CN105978563A - 一种用于铷原子频标的数字锁相调制倍频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于铷原子频标的数字锁相调制倍频器，包括10MHz压控晶振，还包括R分频器、鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、微波功分器、N分频器、微波功率放大器和阶跃匹配电路，10MHz压控晶振与R分频器连接，R分频器和N分频器与鉴相器连接，鉴相器与电荷泵连接，电荷泵依次通过环路滤波器、压控振荡器、微波功分器、微波功率放大器和阶跃匹配电路连接，微波功分器与N分频器连接。本发明具有结构简单、数字化程度高、参数优化简单易行的特点。
Description
技术领域
本发明涉及到铷原子频标，具体涉及一种用于铷原子频标的数字锁相调制倍频器，可适用于制作高性能小型化商用铷原子频标。
背景技术
原子频标是利用原子的跃迁信号锁定压控晶振从而产生高稳定时频信号的设备，在守时、授时、通信、导航等领域有广泛用途。铷原子频标具有体积小、重量轻、功耗低的特点，是目前使用最广泛的原子频标。
根据构成单元的功能，铷原子频标可以简单地分为量子系统和电路系统两部分。电路系统一般由射频倍频器、频率综合器、调制器和同步检波器组成。传统射频倍频器是采用晶体管组成的差分对管将把压控晶振10MHz输出频率9次倍频到90MHz，同时10MHz信号输入到频率综合器产生5.3125MHz小数频率，90MHz与5.3125MHz两个信号同时输入到铷原子频标内量子系统的微波腔进行阶跃倍频和混频得到激励铷原子跃迁的6834MHz微波信号。这种方案的优点是电路采用分离器件制作，成本较低。
但由于在微波腔需要进行高达76次的高次阶跃倍频，效率较为低下，要求输入微波腔的射频信号功率比较大，这样会增加射频倍频器的制作难度。并且，由于采用整数频率与小数频率在微波腔中混频的方式，微波腔内存在5.3125MHz间隔的旁频。此外，由于还需要专门制作一个综合器来产生5.3125MHz的小数频率信号，使电路的复杂程度增加。针对这种情况，出现了一种改进的电路方案，它采用对小数晶振信号直接倍频得到6834MHz信号，可去掉综合器。但精确的小数晶振的制作成本高，且调节频标标准输出频率信号的准确度比较困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于铷原子频标的数字锁相调制倍频器，具有结构简单、数字化程度高、参数优化简单易行的特点。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种用于铷原子频标的数字锁相调制倍频器，包括10MHz压控晶振，还包括R分频器、鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、微波功分器、N分频器、微波功率放大器和阶跃匹配电路，10MHz压控晶振与R分频器连接，R分频器和N分频器与鉴相器连接，鉴相器与电荷泵连接，电荷泵依次通过环路滤波器、压控振荡器、微波功分器、微波功率放大器和阶跃匹配电路连接，微波功分器与N分频器连接。
如上所述的压控振荡器输出的455.64582MHz的微波信号，R分频器为1分频，N分频器为45.564582分频。
如上所述的压控振荡器输出的6834.6826MHz的微波信号，R分频器为1分频，N分频器为683.46826分频。
本发明相对于现有技术具有如下优点：
1、具有分辨率很高的小数频率输出能力。本发明把N分频器内插于数字锁相环（PLL），倍频输出信号的分辨率由N分频器的频率数据位宽决定，而24位的位宽使输出频率的分辨率达毫赫兹水平。
2、具有快速锁定的能力。由于HMC703的N分频器具有24位的位宽，可以产生精确的小数分频，相应形成的相邻脉冲间隔周期很短，因而可以实现锁相环路的快速锁定。
3、具有低相位噪声本底和良好的杂散性能。本发明可以采用数字锁相环芯片HMC703，它具有极佳的相位噪声和杂散性能，相位噪声本底低，Δ-Σ调制器模式的选择和使用可以有效降低小数杂散。
4、电路结构精简。本发明可以采用的数字锁相环芯片HMC703，集成了分辨率很高的小数型N分频器，可以将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在其频率控制范围内几乎任意的精确小数频率上，故省掉了传统门电路或DDS等数字电路构成的5.3125MHz小数频率综合器。利用单片机对HMC703进行频移键控（FSK）来实现对输出的小数频率微波信号的直接调频，可省掉传统的铷原子频标中必需的专用调制频率产生电路和调频电路。
5、参数软件设置、调试简单易行。本发明通过单片机设定，既能够控制输入到微波腔内6834MHz微波调频信号的调制速率和调制深度，还可给N分频器设置不同的小数分频比来调节铷原子频标输出频率的准确度。
6、输入到铷原子频标微波腔中的信号频谱纯度高。因为本发明把压控晶振输出的10MHz信号直接倍频调制到小数频率455.64582MHz信号，该信号可直接进行15次阶跃倍频得到6834MHz调频信号而无需传统的尾数下混频，故输入到铷原子频标微波腔的信号只有455.64582MHz这单一调制频谱。
