CN113437969B - 锁相环频率综合器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锁相环频率综合器及其控制方法，其中，锁相环频率综合器包括：压控振荡器，用于产生微波信号；定向耦合器，用于将微波信号分为主信号和耦合信号，以及将主信号传输至顺磁共振谱仪的发射机，进入谐振腔；自动频率控制单元，自动频率控制单元与谐振腔连接，用于产生第一震荡信号和第二震荡信号，并生成频率偏差信号以及根据该信号生成频率设置信号；锁相环控制单元，锁相环控制单元分别与定向耦合器、压控振荡器、自动频率控制单元连接，用于产生低相位噪声信号，并对压控振荡器进行控制。该锁相环频率综合器，可以实现将压控振荡器的输出频率锁定至谐振腔的谐振频率，同时还可降低压控振荡器的输出信号的相位失真。

Description

锁相环频率综合器及其控制方法
技术领域
本发明涉及共振谱仪技术领域，尤其涉及一种锁相环频率综合器及其控制方法。
背景技术
在现有的电子顺磁共振谱仪中，通常需要将被测样品置于谐振腔，通过将波源产生的微波信号传输至谐振腔来激发样品，使得电子学读出系统可以测量从谐振腔内反射到谱仪接收机的微波信号功率，从而得到电子顺磁共振波谱。在该过程中，为了使样品吸收足够的微波信号能量，需要使波源的输出频率与谐振腔的谐振频率相等。同时为了降低谱仪的噪声，需要降低波源输出信号的相位噪声。而在谱仪的实际工作过程中，由于以下几种原因，谐振腔的谐振频率会发生变化：接近磁共振时样品的磁化率发生变化、谐振腔受热发生形变。谐振腔的谐振频率发生变化会导致波源产生的微波信号频率与谐振腔的谐振频率之间存在偏差，这种频率偏差使得顺磁共振谱线的信噪比降低、波形失真。
为了使波源输出频率追踪谐振腔的谐振频率，波源控制装置采用AFC(AutomaticFrequency Control，自动频率控制)技术，通过自动评估频率偏差的大小和方向，对波源输出频率进行修正，从而使得波源频率追踪谐振腔的谐振频率。
但是，上述AFC技术由于是将波源与谐振腔耦合，波源的输出相位噪声取决于谐振腔的品质因数大小，品质因数越高，波源的相位噪声越低，反之相反。而在实际工作过程中，谐振腔的品质因数会由于磁共振吸收现象而剧烈减小，导致波源的输出相位噪声劣化。即，上述AFC技术会导致谱线信噪比随着波源的相位噪声劣化而降低。而且，也无法确保波源输出信号具有足够好的相位波形。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种锁相环频率综合器，该锁相环频率综合器可以实现将压控振荡器的输出频率锁定至谐振腔的谐振频率，从而使样品可以吸收足够的微波信号能量。同时还可降低压控振荡器的输出信号的相位失真，从而降低顺磁共振谱仪的噪声。
本发明的第二个目的在于提出一种锁相环频率综合器的控制方法。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种锁相环频率控制器，所述锁相环频率综合器包括：压控振荡器，所述压控振荡器用于产生微波信号；定向耦合器，所述定向耦合器与所述压控振荡器连接，用于将所述微波信号分为主信号和耦合信号，以及将所述主信号传输至所述顺磁共振谱仪的发射机，进入谐振腔；自动频率控制单元，所述自动频率控制单元与所述谐振腔连接，用于产生第一震荡信号和第二震荡信号，并根据所述第二震荡信号和所述谐振腔的反射信号生成频率偏差信号，以及根据所述频率偏差信号生成频率设置信号，其中，所述频率偏差信号包括所述微波信号的频率与所述反射信号的频率偏差信息；锁相环控制单元，所述锁相环控制单元分别与所述定向耦合器、所述压控振荡器、所述自动频率控制单元连接，用于产生低相位噪声信号，并根据所述低相位噪声信号、所述耦合信号、所述第一震荡信号和所述频率设置信号对所述压控振荡器进行控制，以将所述微波信号的频率锁定至所述谐振腔的谐振频率和降低所述微波信号的相位噪声。
根据本发明实施例的锁相环频率综合器，可以实现将压控振荡器的输出频率锁定至谐振腔的谐振频率，从而使样品可以吸收足够的微波信号能量。同时还可降低压控振荡器的输出信号的相位失真，从而降低顺磁共振谱仪的噪声。
