CN111487500A - 星载原子钟高稳晶振的测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星载原子钟高稳晶振的测试系统和方法，该系统包括：测试控制板、阿伦方差测试仪、频谱分析仪、万用表、直流电源以及参考源，所述直流电源向所述测试控制板和被测的高稳晶振提供直流电，所述被测的高稳晶振在加电之后输出的射频信号经过所述测试控制板之后，得到三路测试信号；第一路测试信号输入所述阿伦方差测试仪，第二路测试信号输入所述频谱分析仪，第三路测试信号输入所述万用表，从而得到所述高稳晶振的压控中心点、压控频偏线性度、输出信号稳定度以及相位噪声。本发明能够实现对晶振合理的筛选，以匹配不同的原子钟电路及物理系统，使得原子钟的性能能够达到最优。

Description

星载原子钟高稳晶振的测试系统和方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体地，涉及星载原子钟高稳晶振的测试系统和方法。

背景技术

宇航原子钟类产品的功能是对外提供高精度、高稳定度的基准时间信号，属于航天器的关键核心设备。而原子钟内部的高稳晶振，又是原子钟类产品的核心。其中，10MHz高稳晶振主要采用恒温压控晶振，标称输出频率10MHz。

目前已经在轨应用的原子钟主要包括铷钟、氢钟以及铯钟，在各种原子钟的设计方案中，高稳晶振均不可或缺，其性能决定了原子钟输出信号的性能所能达到的高度。

因此，星载原子钟用高稳晶振的精细化测试对于原子钟的性能保证很重要。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星载原子钟高稳晶振的测试系统和方法。

第一方面，本发明提供一种星载原子钟高稳晶振的测试系统，包括：测试控制板、阿伦方差测试仪、频谱分析仪、万用表、直流电源以及参考源，所述直流电源向所述测试控制板和被测的高稳晶振提供直流电，所述被测的高稳晶振在加电之后输出的射频信号经过所述测试控制板之后，得到三路测试信号；第一路测试信号输入所述阿伦方差测试仪，第二路测试信号输入所述频谱分析仪，第三路测试信号输入所述万用表；其中：

所述阿伦方差测试仪与所述参考源信号连接，所述参考源用于向所述阿伦方差测试仪提供参考信号；所述阿伦方差测试仪用于获取所述被测的高稳晶振的频率稳定度、相位噪声以及频率值；

所述频谱分析仪的中心频点为所述被测的高稳晶振的标称输出频率，用于获取所述被测的高稳晶振的频谱谐杂波抑制指标；

所述万用表，用于获取所述被测的高稳晶振的压控电压。

可选地，还包括：分别与所述测试控制板和所述万用表电连接的调试计算机，所述调试计算机用于控制所述测试控制板的压控电压点，使得所述被测的高稳晶振工作在不同的压控电压点状态下；所述调试计算机还用于控制所述万用表的启动和关闭。

可选地，所述测试控制板包括：第一放大器、功分器、第二放大器、FPGA电路、参考电压源、14位数模转换器、低噪声差分放大电路、有源滤波电路、射随电路；其中，所述被测的高稳晶振输出的射频信号经过所述功分器之后分为三路，第一路经过第一放大器之后生成所述第一路测试信号；第二路构成第二路测试信号，第三路经过第二放大器之后输入所述FPGA电路；所述14位数模转换器接收FPGA电路的输出信号和所述参考电压源的输出的电压信号之后，得到模拟信号；所述模拟信号依次经过所述低噪声差分放大电路、所述有源滤波电路、所述射随电路之后，生成所述第三路测试信号。

第二方面，本发明提供一种星载原子钟高稳晶振的测试方法，其特征在于，应用在如第一方面中任一项所述的星载原子钟高稳晶振的测试系统中，所述测试方法包括：

步骤1：将被测的高稳晶振分别与测试控制板和直流电源电连接；

步骤2：分别通过阿伦方差测试仪、频谱分析仪、万用表获取第一数据、第二数据、第三数据；

步骤3：根据所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据，确定所述高稳晶振的压控中心点、压控频偏线性度、输出信号稳定度以及相位噪声。

