寬范圍高穩(wěn)晶振頻率穩(wěn)定度測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 雪

摘 要:介紹一種寬范圍、高穩(wěn)晶振的頻率穩(wěn)定度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì),整個(gè)設(shè)計(jì)以銣原子鐘為標(biāo)準(zhǔn)鐘,采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù),使用高分辨力頻率計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算,并由AVR單片機(jī)和CPLD可編程器件完成控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該設(shè)計(jì)不僅具備傳統(tǒng)頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)的功能,而且又為解決非標(biāo)準(zhǔn)、高穩(wěn)晶振的頻率穩(wěn)定度測(cè)試提供具體的方法。

關(guān)鍵詞:晶振;頻率穩(wěn)定度;測(cè)試系統(tǒng);高分辨力;直接數(shù)字頻率合成

中圖分類號(hào):TN752.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)19-102-02

Test System Design of Wide Scope High Steady Crystal Oscillator Frequency Stability

WANG Xue

(Jinling Institute of Tecnology,Nanjing,210001,China)

Abstract:A test system′s design of a wide scope,high steady crystal oscillator frequency stability,which takes the direct digital synthesis technology as a core is introduced.Based on rubidium atomic clock,the frequency counter can be used in measurement and computation with high-resolution,which is controlled by AVR single-chip microcontroller and CPLD programmable device.The experiment results show that this design not only has traditional testing system but also provides a specific method to solve non-standard high steady crystal oscillator frequency stability of the test.

Keywords:crystal oscillator;frequency stability;test system;high-resolution;direct digital synthesis

0 引 言

高穩(wěn)定度石英晶體諧振器(簡(jiǎn)稱高穩(wěn)晶振)是廣泛應(yīng)用于通訊、電子對(duì)抗、數(shù)傳電臺(tái)、計(jì)算機(jī)等電子信息產(chǎn)品的重要器件。高穩(wěn)晶振的指標(biāo)直接影響產(chǎn)品的可靠性,因此如何檢測(cè)其性能是非常重要的。

代表性測(cè)量?jī)x器是頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)(誤差倍增器+多路開(kāi)關(guān))。其原理是將被測(cè)頻率源的頻率起伏Δf進(jìn)行倍頻,然后再用頻率計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)頻來(lái)計(jì)算準(zhǔn)確度、老化率、日波動(dòng)等指標(biāo)[1]。在頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,信號(hào)源是一個(gè)重要的組成部分。其作用為產(chǎn)生高性能的輸出頻率(1~100 MHz)可設(shè)定的鐘信號(hào),與被測(cè)晶振的信號(hào)進(jìn)行混頻,輸出差值在倍頻環(huán)的范圍內(nèi)。目前,它廣泛應(yīng)用于信號(hào)源設(shè)計(jì)的直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù),具有輸出頻率范圍寬,分辨力高,相位噪聲低,易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn);其次,對(duì)于高分辨力頻率計(jì)數(shù)器,在同等條件下,頻率分辨高一位,倍增環(huán)路可少一路。經(jīng)比較分析,選擇以DDS技術(shù)為核心,采用AVR單片機(jī)和CPLD作為控制系統(tǒng),可適時(shí)控制、計(jì)算、處理,并與上微機(jī)相連,完成多路檢測(cè)、分析、繪制狀態(tài)圖等工作。

1 頻率誤差倍增法測(cè)頻的基本原理

設(shè)Fr為標(biāo)準(zhǔn)鐘(銣原子鐘[2])頻率,被測(cè)頻率Fx=Fr+Δf。通過(guò)第一級(jí)倍增[3]得到Fr+mΔf,通過(guò)第二級(jí)倍增得到Fr+m2Δf……,通過(guò)n級(jí)倍增,則有:

(mFr+mnΔf)-(m-1)Fr=Fr+mnΔf

(1)

一般m=10,n=1,2,3,4,由于受倍頻器本底噪聲的影響,最高n=5級(jí)。頻差倍增最大達(dá)10-5。

由式(1)可知,頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)只對(duì)接近標(biāo)準(zhǔn)鐘輸出頻率的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。因此,需要研制高性能的新一代測(cè)試系統(tǒng),檢測(cè)高穩(wěn)晶振生產(chǎn)的質(zhì)量。

2 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)源設(shè)計(jì)[4]