另外，本发明上述的锁相环频率综合器还可以包括如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述锁相环控制单元包括：低噪声振荡器，所述低噪声振荡器用于产生所述低相位噪声信号；锁相环模块，所述锁相环模块分别与所述定向耦合器、所述低噪声振荡器和所述自动频率控制单元连接，用于根据所述低相位噪声信号、所述耦合信号、所述第一震荡信号和所述频率设置信号生成控制信号；第一低通滤波器，所述第一低通滤波器分别与所述锁相环模块和所述压控振荡器连接，用于对所述控制信号进行滤波处理，并通过滤波处理后的控制信号对所述压控振荡器进行控制。
根据本发明的一个实施例，所述锁相环模块包括：第一分频器，所述第一分频器与所述定向耦合器连接，用于对所述耦合信号的频率进行分频；调制模块，所述调制模块分别与所述自动频率控制单元和所述第一分频器连接，用于根据所述第一震荡信号控制所述第一分频器的分频比；第二分频器，所述第二分频器分别与所述低噪声振荡器和所述自动频率控制单元连接，用于对所述低相位噪声信号进行的频率进行分频，其中，所述第二分频器由所述频率设置信号确定；鉴频鉴相器，所述鉴频鉴相器分别与所述第一分频器、所述第二分频器和所述低通滤波器连接，用于根据分频后的耦合信号和分频后的低相位噪声信号生成所述控制信号。
根据本发明的一个实施例，所述自动频率控制单元包括：鉴频模块，所述鉴频模块分别与所述谐振腔和所述调制模块连接，用于产生所述第一震荡信号和所述第二震荡信号，并根据所述第二震荡信号和所述谐振腔的反射信号生成频率偏差信号；频率设置模块，所述频率设置模块分别与所述鉴频模块和所述第二分频器连接，用于根据所述频率偏差信号生成所述频率设置信号，并根据所述频率设置信号控制所述第二分频器的分频比。
根据本发明的一个实施例，所述鉴频模块包括：振荡器，所述振荡器与所述调制模块连接，用于产生所述第一震荡信号和所述第二震荡信号；检波器，所述检波器与所述谐振腔连接，用于对所述反射信号进行幅度解调，以生成幅度信号；乘法器，所述乘法器分别与所述检波器和所述振荡器连接，用于对所述幅度信号和所述第二震荡信号进行乘法运算；第二低通滤波器，所述第二低通滤波器与所述乘法器连接，用于对乘法运算后输出的信号进行低通滤波处理；PID控制器，所述PID控制器分别与所述第二低通滤波器和所述频率设置模块连接，用于对低通滤波处理后的信号进行PID调节，以生成所述频率偏差信号。
根据本发明的一个实施例，当所述锁相环控制单元达到锁定状态时，所述微波信号的频率为
Figure BDA0003083514430000031
其中，fref为所述低相位噪声信号的频率，
Figure BDA0003083514430000032
为所述第一分频器的分频比，
Figure BDA0003083514430000033
为所述第二分频器的分频比，fin1为所述第一分频器的输入信号的频率，fout1为所述第一分频器的输出信号的频率，fin2为所述第二分频器的输入信号的频率，fout2为所述第二分频器的输出信号的频率。
根据本发明的一个实施例，所述第一低通滤波器的带宽为-3dB。
根据本发明的一个实施例，所述第一震荡信号和所述第二震荡信号的频率相同，相位相反。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出一种锁相环频率综合器的控制方法，所述方法用于控制上述的锁相环频率综合器，所述方法包括以下步骤：通过所述定向耦合器将所述压控振荡器产生的微波信号分为主信号和耦合信号，并将所述主信号传输至所述顺磁共振谱仪的发射机，进入谐振腔，以及将所述耦合信号传输至所述锁相环控制单元；通过所述自动频率控制单元产生第一震荡信号和第二震荡信号，并根据所述第二震荡信号和所述谐振腔的反射信号生成频率偏差信号，以及根据所述频率偏差信号生成频率设置信号，其中，所述频率偏差信号包括所述微波信号的频率与所述反射信号的频率偏差信息；通过所述自动频率控制单元将所述第一震荡信号和所述频率设置信号传输至所述锁相环控制单元；通过所述锁相环控制单元产生低相位噪声信号，将波源输出频率与锁相环单元内部的低噪声振荡器耦合，并根据所述低相位噪声信号、所述耦合信号、所述第一震荡信号和所述频率设置信号对所述压控振荡器进行控制，以将所述微波信号的频率锁定至所述谐振腔的谐振频率和降低所述微波信号的相位噪声。