可选地，在所述步骤1之前，所述测试方法还包括：

对参考源提前进行24小时的加电。

可选地，在执行所述步骤2之前，所述测试方法还包括：

判断所述阿伦方差测试仪的input信号以及REF_IN信号的功率指示灯是否均显示蓝色；

判断调试计算机与测试控制板中FPGA电路的连接的下载器电源指示灯是否显示绿色，以及下载软件是否成功识别到所述测试控制板的FPGA电路。

可选地，所述步骤2包括：

调试计算机分别配置测试控制板中FPGA电路给14位数模转换器的十组固定输出数据，使得测试控制板平均输出十组电压，用以分别固定输出所述被测的高稳晶振的压控电压；

在每个压控电压点设置完成0.5h后，摁下阿伦方差测试仪start键；并通过调试计算机启动万用表的开始按钮，启动测试；

以固定的采集间隔时间采集并记录第三数据；完成第三数据记录后，通过计算第三数据的标准方差来分析压控电压端的电压噪声；

控制频谱分析仪不同的带宽状态下测量得的第二数据；

当阿伦方差测试仪显示屏显示的置信区覆盖10s区域后，摁下阿伦方差测试仪的stop按钮，并记录第一数据，所述第一数据包括：频率稳定度、相位噪声以及1s对应的输出频率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的星载原子钟高稳晶振的测试系统和方法，能够实现对晶振合理的筛选，以匹配不同的原子钟电路及物理系统，使得原子钟的性能能够达到最优。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的一种星载原子钟高稳晶振的测试系统结构示意图一；

图2为本发明提供的一种星载原子钟高稳晶振的测试系统结构示意图二；

图3为本发明提供一种星载原子钟高稳晶振的测试方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明提供的一种星载原子钟高稳晶振的测试系统结构示意图一，如图1所示，本实施例中的测试系统可以包括：测试控制板、阿伦方差测试仪、频谱分析仪、万用表、直流电源以及参考源，直流电源向测试控制板和被测的高稳晶振提供直流电，被测的高稳晶振在加电之后输出的射频信号经过测试控制板之后，得到三路测试信号；第一路测试信号输入阿伦方差测试仪，第二路测试信号输入频谱分析仪，第三路测试信号输入万用表；其中：阿伦方差测试仪与参考源信号连接，参考源用于向阿伦方差测试仪提供参考信号；阿伦方差测试仪用于获取被测的高稳晶振的频率稳定度、相位噪声以及频率值；频谱分析仪的中心频点为被测的高稳晶振的标称输出频率，用于获取被测的高稳晶振的频谱谐杂波抑制指标；万用表，用于获取被测的高稳晶振的输出电压。

示例性的，如图1所示，本实施例还可以包括：分别与测试控制板和万用表电连接的调试计算机，调试计算机用于控制测试控制板的压控电压点，使得被测的高稳晶振工作在不同的压控电压点状态下；调试计算机还用于控制万用表的启动和关闭。

图2为本发明提供的一种星载原子钟高稳晶振的测试系统结构示意图二，如图2所示，测试控制板包括：第一放大器、功分器、第二放大器、FPGA电路、参考电压源、14位数模转换器、低噪声差分放大电路、有源滤波电路、射随电路；其中，被测的高稳晶振输出的射频信号经过功分器之后分为三路，第一路经过第一放大器之后生成第一路测试信号；第二路构成第二路测试信号，第三路经过第二放大器之后输入FPGA电路；14位数模转换器接收FPGA电路的输出信号和参考电压源的输出的电压信号之后，得到模拟信号；模拟信号依次经过低噪声差分放大电路、有源滤波电路、射随电路之后，生成第三路测试信号。

本实施例中，被测试的原子钟可以采用10MHz高稳晶振，10MHz高稳晶振加电后初始状态自由振荡，其输出10MHz的信号经过三功分器后两路作为被测信号，另外一路作为FPGA电路外部时钟供FPGA配置电路工作，经过放大滤波电路后闭环至高稳晶振实现控制输出频率；固定晶振压控电压输出频率后，分别通过阿伦方差测试仪、频谱分析仪、高精度万用表以及调试计算机测试记录相关数据，并根据记录的数据计算相关性能指标。

图3为本发明提供一种星载原子钟高稳晶振的测试方法的流程示意图，可以应用在如图1、图2所示的星载原子钟高稳晶振的测试系统中，本实施例中的测试方法包括：

步骤1：将被测的高稳晶振分别与测试控制板和直流电源电连接；

步骤2：分别通过阿伦方差测试仪、频谱分析仪、万用表获取第一数据、第二数据、第三数据；

步骤3：根据第一数据、第二数据和第三数据，确定高稳晶振的压控中心点、压控频偏线性度、输出信号稳定度以及相位噪声。

示例性的，在步骤1之前，测试方法还包括：

对参考源提前进行24小时的加电。

示例性的，在执行步骤2之前，测试方法还包括：

判断阿伦方差测试仪的input信号以及REF_IN信号的功率指示灯是否均显示蓝色；

判断调试计算机与测试控制板中FPGA电路的连接的下载器电源指示灯是否显示绿色，以及下载软件是否成功识别到测试控制板的FPGA电路。

示例性的，步骤2包括：

步骤2.1：调试计算机分别配置测试控制板中FPGA电路给14位数模转换器的十组固定输出数据，使得测试控制板平均输出十组电压，用以分别固定输出被测的高稳晶振的压控电压。