7、在铷原子频标微波腔中通过阶跃倍频得到激励原子跃迁的微波信号的倍频效率高。SRD倍频器的倍频效率与倍频次数n存在平方反比关系，即正比于1/n2。本发明把压控晶振输出的10MHz信号直接倍频到带小数频率的455.64582MHz微波频段信号，该信号输入到微波腔后只需进行15次阶跃倍频即可得到激励铷原子跃迁的6834MHz微波信号，相较传统90MHz的76次倍频，具有倍频次数低、倍频效率高的优点。
8、便于铷原子频标小型化。本发明还具有集成度高、体积小、数字化程度高、易于调试等特点，适用于小型化铷原子频标的规模化生产。
附图说明
图1为一种用于铷原子频标的数字锁相调制倍频器的电路方框图。
图中，1-R分频器；2-鉴相器；3-电荷泵；4-环路滤波器；5-压控振荡器；6-微波功分器；7-N分频器；8-微波功率放大器；9-阶跃匹配电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例
1
：
如图1可知，压控晶振的10MHz信号连接到R分频器1的输入端，在R分频器中实现对参考频率的整数R次分频，在本发明中可为经过1次分频后输出，连接鉴相器2的其中一个输入端，作为鉴相参考信号，N分频器7的输出端连接鉴相器2的另一个输入端，鉴相器2对两路输入信号比相得到的相位误差信号，信号输出端连接到电荷泵3的输入端，电荷泵3将这个相位误差信号转变为电流信号，电流信号通过电荷泵3的输出端传输到环路滤波器4的输入端。环路滤波器4采用三阶无源滤波器对该电流信号进行滤波和积分，得到压控振荡器5（VCO）的压控信号，压控信号通过环路滤波器4的输出端传输到压控振荡器5（VCO）的压控输入端，压控振荡器5（VCO）的频率输出端连接到微波功分器6的输入端，压控振荡器5（VCO）输出的微波信号通过微波功分器6分为两路信号，一路反馈给N分频器7（其中N为软件设定的小数分频比）进行小数分频得到用于比相的10MHz信号，另一路经微波功率放大器8放大并经过阶跃匹配电路9进行阻抗匹配后，即得到本发明的输出信号。
10MHz信号作为本发明的输入信号源经过R分频器1后连接到鉴相器2的参考输入端，鉴相器2的两个输入端均为差分输入形式，输出端连接电荷泵3的输入端，电荷泵3的输出信号为反映鉴相器2的两路10MHz输入信号相位差的脉冲电流信号，有较强的负载驱动能力，故环路滤波器4采用无源三阶滤波器滤掉电荷泵3输出信号中的高频成分，剩余的慢速信号输入到压控振荡器5（VCO）的电压调谐端，去控制压控振荡器5（VCO）的输出频率，通过对N分频器7的FSK调制来实现对压控振荡器5（VCO）输出信号的调频。
实施例
2
：
R分频器1、鉴相器2、电荷泵3和N分频7器可选用集成上述模块的数字锁相环芯片HMC703实现，数字锁相环芯片HMC703由Hittite公司生产，小数模式的噪声本底品质因数为-230dBc/Hz，相位噪声和杂散性能均优于业内普遍水平。压控振荡器5（VCO）可采用Mini-Circuits公司的ROS-498-119+，其振荡频率在449~499MHz之间，且拥有较低的相位噪声，可满足本发明的设计需要。压控振荡器5（VCO）输出连接的微波功分器6，微波功分器6可采用Mini-Circuits公司的JPS-2-1N，它为一路输入二路输出形式，插入损耗小，典型值为0.25dB，隔离度高，典型值为30dB，电压纹波系数小，典型值为1.15:1，输入输出阻抗均为50欧姆。微波功分器6的一路输出作为数字锁相环11（PLL）的反馈信号输入到N分频器7的输入端；微波功分器6的另一路输出作为PLL的输出端连接到微波功率放大器8进行放大。微波功率放大器8可采用Mini-Circuits公司的GALI-74，它具有最大为20dB的功率增益，且可通过调节其偏置电压来调节其增益，实际使用时可用以此方法调节本发明最终输出信号的功率大小。阶跃匹配电路9对放大后的微波信号进行阻抗匹配，其输出端作为本发明的最终输出端连接到铷原子频标微波腔。
本发明的小数倍频和直接调频可以采用微控制器对HMC703进行寄存器设置来实现。微控制器可以采用单片机10，它为Atmel公司的ATmega8，负责对HMC703进行寄存器设置和输出用于同步检波的参考信号。单片机与HMC703进行SPI通讯，单片机10可通过设置HMC703内部寄存器的值来设定N分频器7的小数分频比。本发明中，给N分频器7的输入信号是来自压控振荡器5（VCO）的反馈信号，它是带有小数频率的455.64582MHz微波信号。该信号通过给N分频器7设置小数分频得到10MHz频率信号，小数分频比为45.564582，即该分频比换算成HMC703所要求格式的数字值并可通过单片机10发送到HMC703内对应的寄存器。同时单片机10还对N分频器7的输出信号进行FSK调制来实现对压控振荡器5（VCO）输出的455.64582MHz信号进行调频。实现的方法是，单片机7首先通过改写寄存器06h的值将HMC703设置为“FM模式”，再将内部的两个小数寄存器04h、0Dh分别设为455.64582MHz频率左右相同频差的两个频率值，频差反映调制深度的大小，同时，单片机10可输出两路频率相同、相位相反的PWM方波信号，用于同步检波。N分频器7输出的10MHz调频信号与10MHz参考信号在鉴相器2进行鉴相，经电荷泵3之后，经过环路滤波器4进行滤波，滤除信号中的高频成分，得到的输出电压对压控振荡器5（VCO）进行调频。通过上述方法，压控晶振的10MHz输出信号倍频到带小数的455.64582MHz中心频率信号，并进行了直接调频。经测试，该信号的调制频率为136Hz，调制深度可设在12～16Hz范围内，功率为13dBm左右，两倍调制频率处的相位噪声达-110dBc/Hz，满足对进腔前微波信号的要求。其他与实施例1一致。