本发明实施例的锁相环频率综合器的控制方法，通过定向耦合器将压控振荡器产生的微波信号分为主信号和耦合信号，并将主信号传输至顺磁共振谱仪的发射机，进入谐振腔，以及将耦合信号传输至锁相环控制单元；进而通过自动频率控制单元产生第一震荡信号和第二震荡信号，并根据第二震荡信号和谐振腔的反射信号生成频率偏差信号，以及根据频率偏差信号生成频率设置信号，其中，频率偏差信号包括微波信号的频率与反射信号的频率偏差信息；并通过自动频率控制单元将第一震荡信号和频率设置信号传输至锁相环控制单元；从而通过锁相环控制单元产生低相位噪声信号，将波源输出频率与锁相环单元内部的低噪声振荡器耦合，并根据低相位噪声信号、耦合信号、第一震荡信号和频率设置信号对压控振荡器进行控制，以将微波信号的频率锁定至谐振腔的谐振频率和降低微波信号的相位噪声。由此，可以实现将压控振荡器的输出频率锁定至谐振腔的谐振频率，从而使样品可以吸收足够的微波信号能量。同时还可降低压控振荡器的输出信号的相位失真，从而降低顺磁共振谱仪的噪声。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明第一实施例的锁相环频率综合器的结构框图；
图2是本发明第二实施例的锁相环频率综合器的结构框图；
图3是本发明一个实施例的锁相环频率综合器的示意图；
图4是本发明一个实施例的锁相环频率综合器的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的锁相环频率综合器及其控制方法。
图1是本发明一个实施例的锁相环频率综合器的结构框图。
如图1所示，锁相环频率综合器10包括：压控振荡器11、定向耦合器12、自动频率控制单元13、锁相环控制单元14。
具体地，压控振荡器11用于产生微波信号；定向耦合器12与压控振荡器11连接，用于将微波信号分为主信号和耦合信号，以及将主信号传输至顺磁共振谱仪的发射机16，进入谐振腔15；自动频率控制单元13与谐振腔15连接，用于产生第一震荡信号和第二震荡信号，并根据第二震荡信号和谐振腔15的反射信号生成频率偏差信号，以及根据频率偏差信号生成频率设置信号，其中，频率偏差信号包括微波信号的频率与反射信号的频率偏差信息；锁相环控制单元14分别与定向耦合器12、压控振荡器11、自动频率控制单元13连接，用于产生低相位噪声信号，并根据低相位噪声信号、耦合信号、第一震荡信号和频率设置信号对压控振荡器11进行控制，以将微波信号的频率锁定至谐振腔15的谐振频率和降低微波信号的相位噪声。
其中，上述压控振荡器11产生的微波信号用于在被传输到顺磁共振谱仪的发射机16，并通过发射机16倍传输至谐振腔15后，激发放置于谐振腔内的样品产生顺磁共振信号。上述第一震荡信号和上述第二震荡信号的频率相同，相位相反。
需要说明的是，上述压控振荡器11有三个端口：一个供电端口、一个微波信号输出端口、一个频率控制端口。该压控振荡器11可以实现在正常工作范围内，压控振荡器输出的微波信号的频率与上述频率控制端口的电压呈现单调递增的关系。
进一步地，上述定向耦合器13有三个端口：输入端口、输出端口、耦合端口。定向耦合器13通过输入端口接收压控振荡器传输的微波信号，并对其进行一定的衰减，进而将衰减后的信号从输出端口输出。同时，定向耦合器13还会从耦合端口反馈一定功率的信号至锁相环控制单元14。
进一步地，如图2所示，上述锁相环控制单元14包括：低噪声振荡器141、锁相环模块142、第一低通滤波器143。