步骤2.2：在每个压控电压点设置完成0.5h后，摁下阿伦方差测试仪start键；并通过调试计算机启动万用表的开始按钮，启动测试。

步骤2.3：以固定的采集间隔时间采集并记录第三数据；完成第三数据记录后，通过计算第三数据的标准方差来分析压控电压端的电压噪声。

步骤2.4：控制频谱分析仪不同的带宽状态下测量得的第二数据。

步骤2.5：当阿伦方差测试仪显示屏显示的置信区覆盖10s区域后，摁下阿伦方差测试仪的stop按钮，并记录第一数据，第一数据包括：频率稳定度、相位噪声以及1s对应的输出频率。

本实施例中，以10MHz高稳晶振为例，10MHz高稳晶振提前加电进入稳态；测试控制板、阿伦方差测试仪、频谱分析仪、调试计算机以及高精度万用表电源加电。确认测试设备加电后，状态是否正常；通过调试计算机对测试控制板的FPGA电路配置10MHz高稳晶振不同的压控电压点，使用阿伦方差测试仪测试并记录不同压控电压点下的高稳晶振频率稳定度、相位噪声以及输出频率值；通过频谱分析仪，设置中心频点为高稳晶振的标称输出频率，带宽分别设置在一定带宽的窄带和宽带两种状态下，完成一次带宽内的扫描后，测试并记录高稳晶振输出频谱谐杂波抑制指标。

具体地，首先按照附图1中的连接方式搭建测试系统；参考源(氢原子钟)提前24小时加电预热；被测高稳晶振提前0.5小时加电预热、测试控制板以及其他测试设备上电进入到稳定的状态，此时高稳晶振处于自由振荡的状态；将调试计算机数字采集记录软件打开，将“0V”配置程序烧入FPGA，此时压控晶振的压控电压为0V，十五分钟后，运行阿伦方差测试仪的“start”按钮，同时将调试计算机中的高精度采集仪采集软件启动，300s后停止；当阿伦方差测试仪显示屏，置信区覆盖10s区域后摁下stop按钮；记录10ms，1s，10s阿伦方差数据、1Hz～100KHz相位噪声数据，1s对应的freq频率数值F(精确到0.0000001Hz)；调试计算机记录高精度万用表采集的晶振压控电压300个电压值。

进一步地，更改高稳晶振压控电压配置程序，逐一输出“0.5V”、“1V”、“1.5V”、“2V”、“2.5V”、“3V”、“3.5V”、“4V”、“4.5V”、“5V”的压控电压，并重复上述的测试步骤。然后，根据十个压控点的测试，对测试数据进行分析，通过计算，得出高稳晶振的压控频偏线性度性能指标。

上述测试记录了高稳晶振十个对应的输出频率值F1～F10，频率总频偏为DT＝(F10-F1)；同时采用最小二乘法，得到了一条F～V最佳基本曲线，另外定义实际测量出的频率与上述拟合的F～V最佳曲线特性之间的最大频差为±FMAX，可以算出压控晶振的频偏线性度L(％)＝±FMAX/DT。

根据附图1及图2测试框图，十个压控电压在每次对10MHz高稳晶振信号进行测试的同时，对压控电压进行了300点高精度采集，得出电压值数组V1～V300，对该组数据进行标准差计算，得出该固定压控电压的噪声误差Δv。

根据附图1及图2测试框图，功分电路其中一路被测信号接至频谱分析仪。首先，设置ffeq＝10MHz，SPAN设为200MHz，AMP设为+20dBm，BW设为1k，测试在带宽为200MHz的情况下，测试高稳晶振输出信号的谐杂波抑制数据；其次，设置ffeq＝10MHz，SPAN设为2MHz，AMP设为+20dBm，BW设为1Hz，测试在带宽为2MHz的情况下，测试高稳晶振输出信号的谐杂波抑制数据。通过依次执行附图3的测试步骤，最终完成星载原子钟高稳晶振的精细化测试。

