CN117032394B - 一种高频率准确度参考时钟源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频率准确度参考时钟源，主要用于提高雷达、通信等电子系统与频率准确度相关方面的性能。该参考时钟源包括FPGA控制模块，与FPGA控制模块相连的外部频标信号采集电路，与FPGA控制模块相连的频率输出调整电路，与频率输出调整电路相连并将采集到的信号送入FPGA控制模块进行比较的输出频率采集电路。本发明不需要像传统时钟源通过电阻分压或机械调整等人为修改电路的方式去调整频率准确度，本发明具备自动频率准确度调整的特点，其实现方法简洁，且其具有能比传统高频率准确度的铷钟更高的频率准确度，以及比单个铷钟更小的体积和功耗。
Description
技术领域
本发明属于参考时钟信号产生领域，具体地说，是涉及一种高频率准确度参考时钟源。
背景技术
随着电子技术的快速发展，现代电子设备对功能电路的电性能要求也越来越高，高频率准确度参考时钟源，在雷达系统、通信和时序电子设备及信号产生等方面有着非常重要的应用。
传统的参考时钟源主要具有以下弊端：
传统时钟源大多以普通晶振为基本单元，但晶振随着时间的推移会发生老化，系统在工作一段时间后就会出现频率漂移的情况，且其频率准确度难以修正，也即是随着时间的推移，输出信号的频率准确度就会越来越差，进而影响整机系统的工作性能，这在雷达系统中将会影响其分辨率，在通信系统中将会增加误码率。其次，有些传统时钟源中晶振压控端的调谐可以通过手动修改电阻分压的方式实现，但每次调整频率都需要更换电阻，多次调整时对应印制板焊点会出现多次重复焊接的情况，这存在焊接可靠性问题，不利于长时间的工作。也有些传统时钟源对晶振频率准确度进行机械调谐修正，但修正精度差，需要反复修正，操作重复繁琐，不利于快速修正。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高频率准确度参考时钟源，主要用于提高雷达、通信等电子系统与频率准确度相关方面的性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高频率准确度参考时钟源，包括FPGA控制模块，与FPGA控制模块相连的外部频标信号采集电路，与FPGA控制模块相连的频率输出调整电路，与频率输出调整电路相连并将采集到的信号送入FPGA控制模块进行比较的输出频率采集电路。
进一步地，在本发明中，所述外部频标信号采集电路包括输入端接入外部频标信号的输入放大器，输入端与输入放大器的输出端相连的第一限幅器，输入端与第一限幅器的输出端相连、一个输出端输出信号至FPGA控制模块的输入功分器，一个支路与输入功分器的另一个输出端相连的单刀双掷开关，以及输入端与单刀双掷开关的公共端相连的第一高速A/D；其中，所述第一高速A/D的输出端与FPGA控制模块相连；单刀双掷开关的另一个支路连接到输出频率采集电路，单刀双掷开关的选择控制端与FPGA控制模块相连。
进一步地，在本发明中，所述输出频率采集电路包括输入端与频率输出调整电路的一个输出端相连的衰减器，输入端与衰减器的输出端相连的第二限幅器，以及输入端与第二限幅器的输出端经单刀双掷开关的公共端相连的第二高速A/D；其中，所述第二高速A/D的输出端与FPGA控制模块相连。
进一步地，在本发明中，所述第一高速A/D、第二高速A/D共用同一个高速A/D。
进一步地，在本发明中，所述单刀双掷开关包括场效应管Q1和场效应管Q2，输入端与场效应管Q2的栅极相连且输出端与场效应管Q1的栅极相连的反相器N1，以及一端与场效应管Q2的栅极相连的电阻R1；其中，电阻R1的另一端与FPGA控制模块相连；场效应管Q1的源极与场效应管Q2的源极直接相连，且连接处和第一高速A/D相连，场效应管Q1的漏极连接到输入功分器的一个输出端口，场效应管Q2的漏极连接到第二限幅器的输出端，场效应管Q1和场效应管Q2的衬底B端接地。