具体地，低噪声振荡器141用于产生低相位噪声信号；锁相环模块142分别与定向耦合器12、低噪声振荡器141和自动频率控制单元13连接，用于根据低相位噪声信号、耦合信号、第一震荡信号和频率设置信号生成控制信号；第一低通滤波器143分别与锁相环模块142和压控振荡器11连接，用于对控制信号进行滤波处理，并通过滤波处理后的控制信号对压控振荡器11进行控制。
其中，如图2所示，上述锁相环模块142包括：第一分频器1421、调制模块1422、第二分频器1423、鉴频鉴相器1424。
具体地，第一分频器1421与定向耦合器12连接，用于对耦合信号的频率进行分频；调制模块1422分别与自动频率控制单元13和第一分频器1421连接，用于根据第一震荡信号控制第一分频器1421的分频比；第二分频器1423分别与低噪声振荡器141和自动频率控制单元13连接，用于对低相位噪声信号进行的频率进行分频，其中，第二分频器1423由频率设置信号确定；鉴频鉴相器1424分别与第一分频器1421、第二分频器1423和第一低通滤波器143连接，用于根据分频后的耦合信号和分频后的低相位噪声信号生成控制信号。
其中，上述第一低通滤波器143的带宽为-3dB。上述鉴频鉴相器1424具有两个输入端口，一个输出端口，其作用是比较两个输入端口的输入信号的频率之差，并将该差值输出至第一低通滤波器143。上述第一低通滤波器143的输出端连接到上述压控振荡器11的频率控制端口，从而实现根据第一分频器1421的输出信号的频率与第二分频器1423的输出信号的频率之间的差值对压控振荡器11的输出信号进行频率调制。上述第一分频器1421的输入信号为定向耦合器12反馈的信号，上述第二分频器1423的输入信号为低噪声振荡器输出的低相位噪声信号。
由此，可以实现鉴频鉴相器1424可以根据定向耦合器12反馈至第一分频器1421的信号的频率与低噪声振荡器141输出的低相位噪声信号的频率之间的差值对压控振荡器11的输出信号进行频率调制，从而实现压控振荡器11的输出信号与低噪声振荡器141输出的低相位噪声信号之间实现相位耦合，从而降低了压控振荡器11的输出信号的相位噪声。
进一步地，如图2所示，上述自动频率控制单元13包括鉴频模块131、频率设置模块132。
具体地，鉴频模块131分别与谐振腔15和调制模块1422连接，用于产生第一震荡信号和第二震荡信号，并根据第二震荡信号和谐振腔15的反射信号生成频率偏差信号；频率设置模块132分别与鉴频模块131和第二分频器1423连接，用于根据频率偏差信号生成频率设置信号，并根据频率设置信号控制第二分频器的分频比。
其中，如图2所示，上述鉴频模块131包括：振荡器1311、检波器1312、乘法器1313、第二低通滤波器1314、PID控制器1315。
具体地，振荡器1311与调制模块1422连接，用于产生第一震荡信号和第二震荡信号；检波器1312与谐振腔15连接，用于对反射信号进行幅度解调，以生成幅度信号；乘法器1313分别与检波器1312和振荡器1311连接，用于对幅度信号和第二震荡信号进行乘法运算；第二低通滤波器1314与乘法器1313连接，用于对乘法运算后输出的信号进行低通滤波处理；PID控制器1315分别与第二低通滤波器1314和频率设置模块132连接，用于对低通滤波处理后的信号进行PID调节，以生成频率偏差信号。
在本发明的一个实施例中，如图3所示，鉴频模块131可以用于获取压控振荡器11的输出信号的频率与谐振腔15的谐振频率之间的频率差值，进而生成携带有该频率差值信息的信号。具体地，压控振荡器11输出信号，该信号经过谐振腔15之后，会转变为幅度调制信号，该幅度调制信号中包含压控振荡器11的输出信号的频率与谐振腔15的谐振频率之间的频率差值。检波器1312的作用是对输入至检波器1312的该幅度调制信号进行幅度解调，产生幅度信号，进而将该幅度信号输出至乘法器1313。乘法器1313对振荡器1311产生的第二震荡信号与检波器1312输出的幅度信号进行乘法运算，该乘法运算的结果与上述频率偏差一一对应。乘法器1313将运算结果输出至第二低通滤波器1314，第二低通滤波器1314对其进行滤波并将滤波结果输出至PID控制器1315，生成携带有频率偏差信息的信号。该信号被传输至频率设置模块132。频率设置模块132生成频率设置信息，该信息被输入到锁相环模块142，通过控制第二分频器1423的分频比，实现对压控振荡器11输出频率进行设置，进一步减小频率偏差，以此循环，直到达到锁定状态。达到锁定状态的标志可以为上述压控振荡器11的输出信号的频率与谐振腔15的谐振频率之间的频率差值小于设定的阈值。