实施例
3
：
R分频器1、鉴相器2、电荷泵3和N分频7器可选用集成上述模块的数字锁相环芯片HMC703实现，数字锁相环芯片HMC703由Hittite公司生产，小数模式的噪声本底品质因数为-230dBc/Hz，相位噪声和杂散性能均优于业内普遍水平。压控振荡器5（VCO）可采用AnalogDevices公司的HMC508LP5E，其振荡频率在6510~8525MHz之间，且拥有较低的相位噪声，可满足本发明的设计需要。压控振荡器5（VCO）输出连接的微波功分器6，微波功分器6可采用Mini-Circuits公司的EP2C+。微波功分器6的一路输出作为数字锁相环11（PLL）的反馈信号输入到N分频器7的输入端；微波功分器6的另一路输出作为PLL的输出端连接到微波功率放大器8进行放大。微波功率放大器8可采用Mini-Circuits公司的CMA-84+。阶跃匹配电路9对放大后的微波信号进行阻抗匹配，其输出端作为本发明的最终输出端连接到铷原子频标微波腔。
本发明的小数倍频和直接调频可以采用微控制器对HMC703进行寄存器设置来实现。微控制器可以采用单片机10，它为Atmel公司的ATmega8，负责对HMC703进行寄存器设置和输出用于同步检波的参考信号。单片机与HMC703进行SPI通讯，单片机10可通过设置HMC703内部寄存器的值来设定N分频器7的小数分频比。本发明中，给N分频器7的输入信号是来自压控振荡器5（VCO）的反馈信号，它是带有小数频率的6834.6826MHz微波信号。该信号通过给N分频器7设置小数分频得到10MHz频率信号，小数分频比为683.46826，即该分频比换算成HMC703所要求格式的数字值并可通过单片机10发送到HMC703内对应的寄存器。同时单片机10还对N分频器7的输出信号进行FSK调制来实现对压控振荡器5（VCO）输出的6834.6826MHz信号进行调频。实现的方法是，单片机7首先通过改写寄存器06h的值将HMC703设置为“FM模式”，再将内部的两个小数寄存器04h、0Dh分别设为6834.6826MHz频率左右相同频差的两个频率值，频差反映调制深度的大小，同时，单片机10可输出两路频率相同、相位相反的PWM方波信号，用于同步检波。N分频器7输出的10MHz调频信号与10MHz参考信号在鉴相器2进行鉴相，经电荷泵3之后，经过环路滤波器4进行滤波，滤除信号中的高频成分，得到的输出电压对压控振荡器5（VCO）进行调频。通过上述方法，压控晶振的10MHz输出信号倍频到带小数的6834.6826MHz中心频率信号，并进行了直接调频。经测试，该信号的调制频率为136Hz，调制深度可设在150～240Hz范围内，功率为-20dBm左右，两倍调制频率处的相位噪声达-88dBc/Hz，该信号进行匹配后输入铷原子频标的微波腔不需再进行阶跃倍频，直接可用以激励铷原子跃迁。其他与实施例1一致。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (3)
1.一种用于铷原子频标的数字锁相调制倍频器，包括10MHz压控晶振，其特征在于，还包括R分频器（1）、鉴相器（2）、电荷泵（3）、环路滤波器（4）、压控振荡器（5）、微波功分器（6）、N分频器（7）、微波功率放大器（8）和阶跃匹配电路（9），10MHz压控晶振与R分频器（1）连接，R分频器（1）和N分频器（7）与鉴相器（2）连接，鉴相器（2）与电荷泵（3）连接，电荷泵（3）依次通过环路滤波器（4）、压控振荡器（5）、微波功分器（6）、微波功率放大器（8）和阶跃匹配电路（9）连接，微波功分器（6）与N分频器（7）连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于铷原子频标的数字锁相调制倍频器，其特征在于，所述的压控振荡器（5）输出的455.64582MHz的微波信号，R分频器（1）为1分频，N分频器（7）为45.564582分频。
3.根据权利要求1所述的一种用于铷原子频标的数字锁相调制倍频器，其特征在于，所述的压控振荡器（5）输出的6834.6826MHz的微波信号，R分频器（1）为1分频，N分频器（7）为683.46826分频。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160928 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |