的功分器輸出4路信號，4路信號分別接入標頻模塊，經輸入緩沖、放大整形、射隨驅動后輸出至后面板，輸出信號共計6路，分別是2路10MHz信號，2路5MHz信號，2路1MHz信號，輸出信號幅度13dBm±1dB。其中，所述10M信號的分配方案：原子鐘信號10M Hz信號輸入緩沖后經放大送至74HC14六非門施密特反向器，整形后經2N2222A隔離緩沖器后經10MHz低通濾波器，濾除高次諧波后，送至單板射頻接插件；所述5M信號的分配方案：原子鐘信號10M Hz信號輸入緩沖后經放大送至74HC390十進制分頻器二分頻，輸出5MHz的方波后經2N2222A隔離緩沖器后經5MHz低通濾波器，濾除高次諧波后，送至單板射頻接插件；所述1M信號的分配方案：原子鐘信號10M Hz信號輸入緩沖后經放大送至74HC390十進制分頻器十分頻，輸出1MHz的方波后經2N2222A隔離緩沖器后經1MHz低通濾波器，濾除高次諧波后，送至單板射頻接插件。

所述2N2222三極管是緩沖驅動管，選擇Motorola低噪聲放大管，且散熱采用金屬TO18封裝；濾波器采用低插入損耗，高帶外抑制型濾波器，濾除高頻諧波和高端的雜波信號。

所述射頻輸入信號采用AD8307AR對數(shù)型放大器檢測輸入信號，輸入信號≥-20dBm時，OUT(pin4)輸出電壓1.2V，經電容濾波后送比較器，比較電壓低電平表示正常，否則異常。輸出信號采用倍壓二極管檢波方式，輸出信號經弱耦合方式連接至二極管，信號整流后濾波送至比較器，比較電壓低電平表示正常，否則異常。

所述電源模塊采用市電和直流電源兩種方式供電；市電和直流電源同時供電時，市電優(yōu)先供電，當市電停電時，自動切換到直流電源供電，當市電恢復供電時，又接通市電通路，保證不間斷供電。

所述電源模塊包括繼電器K1、繼電器K2、前面板開關S1、變壓器T1，所述繼電器K1輸入端連接24V直流電源，繼電器K2輸入端連接變壓器T1的次邊繞組，變壓器T1的原邊繞組連接220V市電，繼電器K1的動合接點連接繼電器K2的靜合接點；首先打開前面板開關S1，S1閉合，若交、直流都供電，K1、K2都吸合，K1、K2的動合接電接通，直流24V經K1動合接點送到K2的靜合接點后懸空，不能給設備供電，而交流電壓經T1和K2的動合接點送橋堆VD3，輸出+24V；當交流斷電時，K2因無供電電壓而停止工作，K2靜合接點接通，K1仍然吸合，此時+24V的通路為K1動合接點、K2的靜合接點、VD3，交流恢復供電時，K2再次切換至動合接點，設備恢復交流工作。

所述標頻模塊的供電采用二次隔離方式，電源模塊輸出+24V電源，經DC-DC降壓芯片后送至EMI濾波器，抑制高頻噪聲，然后經高紋波抑制LDO芯片輸出低紋波電源5V電壓信號。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的參考頻率信號準確度高，頻率穩(wěn)定度高；可應用于時間頻率相關領域(如3G通信網(wǎng)絡、國家電網(wǎng)、鐵路交通和國防軍工等)，為時頻系統(tǒng)提供多類型，多端口參考時鐘。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的組成框圖。