进一步地，在本发明中，所述外部频标信号采集电路包括输入端接入外部频标信号的输入放大器，输入端与输入放大器的输出端相连的第一限幅器，输入端与第一限幅器的输出端相连、一个输出端输出信号至FPGA控制模块的输入功分器，输入端与输入功分器的另一个输出端相连且输出端与FPGA控制模块相连的第一高速A/D。
进一步地，在本发明中，所述输出频率采集电路包括输入端与频率输出调整电路的一个输出端相连的衰减器，输入端与衰减器的输出端相连的第二限幅器，以及输入端与第二限幅器的输出端相连输出端与FPGA控制模块相连的第二高速A/D。
进一步地，在本发明中，所述频率输出调整电路包括输入控制端与FPGA控制模块相连的模数转换器，与模数转换器的输入端相连的电压参考基准源，输入端与模数转换器的输出端相连的低通滤波器，输入端与低通滤波器的输出端相连的压控晶振，输入端与压控晶振的输出端相连的隔离放大器，以及输入端与隔离放大器的输出端相连的输出功分器；其中，输出功分器输出两路参考时钟信号，其中一路作为参考时钟源输出，另一路作为输出频率采集电路的参考时钟输入。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的一种高频率准确度参考时钟源，在开环情况下，理论上可以提供高达0.0000596ppb的频率准确度，和传统参考时钟源100ppb的频率准确度相比，本发明所述的参考时钟源在频率准确度上具有非常显著的提升。
（2）本发明的一种高频率准确度参考时钟源，不需要像传统时钟源通过电阻分压或机械调整等人为修改电路的方式去调整频率准确度，本发明具备自动频率准确度调整的特点，其实现方法简洁，且其具有能比传统高频率准确度的铷钟更高的频率准确度，以及比单个铷钟更小的体积和功耗。
（3）本发明的一种高频率准确度参考时钟源，频率准确度高、体积小、成本低，适合在工程项目中大规模推广应用。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明-实施例1的原理框图。
图3为本发明-实施例1中单刀双掷开关的电路原理图。
图4为本发明-实施例2的原理框图。
图5本发明的实施例1提供的数模转换器位数与频率准确度的对应曲线。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1所示，本发明公开的一种高频率准确度参考时钟源，包括FPGA控制模块，与FPGA控制模块相连的外部频标信号采集电路，与FPGA控制模块相连的频率输出调整电路，与频率输出调整电路相连并将采集到的信号送入FPGA控制模块进行比较的输出频率采集电路。
实施例1
如图2所示，在本实施例中，所述外部频标信号采集电路包括输入端接入外部频标信号的输入放大器，输入端与输入放大器的输出端相连的第一限幅器，输入端与第一限幅器的输出端相连、一个输出端输出信号至FPGA控制模块的输入功分器，一个支路与输入功分器的另一个输出端相连的单刀双掷开关，以及输入端与单刀双掷开关的公共端相连的第一高速A/D；其中，所述第一高速A/D的输出端与FPGA控制模块相连；单刀双掷开关的另一个支路连接到输出频率采集电路，单刀双掷开关的选择控制端与FPGA控制模块相连。
在本实施例中，所述输出频率采集电路包括输入端与频率输出调整电路的一个输出端相连的衰减器，输入端与衰减器的输出端相连的第二限幅器，以及输入端与第二限幅器的输出端经单刀双掷开关的公共端相连的第二高速A/D。外部频标信号采集电路和输出频率采集电路共用一个高速A/D。即第一高速A/D和第二高速A/D实质为同一个高速A/D。
在本实施例中，所述频率输出调整电路包括输入控制端与FPGA控制模块相连的模数转换器，与模数转换器的输入端相连的电压参考基准源，输入端与模数转换器的输出端相连的低通滤波器，输入端与低通滤波器的输出端相连的压控晶振，输入端与压控晶振的输出端相连的隔离放大器，以及输入端与隔离放大器的输出端相连的输出功分器；其中，输出功分器输出两路参考时钟信号，其中一路作为参考时钟源输出，另一路作为输出频率采集电路的参考时钟输入。
在本实施例中，外部频标信号由汞钟产生，输入放大器选用ERA-6+，第一限幅器和第二限幅器选用PE45140，输入功分器和输出功分器均采用LC集成功分器，第一高速A/D选用LTC2206，FPGA控制模块选用EG4X20BG256I7，衰减器采用电阻衰减，电压参考基准源选用LT6655-5，数模转换器选用DAC1282，低通滤波器采用由运放组成的有源低通滤波器，压控晶振选用压控恒温晶振FCOX8-342，隔离放大器选用GVA-123+。
其中，单刀双掷开关为低导通电阻、大带宽的自制模拟开关，如图3所示，其公共端连接到第一高速A/D输入端，单刀双掷开关的一个支路连接到输入功分器的一个输出端，另一个支路连接到第二限幅器的输出端，单刀双掷开关的选择控制端连接到FPGA控制模块。具体地，低导通电阻的模拟开关主要包含场效应管Q1和Q2，场效应管Q1的源极与场效应管Q2的源极直接相连，且连接处和第一高速A/D相连。
场效应管Q1的漏极连接到输入功分器的一个输出端口，场效应管Q2的漏极连接到第二限幅器的输出端，场效应管Q2的栅极连接到反相器的输入端，场效应管Q1的栅极连接到反相器N1的输出端，FPGA控制模块通过电阻R1和反相器输入端相连，场效应管Q1和Q2的衬底B端接地。
电压参考基准为数模转换器提供电压参考基准，使得数模转换器输出电压具有高精度、低温漂等优点，进一步地，施加到压控晶振压控端的电压才足够准和稳，再进一步地，参考时钟源输出信号的频率准确度才足够高。
由于压控晶振具有负载牵引效应，所以压控晶振输出与隔离放大器输入相连，隔离放大器输出再与输出功分器相连，通过放大器本身的隔离将负载牵引效应降到最低。
本实施例的具体实现方法为：时钟源接入外部频标信号，FPGA控制模块自动检测到外部输入的参考信号并选择其为系统时钟，FPGA控制单刀双掷开关接通输入功分器和第一高速A/D路径，高速A/D采集该信号并存储该信号频率。进一步地，FPGA控制模块使数模转换器D/A输出电压，该电压经过低通滤波器后到压控晶振调整其输出频率，再进一步地，单刀双掷开关接通第二限幅器和第一高速A/D。第一高速A/D采集压控晶振输出信号，并将该信号和采集到的外部频标信号进行频率对比，重复调数模转换器整D/A输出电压亦即压控晶振的输出频率，采集并逐次比较频标信号的频率和每一次调整压控电压后的压控晶振输出频率，直至其频率准确度到达与外部频标信号的准确度一致为止。
此外，如图5所示，本实施例中数模转换器输出电压的分辨率亦即数模转换器的位数和参考时钟源输出信号的频率准确度直接相关，本实施例可以实现0.0000596ppb的频率准确度。
实施例2
如图4所示，在本实施例中，所述外部频标信号采集电路包括输入端接入外部频标信号的输入放大器，输入端与输入放大器的输出端相连的第一限幅器，输入端与第一限幅器的输出端相连、一个输出端输出信号至FPGA控制模块的输入功分器，输入端与输入功分器的另一个输出端相连且输出端与FPGA控制模块相连的第一高速A/D。
在本实施例中，所述输出频率采集电路包括输入端与频率输出调整电路的一个输出端相连的衰减器，输入端与衰减器的输出端相连的第二限幅器，以及输入端与第二限幅器的输出端相连输出端与FPGA控制模块相连的第二高速A/D。
在本实施例中，所述频率输出调整电路包括输入控制端与FPGA控制模块相连的模数转换器，与模数转换器的输入端相连的电压参考基准源，输入端与模数转换器的输出端相连的低通滤波器，输入端与低通滤波器的输出端相连的压控晶振，输入端与压控晶振的输出端相连的隔离放大器，以及输入端与隔离放大器的输出端相连的输出功分器；其中，输出功分器输出两路参考时钟信号，其中一路作为参考时钟源输出，另一路作为输出频率采集电路的参考时钟输入。
在本实施例中，外部频标信号由氢钟或汞钟产生，输入放大器选用ERA-6+，第一限幅器和第二限幅器选用PE45140，输入功分器和输出功分器均采用LC集成功分器，第一高速A/D和第二高速A/D均选用LTC2206，FPGA选用EG4X20BG256I7，衰减器采用电阻衰减，电压参考基准源选用LT6655-5，数模转换器选用MAX5719，低通滤波器采用由运放组成的有源低通滤波器，压控晶振选用压控恒温晶振FCOX8-342，隔离放大器选用NBB-500。