需要说明的是，当锁相环控制单元14达到锁定状态时，微波信号的频率为
Figure BDA0003083514430000071
其中，fref为低相位噪声信号的频率，
Figure BDA0003083514430000072
为第一分频器1421的分频比，
Figure BDA0003083514430000073
为第二分频器1423的分频比，fin1为第一分频器1421的输入信号的频率，fout1为第一分频器1421的输出信号的频率，fin2为第二分频器1423的输入信号的频率，fout2为第二分频器1423的输出信号的频率。
由此，可以实现根据谐振腔的谐振频率对压控振荡器11的输出频率进行设置，从而将压控振荡器的输出频率锁定至谐振腔的谐振频率。
需要说明的是，上述锁相环控制单元14还可以实现根据外接输入的信号，调节压控振荡器11的输出频率，且调制速率fm和调制深度fdev可以调节。例如，可以通过锁相环控制单元14中的调制模块1422接收振荡器1311输出的第一震荡信号，该第一震荡信号是一个周期变化的高低电平信号。当接收到高电平信号时，调制模块1422控制N1的值为N11，从而使得压控振荡器11输出频率为
Figure BDA0003083514430000074
当该信号为低电平时，调制模块1422控制N1的值为N10，从而使得压控振荡器11输出频率为
Figure BDA0003083514430000075
当上述高低电平信号呈现高低电平周期性变化时，压控振荡器的输出频率也按照f1到f0周期性变化，从而实现频率调制。其中，调制速率fm由上述高低电平信号的周期决定，调制深度fdev由调制模块决定，二者都可以调节。
由此，可以实现振荡器1311输出第一震荡信号至锁相环模块142，对压控振荡器11的输出信号进行频率调制。压控振荡器11输出经过频率调制的信号，该信号经过谐振腔15之后，会转变为幅度调制信号，该幅度调制信号中包含压控振荡器11的输出信号的频率与谐振腔15的谐振频率之间的频率差值。从而自动频率控制单元13可以利用该幅度调制信号将压控振荡器的输出频率锁定至谐振腔的谐振频率。
在本发明的一个实施例中，还可以将锁相环控制单元14中的低噪声振荡器141更换为一个低噪声压控振荡器。该低噪声压控振荡器接收外界输入的一个周期性交变电压信号，从而使fref的值周期性变化，进一步使fvco的值周期性变化，从而实现了对压控振荡器11的输出信号进行频率调制，且调制速率和调制深度都可由上述外界信号进行调节。
综上，本发明实施例的锁相环频率综合器，可以实现将压控振荡器的输出频率锁定至谐振腔的谐振频率，从而使样品可以吸收足够的微波信号能量。同时还可降低压控振荡器的输出信号的相位失真，从而降低顺磁共振谱仪的噪声。
图4是本发明一个实施例的锁相环频率综合器的控制方法的流程图。
在该实施例中，锁相环频率综合器的控制方法用于上述的锁相环频率综合器。
如图4所示，锁相环频率综合器包括以下步骤：
S1，通过所述定向耦合器将所述压控振荡器产生的微波信号分为主信号和耦合信号，并将所述主信号传输至所述顺磁共振谱仪的发射机，进入谐振腔，以及将所述耦合信号传输至所述锁相环控制单元。
具体地，所述定向耦合器是一个三端口的功率分配器件，三个端口分别是：输入端、输出端、耦合端。所述压控振荡器产生的微波信号输入至所述定向耦合器的输入端，经过一定的衰减从输出端输出的信号进入所述谱仪的发射机，之后进入谐振腔激励样品。同时会有一定功率的信号从所述定向耦合器的耦合输出端输出，该信号被反馈至所述锁相环控制单元。
S2，通过所述自动频率控制单元产生第一震荡信号和第二震荡信号，并根据所述第二震荡信号和所述谐振腔的反射信号生成频率偏差信号，以及根据所述频率偏差信号生成频率设置信号。
