CN112286106B - 微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置，包括：恒温压控晶振、时钟分配电路、DDS时钟产生电路、上变频本振电路、FPGA控制电路、DDS频率合成电路、程控衰减器以及后级π网络。恒温压控晶振输出晶振信号；时钟分配电路将晶振信号分配输出至DDS时钟产生电路、上变频本振电路及FPGA控制电路；上变频本振电路根据时钟信号产生本振信号；FPGA控制电路控制上变频本振电路、DDS频率合成电路及程控衰减器的参数；DDS频率合成电路接收DDS时钟产生电路产生的倍频时钟并产生预设时序的信号，预设时序信号与本振信号进行上混频后依次输出至程控衰减器及后级π网络，以调整馈入微波谐振腔的探测信号功率。

Description

微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置
技术领域
本发明涉及宇航用原子钟类产品射频及数字电路领域，特别涉及一种微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置。
背景技术
原子钟是建立时频系统的基础，而高精度的氢原子钟具有其它的时间频标所无法比拟的优良短、中期稳定度。近年来，原子钟在我国军事国防、通信、守时、电力以及测绘等领域应用广泛。随着航天技术日新月异的发展，原子钟的应用逐步从地面走向了外太空。具有代表意义的，在我国自主研发的北斗导航卫星系统中多种星载原子钟已经成功在轨应用，性能可靠稳定，对导航系统的定位精度有着举足轻重的作用，尤其是被动型星载氢原子钟的大量应用，对北斗系统的性能提升更加明显。
目前全球四大导航系统，GPS导航系统1973年开始建设，共24颗地球轨道卫星，配置铷钟和铯钟；GLONASS导航系统1976年开始建设，包括21颗工作卫星，早期配置铷钟、铯钟，后期配置铷钟以及氢钟；伽利略导航系统2002年启动建设，全球系统由24颗卫星组成，配置铷钟以及氢钟；我国自主研发的北斗导航系统全球组网卫星由30颗工作卫星组成，从四大系统的建设来看，星载氢原子钟是各导航系统星座的主力配置。
微波类的原子钟通常需要产生本地微波探测信号，该信号因为不同的原子钟方案会具有不同的信号形式。该探测信号在每个探测周期内以相同的形式周而复始持续输出。原子钟是具有高精度以及高稳定度的时间基准源，其系统特点是低噪声、高信噪比。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置，以解决现有的不同的原子钟需要配备定制化的探测信号产生装置，且参数配置不够灵活、通用性不足的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置，包括：
恒温压控晶振、时钟分配电路、DDS时钟产生电路、上变频本振电路、FPGA控制电路、DDS频率合成电路、程控衰减器以及π网络
所述恒温压控晶振用于输出晶振信号；
所述时钟分配电路用于将所述晶振信号作为时钟信号分别分配输出至所述DDS时钟产生电路、上变频本振电路及FPGA控制电路；
所述上变频本振电路用于根据所述时钟信号产生本振信号；
所述FPGA控制电路用于控制所述上变频本振电路、DDS频率合成电路及程控衰减器的工作参数；
DDS频率合成电路，用于接收所述DDS时钟产生电路所产生的倍频时钟，并根据该倍频时钟产生预设时序的信号，所述预设时序的信号与所述本振信号进行上混频后依次输出至所述程控衰减器以及后级π网络，以调整馈入微波谐振腔的探测信号功率。
较佳地，所述恒温压控晶振输出的晶振信号频率为10MHz，所述晶振信号经过时钟分配，输出三路时钟信号作为装置的相参时钟。
较佳地，所述上变频本振电路为锁相环电路，所述锁相环电路包括锁相环芯片、环路滤波器以及晶体压控振荡器VCO。
较佳地，所述FPGA控制电路用于配置所述锁相环芯片的分频系数N1、N2，及设置所述锁相环电路的输出频率fL。
较佳地，所述DDS频率合成电路通过所述FPGA控制电路配置DDS芯片来实现，以在原子钟任意探测周期内灵活配置输出信号fI。
较佳地，所述程控衰减器为8bit控制时序进行并行控制，以便在与所述预设时序的信号同步的情况下，控制探测信号输出功率fOUT。
较佳地，所述探测信号的中心频点的频率范围为±100ppm，通过配置所述上变频本振电路的工作参数及DDS频率合成电路的并口寄存器配置模式进行中心频点调整。
较佳地，还包括依次连接的频谱搬移模块、信号提取模块、PID参数计算模块及数模转换电路，用于对所述微波谐振腔处理探测信号得到的原子跃迁信号依次进行频谱搬移、误差提取、误差PID参数处理以及数模转换后输出反馈信号作为所述恒温压控晶振的压控电压，以形成反馈控制环路闭环。