本发明提供的星载原子钟高稳晶振的测试系统和方法，通过测试环境的搭建，测试设备的性能准备，测试数据的读取以及分析，对高稳晶振实现精细化的测试，以满足星载原子钟的使用要求。从而能够实现对晶振合理的筛选，以匹配不同的原子钟电路及物理系统，使得原子钟的性能能够达到最优。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种星载原子钟高稳晶振的测试系统，其特征在于，包括：测试控制板、阿伦方差测试仪、频谱分析仪、万用表、直流电源以及参考源，所述直流电源向所述测试控制板和被测的高稳晶振提供直流电，所述被测的高稳晶振在加电之后输出的射频信号经过所述测试控制板之后，得到三路测试信号；第一路测试信号输入所述阿伦方差测试仪，第二路测试信号输入所述频谱分析仪，第三路测试信号输入所述万用表；其中：

所述阿伦方差测试仪与所述参考源信号连接，所述参考源用于向所述阿伦方差测试仪提供参考信号；所述阿伦方差测试仪用于获取所述被测的高稳晶振的频率稳定度、相位噪声以及频率值；

所述频谱分析仪的中心频点为所述被测的高稳晶振的标称输出频率，用于获取所述被测的高稳晶振的频谱谐杂波抑制指标；

所述万用表，用于获取所述被测的高稳晶振的压控电压。

2.根据权利要求1所述的星载原子钟高稳晶振的测试系统，其特征在于，还包括：分别与所述测试控制板和所述万用表电连接的调试计算机，所述调试计算机用于控制所述测试控制板的压控电压点，使得所述被测的高稳晶振工作在不同的压控电压点状态下；所述调试计算机还用于控制所述万用表的启动和关闭。

3.根据权利要求1或2所述的星载原子钟高稳晶振的测试系统，其特征在于，所述测试控制板包括：第一放大器、功分器、第二放大器、FPGA电路、参考电压源、14位数模转换器、低噪声差分放大电路、有源滤波电路、射随电路；其中，所述被测的高稳晶振输出的射频信号经过所述功分器之后分为三路，第一路经过第一放大器之后生成所述第一路测试信号；第二路构成第二路测试信号，第三路经过第二放大器之后输入所述FPGA电路；所述14位数模转换器接收FPGA电路的输出信号和所述参考电压源的输出的电压信号之后，得到模拟信号；所述模拟信号依次经过所述低噪声差分放大电路、所述有源滤波电路、所述射随电路之后，生成所述第三路测试信号。

4.一种星载原子钟高稳晶振的测试方法，其特征在于，应用在如权利要求1-3中任一项所述的星载原子钟高稳晶振的测试系统中，所述测试方法包括：

步骤1：将被测的高稳晶振分别与测试控制板和直流电源电连接；

步骤2：分别通过阿伦方差测试仪、频谱分析仪、万用表获取第一数据、第二数据、第三数据；

步骤3：根据所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据，确定所述高稳晶振的压控中心点、压控频偏线性度、输出信号稳定度以及相位噪声。

5.根据权利要求4所述的星载原子钟高稳晶振的测试方法，其特征在于，在所述步骤1之前，所述测试方法还包括：

对参考源提前进行24小时的加电。

6.根据权利要求4所述的星载原子钟高稳晶振的测试方法，其特征在于，在执行所述步骤2之前，所述测试方法还包括：

判断所述阿伦方差测试仪的input信号以及REF_IN信号的功率指示灯是否均显示蓝色；

判断调试计算机与测试控制板中FPGA电路的连接的下载器电源指示灯是否显示绿色，以及下载软件是否成功识别到所述测试控制板的FPGA电路。

7.根据权利要求4所述的星载原子钟高稳晶振的测试方法，其特征在于，所述步骤2包括：

调试计算机分别配置测试控制板中FPGA电路给14位数模转换器的十组固定输出数据，使得测试控制板平均输出十组电压，用以分别固定输出所述被测的高稳晶振的压控电压；

在每个压控电压点设置完成0.5h后，摁下阿伦方差测试仪start键；并通过调试计算机启动万用表的开始按钮，启动测试；

以固定的采集间隔时间采集并记录第三数据；完成第三数据记录后，通过计算第三数据的标准方差来分析压控电压端的电压噪声；

控制频谱分析仪不同的带宽状态下测量得的第二数据；

当阿伦方差测试仪显示屏显示的置信区覆盖10s区域后，摁下阿伦方差测试仪的stop按钮，并记录第一数据，所述第一数据包括：频率稳定度、相位噪声以及1s对应的输出频率。

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