所述自动频率控制单元由频率设置模块和鉴频模块组成。其中所述鉴频模块由振荡器、乘法器、检波器、第二低通滤波器、PID控制器组成。
所述鉴频模块用于生成携带有频率偏差信息的信号。所述鉴频模块工作原理如下。所述振荡器产生第一震荡信号和第二震荡信号。所述检波器的作用是对输入至检波器的幅度调制信号进行幅度解调，产生幅度信号。所述振荡器产生的第二震荡信号与所述检波器输出的幅度信号进行乘法运算，并经过第二低通滤波器，输出的信号与上述频率偏差一一对应。所述第二低通滤波器的输出信号进入PID控制器，生成携带有频率偏差信息的信号。所述偏差信号被传输至频率设置模块。所述频率设置模块生成频率设置信息。
其中，所述频率偏差信号包括所述微波信号的频率与所述反射信号的频率偏差信息。
S3，通过所述自动频率控制单元将所述第一震荡信号和所述频率设置信号传输至所述锁相环控制单元。
具体地，所述振荡器产生的第一震荡信号输出到所述锁相环控制单元，对所述压控振荡器输出信号进行频率调制，调制速率为fm；所述调频信号经过谐振腔之后，会转变为幅度调制信号。所述频率设置信号被输入到所述锁相环控制单元，对所述压控振荡器输出频率进行设置，进一步减小频率偏差，以此循环，直到达到锁定状态。锁定时，频率偏差小于设定的阈值。
S4，通过所述锁相环控制单元产生低相位噪声信号，将波源输出频率与锁相环单元内部的低噪声振荡器耦合，并根据所述低相位噪声信号、所述耦合信号、所述第一震荡信号和所述频率设置信号对所述压控振荡器进行控制，以将所述微波信号的频率锁定至所述谐振腔的谐振频率和降低所述微波信号的相位噪声。
需要说明的是，本发明实施例的锁相环频率综合器的控制方法的其他具体实施方式，可以参见上述的锁相环频率综合器。
综上，本发明实施例的锁相环频率综合器的控制方法，可以实现将压控振荡器的输出频率锁定至谐振腔的谐振频率，从而使样品可以吸收足够的微波信号能量。同时还可降低压控振荡器的输出信号的相位失真，从而降低顺磁共振谱仪的噪声。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种锁相环频率综合器，其特征在于，所述锁相环频率综合器用于顺磁共振谱仪，所述锁相环频率综合器包括：
压控振荡器，所述压控振荡器用于产生微波信号；
定向耦合器，所述定向耦合器与所述压控振荡器连接，用于将所述微波信号分为主信号和耦合信号，以及将所述主信号传输至所述顺磁共振谱仪的发射机，进入谐振腔；
自动频率控制单元，所述自动频率控制单元与所述谐振腔连接，用于产生第一震荡信号和第二震荡信号，并根据所述第二震荡信号和所述谐振腔的反射信号生成频率偏差信号，以及根据所述频率偏差信号生成频率设置信号，其中，所述频率偏差信号包括所述微波信号的频率与所述反射信号的频率偏差信息；
锁相环控制单元，所述锁相环控制单元分别与所述定向耦合器、所述压控振荡器、所述自动频率控制单元连接，用于产生低相位噪声信号，并根据所述低相位噪声信号、所述耦合信号、所述第一震荡信号和所述频率设置信号对所述压控振荡器进行控制，以将所述微波信号的频率锁定至所述谐振腔的谐振频率和降低所述微波信号的相位噪声。
2.如权利要求1所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述锁相环控制单元包括：
低噪声振荡器，所述低噪声振荡器用于产生所述低相位噪声信号；
锁相环模块，所述锁相环模块分别与所述定向耦合器、所述低噪声振荡器和所述自动频率控制单元连接，用于根据所述低相位噪声信号、所述耦合信号、所述第一震荡信号和所述频率设置信号生成控制信号；
第一低通滤波器，所述第一低通滤波器分别与所述锁相环模块和所述压控振荡器连接，用于对所述控制信号进行滤波处理，并通过滤波处理后的控制信号对所述压控振荡器进行控制。
3.如权利要求2所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述锁相环模块包括：
第一分频器，所述第一分频器与所述定向耦合器连接，用于对所述耦合信号的频率进行分频；