本实施例的具体实现方法为：时钟源接入外部频标信号，FPGA控制模块自动检测到外部输入的参考信号并选择其为系统时钟，第一高速A/D采集该信号并在FPGA中存储该信号频率。进一步地，FPGA控制模块使D/A输出电压，该电压经过低通滤波器后到压控晶振调整其输出频率，再进一步地，第二高速A/D采集压控晶振功分后经过第二限幅器的信号，并将该信号和采集到的外部频标信号进行频率对比，重复调整D/A输出电压亦即压控晶振的输出频率，采集并逐次比较频标信号的频率和每一次调整压控电压后第二高速A/D采集到的频率，直至其频率准确度逼近外部频标信号的准确度为止，本实施例可以实现0.000954ppb的频率准确度。
经过实施例1和实施例2的验证测试，本发明的一种高频率准确度参考时钟源，具有输出频率准确度高、实现方法简洁的特点和优势，适合大规模推广应用。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种高频率准确度参考时钟源，其特征在于，包括FPGA控制模块，与FPGA控制模块相连的外部频标信号采集电路，与FPGA控制模块相连的频率输出调整电路，与频率输出调整电路相连并将采集到的信号送入FPGA控制模块进行比较的输出频率采集电路；
所述外部频标信号采集电路包括输入端接入外部频标信号的输入放大器，输入端与输入放大器的输出端相连的第一限幅器，输入端与第一限幅器的输出端相连、一个输出端输出信号至FPGA控制模块的输入功分器，一个支路与输入功分器的另一个输出端相连的单刀双掷开关，以及输入端与单刀双掷开关的公共端相连的第一高速A/D；其中，所述第一高速A/D的输出端与FPGA控制模块相连；单刀双掷开关的另一个支路连接到输出频率采集电路，单刀双掷开关的选择控制端与FPGA控制模块相连；所述输出频率采集电路包括输入端与频率输出调整电路的一个输出端相连的衰减器，输入端与衰减器的输出端相连的第二限幅器，以及输入端与第二限幅器的输出端经单刀双掷开关的公共端相连的第二高速A/D；其中，所述第二高速A/D的输出端与FPGA控制模块相连；其中，所述第一高速A/D、第二高速A/D共用同一个高速A/D；
或者所述外部频标信号采集电路包括输入端接入外部频标信号的输入放大器，输入端与输入放大器的输出端相连的第一限幅器，输入端与第一限幅器的输出端相连、一个输出端输出信号至FPGA控制模块的输入功分器，输入端与输入功分器的另一个输出端相连且输出端与FPGA控制模块相连的第一高速A/D；所述输出频率采集电路包括输入端与频率输出调整电路的一个输出端相连的衰减器，输入端与衰减器的输出端相连的第二限幅器，以及输入端与第二限幅器的输出端相连输出端与FPGA控制模块相连的第二高速A/D；
所述频率输出调整电路包括输入控制端与FPGA控制模块相连的模数转换器，与模数转换器的输入端相连的电压参考基准源，输入端与模数转换器的输出端相连的低通滤波器，输入端与低通滤波器的输出端相连的压控晶振，输入端与压控晶振的输出端相连的隔离放大器，以及输入端与隔离放大器的输出端相连的输出功分器；其中，输出功分器输出两路参考时钟信号，其中一路作为参考时钟源输出，另一路作为输出频率采集电路的参考时钟输入。
2.根据权利要求1所述的一种高频率准确度参考时钟源，其特征在于，所述单刀双掷开关包括场效应管Q1和场效应管Q2，输入端与场效应管Q2的栅极相连且输出端与场效应管Q1的栅极相连的反相器N1，以及一端与场效应管Q2的栅极相连的电阻R1；其中，电阻R1的另一端与FPGA控制模块相连；场效应管Q1的源极与场效应管Q2的源极直接相连，且连接处和第一高速A/D相连；场效应管Q1的漏极连接到输入功分器的一个输出端口，场效应管Q2的漏极连接到第二限幅器的输出端，场效应管Q1和场效应管Q2的衬底B端接地。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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