本发明可以取得以下有益效果：
可以实现不同方案下一定频率范围内的探测信号输出频率；
可以实现上变频电路本振信号频点的灵活配置；
可以实现上变频输入信号，即DDS频率综合电路输出信号在不同时序需求下的灵活输出；
可以实现原子钟探测信号在探测周期内不同时间块内的输出功率的灵活控制。
确定探测信号输出形式；分配本振输出信号，计算本振生成电路锁相环分频系数N1、N2；根据探测信号输出形式，确定DDS频率合成电路时序、频率控制字等配置参数；确定8bit程控衰减器控制时序、控制参数。
附图说明
图1为本发明装置整体组成示意图；
图2为本发明优选实施例的装置组成结构示意图；
图3为本发明优选实施例的装置功能模块关系示意图。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
如图1所示，本实施例提供了一种微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置，包括：恒温压控晶振10、时钟分配电路20、DDS时钟产生电路30、上变频本振电路40、FPGA控制电路50、DDS频率合成电路60、程控衰减器70以及π网络80。其中，恒温压控晶振10，用于输出晶振信号；时钟分配电路20，用于将恒温压控晶振10所输出的晶振信号作为时钟信号分别分配输出至DDS时钟产生电路30、上变频本振电路40及FPGA控制电路50。上变频本振电路40用于根据时钟信号产生本振信号。
DDS频率合成电路60，用于接收DDS时钟产生电路30所产生的倍频时钟，并根据该倍频时钟产生预设时序的信号，预设时序的信号与上变频本振电路40所产生的本振信号进行上混频后依次输出至程控衰减器70以及后级π网络80，以调整馈入微波谐振腔90的探测信号功率；FPGA控制电路50用于控制上变频本振电路40、DDS频率合成电路60及程控衰减器70的工作参数；而微波谐振腔用于将调整了功率的探测信号进行处理得到带有调制信息的原子跃迁信号。
本实施例中的恒温压控晶振输出的晶振信号频率为10MHz，该10MHz的晶振信号经过时钟分配电路进行时钟分配，输出三路时钟信号作为装置的相参时钟。
参考图2所示，本实施例中的DDS时钟产生电路30具体设置为PLL时钟倍频电路。时钟分配电路采用时钟驱动器RHFAC2525K01，确保输出带载能力，10MHz相参时钟波形不会失真。
本实施例中的上变频本振电路设置为锁相环电路，该锁相环电路包括锁相环芯片、环路滤波器以及晶体压控振荡器VCO。
再次参考图2所示，时钟驱动器输出的三路信号分别为：
第一路10MHz信号用作PLL时钟12倍频电路，其输出120MHz的DDS频率综合电路时钟信号，输出功率不小于3dbm，输出相位噪声≤-135dBc/Hz(@1KHz)，≤-145dBc/Hz(@100KHz)，≤-150dBc/Hz(@10MHz)；
第二路10MHz信号输出作为FPGA电路工作时钟，高电平不小于2.7V，低电平不大于0.3V；
第三路10M信号输出作为本振电路锁相环芯片的参考信号fr，信号功率0～5dbm。
而FPGA控制电路用于在主机的控制下配置锁相环芯片的分频系数N1、N2，及设置锁相环电路的输出频率fL。该锁相环电路的晶体压控振荡器VCO的中心频点为1420.405MHz，压控总频偏为±100ppm，第三路10M信号在该锁相环电路经锁相环、环路滤波及VCO后，输出相应本振信号fL。
本实施例中的DDS频率合成电路通过FPGA控制电路配置DDS芯片来实现，以在原子钟任意探测周期内灵活配置输出信号fI。具体地，该DDS频率合成电路采用的方式DDS专用芯片加上视频运放AD811SQ电路，通过FPGA配置DDS芯片，包括WRB并口模式下的并口时钟、RDB并口模式下的读时钟以及并口地址端口和并行双向数据端口；电路可以实现单频点模式(single_tone)，幅度键控模式(OSK)、频率键控模式(FSK)、相位键控(BPSK)以及可定义的线性或非线性频率扫描模式(RAMP/CHIRP)；DDS频率综合电路输出最大功率7dbm。
进一步参考图2，DDS频率合成电路60产生的预设时序的信号与上变频本振电路40所产生的本振信号通过上混频电路进行上混频，该上混频电路采用专用宽带混频芯片，实现DDS电路输出信号fI与本振信号fL的上变频后输出。
本实施例中的FPGA控制电路50由大规模可编程逻辑器件及其外围电路来实现，可以实现锁相环分频系数N1、N2的配置、DDS参数的配置以及程控衰减器控制信号的配置。
而程控衰减器70为8bit控制时序进行并行控制，以便在与预设时序的信号同步的情况下，控制探测信号输出功率fOUT。具体地，8bit程控衰减器实现在设定的时序范围内，总范围20dB，步进为0.16dB的精细化调节，以适应不同的探测信号形式；π网络可以实现输入输出50欧姆阻抗的输出功率的整体调整。探测信号fOUT的输出杂散≥25dB。