调制模块，所述调制模块分别与所述自动频率控制单元和所述第一分频器连接，用于根据所述第一震荡信号控制所述第一分频器的分频比；
第二分频器，所述第二分频器分别与所述低噪声振荡器和所述自动频率控制单元连接，用于对所述低相位噪声信号进行的频率进行分频，其中，所述第二分频器由所述频率设置信号确定；
鉴频鉴相器，所述鉴频鉴相器分别与所述第一分频器、所述第二分频器和所述第一低通滤波器连接，用于根据分频后的耦合信号和分频后的低相位噪声信号生成所述控制信号。
4.如权利要求3所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述自动频率控制单元包括：
鉴频模块，所述鉴频模块分别与所述谐振腔和所述调制模块连接，用于产生所述第一震荡信号和所述第二震荡信号，并根据所述第二震荡信号和所述谐振腔的反射信号生成频率偏差信号；
频率设置模块，所述频率设置模块分别与所述鉴频模块和所述第二分频器连接，用于根据所述频率偏差信号生成所述频率设置信号，并根据所述频率设置信号控制所述第二分频器的分频比。
5.如权利要求4所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述鉴频模块包括：
振荡器，所述振荡器与所述调制模块连接，用于产生所述第一震荡信号和所述第二震荡信号；
检波器，所述检波器与所述谐振腔连接，用于对所述反射信号进行幅度解调，以生成幅度信号；
乘法器，所述乘法器分别与所述检波器和所述振荡器连接，用于对所述幅度信号和所述第二震荡信号进行乘法运算；
第二低通滤波器，所述第二低通滤波器与所述乘法器连接，用于对乘法运算后输出的信号进行低通滤波处理；
PID控制器，所述PID控制器分别与所述第二低通滤波器和所述频率设置模块连接，用于对低通滤波处理后的信号进行PID调节，以生成所述频率偏差信号。
6.如权利要求3所述的锁相环频率综合器，其特征在于，当所述锁相环控制单元达到锁定状态时，所述微波信号的频率为
Figure FDA0003083514420000021
其中，fref为所述低相位噪声信号的频率，
Figure FDA0003083514420000022
为所述第一分频器的分频比，
Figure FDA0003083514420000023
为所述第二分频器的分频比，fin1为所述第一分频器的输入信号的频率，fout1为所述第一分频器的输出信号的频率，fin2为所述第二分频器的输入信号的频率，fout2为所述第二分频器的输出信号的频率。
7.如权利要求2所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述第一低通滤波器的带宽为-3dB。
8.如权利要求1-7中任一项所述的锁相环频率综合器，其特征在于，所述第一震荡信号和所述第二震荡信号的频率相同，相位相反。
9.一种锁相环频率综合器的控制方法，其特征在于，所述方法用于控制如权利要求1-8中任一项所述的锁相环频率综合器，所述方法包括以下步骤：
通过所述定向耦合器将所述压控振荡器产生的微波信号分为主信号和耦合信号，并将所述主信号传输至所述顺磁共振谱仪的发射机，进入谐振腔，以及将所述耦合信号传输至所述锁相环控制单元；
通过所述自动频率控制单元产生第一震荡信号和第二震荡信号，并根据所述第二震荡信号和所述谐振腔的反射信号生成频率偏差信号，以及根据所述频率偏差信号生成频率设置信号，其中，所述频率偏差信号包括所述微波信号的频率与所述反射信号的频率偏差信息；
通过所述自动频率控制单元将所述第一震荡信号和所述频率设置信号传输至所述锁相环控制单元；
通过所述锁相环控制单元产生低相位噪声信号，将波源输出频率与锁相环单元内部的低噪声振荡器耦合，并根据所述低相位噪声信号、所述耦合信号、所述第一震荡信号和所述频率设置信号对所述压控振荡器进行控制，以将所述微波信号的频率锁定至所述谐振腔的谐振频率和降低所述微波信号的相位噪声。
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