圖2是本發(fā)明的信號框圖。

圖3是標頻模塊接口芯片CAT9555框圖。

圖4是標頻模塊的整體框圖。

圖5是74HC390邏輯圖。

圖6是輸入信號檢測電路框圖。

圖7是輸出信號檢測電路框圖。

圖8是報警電路框圖。

圖9是電源交、直流轉換控制原理框圖。

圖10是標頻模塊電源處理電路。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

如圖1所示，本高性能隔離分配放大設備采用4U機箱設計，主要由電源模塊、標頻模塊、主控模塊、前面板、后面板和母板共6單元組成。

1)標頻模塊

標頻模塊一路輸入，多個不同頻率輸出，完成頻率擴展、輸入輸出信號檢測，增強信號帶負載能力。

2)主控模塊

采用先進的集成電路STM32F103RC,具有多路外設接口(I²C、SPI、UART)和I/O接口，完成標頻模塊的監(jiān)控，并通過前面板顯示。

3)電源模塊

具有交、直流輸入功能，交、直流可以無縫切換，交流供電優(yōu)先級高于直流供電，采用自然冷卻方式，提高設備的可靠性。

4)前面板

采用矩陣發(fā)光二極管顯示方式，每一個發(fā)光二極管對應相應的標頻輸入輸出接口。船型開關安裝于前面板，控制設備電源開關。

5)后面板

包括兩類接口。一是電源的輸入接口，采用XCE型鎖緊螺母焊板式接插件。二是標頻的輸入/輸出接口，采用BNC射頻接插件。

6)母板

母板是各個模塊的互連互通平臺，采用無源接插件分布式排列，母板和模塊之間采用板對板連接器(母板采用J18直式孔插座，模塊采用J18彎式針插頭)，此連接方式杜絕設備內部低頻線纜連接，增加設備可靠性和減少平均維修時間。

高性能隔離分配放大設備各個模塊信號框圖，見圖2

1)射頻信號

設備后面板接射頻輸入信號，頻率10MHz，幅度-20～10dBm，經主控模塊內的功分器輸出4路信號，功分器型號為Mini-Circuit公司的PSC-4-1+(頻率范圍0.1～200MHz，插入損耗0.5dB，隔離度30dBc，幅度不平衡度0.2dB，幅度不平衡度6°)，4路信號分別接入標頻模塊，經輸入緩沖、放大整形、射隨驅動后輸出至后面板。

2)總線信號

圖1是標頻模塊接口芯片CAT9555框圖。標頻模塊與主控模塊采用I²C接口，接口芯片為CAT9555(數(shù)據(jù)傳輸速率0～400kbps，工作電壓2.3V～5.5V)。標頻模塊輸入/輸出信號檢波比較后，變成數(shù)字信號傳輸至接口芯片，母板上傳輸I²C信號。這樣實現(xiàn)優(yōu)點是：

a)、I²C總線最多可以16個從屬設備，這樣標頻模塊擴展方便；

b)、標頻模塊檢波信號是模擬信號，若在母板中傳輸，容易受數(shù)字信號干擾；

c)、單板標頻模塊檢測信號數(shù)量多(1路輸入，6路輸出)，若在母板中傳輸，信號輻射大，布線復雜，該設計線路簡潔、信號輻射小。

主控模塊和顯示模塊采用異步串口UART傳輸，電平TTL，波特率38400bps。顯示模塊采用雙色發(fā)光二極管LED顯示方式，正常LED顯示綠色，異常顯示紅色。

標頻模塊的整體框圖見圖4。

輸入信號是來自主控模塊功分器的輸出，通過射頻電纜連接輸入端口，信號頻率10MHz，幅度可接收寬范圍-20～10dBm信號，輸出信號共計6路，分別是2路10MHz信號，2路5MHz信號，2路1MHz信號，輸出信號幅度13dBm±1dB。

10M信號的分配方案：原子鐘信號10M Hz信號輸入緩沖后經放大送至74HC14六非門施密特反向器，整形后經2N2222A隔離緩沖器后經10MHz低通濾波器，濾除高次諧波后，送至單板射頻接插件。

5M信號的分配方案：原子鐘信號10M Hz信號輸入緩沖后經放大送至74HC390十進制分頻器二分頻，輸出5MHz的方波后經2N2222A隔離緩沖器后經5MHz低通濾波器，濾除高次諧波后，送至單板射頻接插件。

1M信號的分配方案：原子鐘信號10M Hz信號輸入緩沖后經放大送至74HC390十進制分頻器十分頻，輸出1MHz的方波后經2N2222A隔離緩沖器后經1MHz低通濾波器，濾除高次諧波后，送至單板射頻接插件。