探测信号的中心频点的频率范围为±100ppm，通过配置上变频本振电路的工作参数及DDS频率合成电路的并口寄存器配置模式进行中心频点调整。
进一步参考图2，该装置还包括依次连接的频谱搬移模块、信号提取模块、PID参数计算模块及数模转换电路，探测信号fOUT馈入微波谐振腔90后，这些模块对微波谐振腔90输出的带有调制信息的原子跃迁信号依次进行频谱搬移、误差提取、误差PID参数处理以及数模转换，然后输出反馈信号作为恒温压控晶振的压控电压，以形成反馈控制环路闭环。输出的反馈信号为0～5V电压形式的反馈量，从而达到调整探测信号通用化产生装置输出信号中心频率的目的，形成反馈控制环路闭环。
进一步参考图3所示，本实施例提供的探测信号产生装置可细分为以下过程模块：10MHz恒温压控晶振(由接收反馈信号的前级压控控制电压提供压控电压)，恒温压控晶振输出信号经过时钟分配电路分为三路信号输出；DDS频率合成电路通过FPGA控制电路的参数配置可以灵活输出所需频率的信号作为上变(混)频电路的输入信号；FPGA控制电路通过对本振电路的锁相倍频的分频系数进行配置从而可以灵活调整本振输出信号；DDS输出信号与本振电路输出的本振信号上变频后的输出信号，经过FPGA电路控制的程控衰减器以及π网络进行输出功率控制，可以灵活调整馈入微波谐振腔的探测信号的时序以及功率状态。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置，其特征在于，包括：恒温压控晶振、时钟分配电路、DDS时钟产生电路、上变频本振电路、FPGA控制电路、DDS频率合成电路、程控衰减器以及后级π网络；
所述恒温压控晶振用于输出晶振信号；
所述时钟分配电路用于将所述晶振信号作为时钟信号分别分配输出至所述DDS时钟产生电路、上变频本振电路及FPGA控制电路；
所述上变频本振电路用于根据所述时钟信号产生本振信号；
所述FPGA控制电路用于控制所述上变频本振电路、DDS频率合成电路及程控衰减器的工作参数；
DDS频率合成电路，用于接收所述DDS时钟产生电路所产生的倍频时钟，并根据该倍频时钟产生预设时序的信号，所述预设时序的信号与所述本振信号进行上混频后依次输出至所述程控衰减器以及π网络，以调整馈入微波谐振腔的探测信号功率；
还包括依次连接的频谱搬移模块、信号提取模块、PID参数计算模块及数模转换电路，用于对所述微波谐振腔处理探测信号得到的原子跃迁信号依次进行频谱搬移、误差提取、误差PID参数处理以及数模转换后输出反馈信号作为所述恒温压控晶振的压控电压，以形成反馈控制环路闭环。
2.根据权利要求1所述的微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置，其特征在于，所述恒温压控晶振输出的晶振信号频率为10MHz，所述晶振信号经过时钟分配，输出三路时钟信号作为装置的相参时钟。
3.根据权利要求1所述的微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置，其特征在于，所述上变频本振电路为锁相环电路，所述锁相环电路包括锁相环芯片、环路滤波器以及晶体压控振荡器VCO。
4.根据权利要求3所述的微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置，其特征在于，所述FPGA控制电路用于配置所述锁相环芯片的分频系数N1、N2，及
设置所述锁相环电路的输出频率fL。
5.根据权利要求1所述的微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置，其特征在于，所述DDS频率合成电路通过所述FPGA控制电路配置DDS芯片来实现，以在原子钟任意探测周期内灵活配置输出信号fI。
6.根据权利要求1所述的微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置，其特征在于，所述程控衰减器为8bit控制时序进行并行控制，以便在与所述预设时序的信号同步的情况下，控制探测信号输出功率fOUT。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的微波类原子钟用的探测信号通用化产生装置，其特征在于，所述探测信号的中心频点的频率范围为±100ppm，通过配置所述上变频本振电路的工作参数及DDS频率合成电路的并口寄存器配置模式进行中心频点调整。
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