該模塊設計具有以下優(yōu)點：

1成本低；

2擴展性強；

3隔離度高；

4附加相位噪聲小；

如圖5所示，74HC390配置不同的模式，實現(xiàn)二分頻與十分頻。

二分頻連接：nMR＝0，信號輸入nCP0，經二分頻模塊后信號輸出nQ0；

十分頻連接：nMR＝0，信號輸入nCP0，二分頻模塊輸出nQ0連接至nCP1，經五分頻模塊，信號輸出nQ2。

2N2222三極管是緩沖驅動管，選擇Motorola低噪聲放大管，且考慮散熱采用金屬TO18封裝。

濾波器采用低插入損耗，高帶外抑制型濾波器，濾除高頻諧波和高端的雜波信號，指標見表1：

表1濾波器指標

輸入/輸出故障報警設計：

如圖6、圖7，輸入、輸出信號采用不同檢波方式，輸入信號檢波范圍比較寬，采用對數(shù)放大器檢波方式，對數(shù)檢波器可提供一個與其輸入功率級別呈對數(shù)線性比例關系的直流輸出電壓。在其測量動態(tài)范圍之內，這些檢波器有良好的準確度和線性度。輸出信號幅度比較高且恒定，采用倍壓二極管檢波方式，二極管檢波方式電路簡單，占用PCB空間小。

輸入端采用AD8307AR對數(shù)型放大器檢測輸入信號，輸入信號≥-20dBm時，OUT輸出電壓1.2V，經電容濾波后送比較器，比較電壓低電平表示正常，否則異常。輸出端采用倍壓二極管檢波方式，輸出信號經弱耦合方式連接至二極管，信號整流后濾波送至比較器，比較電壓低電平表示正常，否則異常。

如圖8，標頻模塊左上角放置一雙色發(fā)光二極管，輸入輸出檢測電路的IO信號進行邏輯“或”，任意信號檢測到幅度偏移正常范圍后，不僅相應的IO口為高電平，而且單板雙色二極管顯示紅色報警，此設計方便單板調試。

電源電路設計：

圖2是電源交、直流轉換控制原理框圖。高性能隔離分配放大設備采用市電和直流電源兩種方式供電。市電和直流電源同時供電時，市電優(yōu)先供電，當市電停電時，自動切換到直流電源供電，當市電恢復供電時，又接通市電通路，保證不間斷供電。市電輸入電壓220V±15％時，系統(tǒng)正常工作。外接直流穩(wěn)壓電源電壓為24V,負極接地。

圖9中，K1、K2為繼電器，S1為前面板開關，T1為變壓器。打開面板上電源開關，S1閉合。若交、直流都供電，K1、K2都吸合。K1、K2的動合接電接通。直流24V(+)經F1、VD1、K1動合接點送到K2的靜合接點后懸空，不能給設備供電。而交流電壓經F2、T1和K2的動合接點送橋堆VD3，輸出+24V。當交流斷電時，K2因無供電電壓而停止工作，K2靜合接點接通，K1仍然吸合，此時+24V的通路為F1、VD1、K1動合接點、K2的靜合接點、VD3。交流恢復供電時，K2再次切換至動合接點，設備恢復交流工作。

圖3是標頻模塊電源處理電路。標頻模塊采用二次隔離方式，電源模塊輸出+24V電源，經母板傳輸至標頻模塊。+24V電源經DC-DC降壓芯片后送至EMI濾波器(NFM41PC155B1E3)，抑制高頻噪聲，然后經高紋波抑制LDO芯片(LT1764A)輸出低紋波(10mV_pp)電源5V電壓信號。選擇DC-DC穩(wěn)壓主要目的是提高單板的工作效率，LDO主要考慮高電源抑制比(PSRR)，可以有效降低紋波及噪聲。

輸入緩沖、分配放大和輸出驅動每一級電路的供電需要LC濾波電路，此濾波可有效阻止射頻信號通過電源信號進行串擾。

屏蔽與濾波設計：

整個模塊用一金屬下殼和上蓋板組合而成，最大限度降低空間輻射。各路分配放大電路之間用結構件腔體屏蔽，有助于路與路隔離度與輸入輸出反向隔離度。用于連接各模塊的母板采用四層印制板設計，信號線內層布線，地線表層布線，信號線的包地屏蔽處理方式會大幅度減少干擾。

電路元件的合理布局，電源信號濾波充分，射頻信號采用低插損，高抑制濾波器保證電路各項指標。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本領域的普通技術人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明的保護范圍，凡采用等同替換等方式所獲得的技術方案，均落于本發(fā)明的保護范圍內。

本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術相同或可采用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。