DDS是繼直接頻率合成和間接頻率合成之后,發(fā)展起來(lái)的新的頻率合成技術(shù)。它通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)來(lái)讀取預(yù)先存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù),經(jīng)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波(九階橢圓濾波器[5])輸出后得到所需的信號(hào),通過(guò)改變頻率控制字的內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)不同頻率的輸出。DDS技術(shù)具有高的頻率和相位分辨力,輸出頻率范圍寬,輸出信號(hào)的相位連續(xù),相位噪聲低[6]。

f0=k2Nfs

(2)

可選用ADI公司的AD9852[7]作為標(biāo)準(zhǔn)鐘的核心部分,銣原子鐘提供其工作時(shí)鐘。采用AVR(ATmega128)單片機(jī)[8]和MAXⅡ(EPT240)可編程器件對(duì)其進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)了頻率和相位可調(diào),輸出頻率范圍為1~100 MHz的信號(hào)源,其框圖如圖1所示。

圖1 DDS信號(hào)源方框圖

在制作中,需要考慮高低頻干擾、信號(hào)的插入損耗與接觸電阻,并用軟件對(duì)橢圓濾波器電路進(jìn)行仿真。用HP頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試,達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

2.2 高分辨力頻率計(jì)數(shù)器

采用倒數(shù)測(cè)量技術(shù)原理+模擬內(nèi)插技術(shù)完成設(shè)計(jì),時(shí)間分辨力為1 ns;頻率分辨力[9]為1×10-9/1 s。時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 計(jì)數(shù)器時(shí)序圖

圖2中,fx為被測(cè)信號(hào)的頻率;f0為基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率。當(dāng)預(yù)備閘門作用時(shí),被測(cè)信號(hào)fx打開(kāi)計(jì)數(shù)門,進(jìn)行被測(cè)信號(hào)和時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù);內(nèi)插擴(kuò)展單元進(jìn)行展寬計(jì)數(shù)。當(dāng)預(yù)備閘門關(guān)閉后,被測(cè)信號(hào)fx關(guān)閉計(jì)數(shù)門,停止被測(cè)信號(hào)和時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù);內(nèi)插擴(kuò)展單元結(jié)束展寬計(jì)數(shù)。

Tx = Nt0+τn-τn + 1

(3)

Altera公司MAXⅡ(EPT240)可編程器件完成以上功能。AVR單片機(jī)分別取數(shù)、計(jì)算、顯示。

頻率測(cè)量范圍為DC~300 MHz;頻率分辨力為1×10-9/1 s;1×10-10/10 s。

用HP53131通用計(jì)數(shù)器(225 MHz)對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,其測(cè)試結(jié)果完全符合。

3 頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 高分辨力頻率計(jì)數(shù)器直接測(cè)量

眾所周知,在重復(fù)性時(shí)間間隔(頻率)測(cè)量中,將其測(cè)量值平均是提高分辨力的一個(gè)簡(jiǎn)潔的方法。想法很簡(jiǎn)單:重復(fù)地測(cè)量相同的間隔,并設(shè)各次測(cè)量之間有某種程度的獨(dú)立性,那么用平均測(cè)量值來(lái)估計(jì)間隔,就可統(tǒng)計(jì)地縮小每次測(cè)量中±1個(gè)字的量化誤差。

用這種方法進(jìn)行時(shí)間間隔(頻率)的測(cè)量[10],應(yīng)該注意:

(1) 相干性引起的非平均:當(dāng)時(shí)間間隔重復(fù)速率與鐘脈沖頻率相干時(shí),或時(shí)間間隔速率是鐘脈沖的約數(shù),那么每次測(cè)量時(shí)間間隔的出現(xiàn)相對(duì)于鐘脈沖的相位都是相同的。因此,全部測(cè)量將嚴(yán)格地讀出相同的值,而且不產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)平均。在這種情況下,一百萬(wàn)次測(cè)量的量化誤差與單次測(cè)量是沒(méi)有差別的。

(2) 時(shí)基的隨機(jī)相位調(diào)制:時(shí)間間隔脈沖序列和時(shí)基鐘脈沖序列之間的相干性可以通過(guò)引入隨機(jī)相位調(diào)制來(lái)破壞,從而不管時(shí)間間隔速率如何均可作有意義的時(shí)間間隔平均測(cè)量。相位調(diào)制信號(hào)是由齊納二極管產(chǎn)生的噪聲得來(lái)的,如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘相位調(diào)制方框圖

3.2 新一代頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)

以往,頻率計(jì)數(shù)器+誤差倍增器(Ⅴ環(huán))可以測(cè)量10-11量級(jí)的頻率穩(wěn)定度。設(shè)計(jì)的高分辨力頻率計(jì)數(shù)器用于測(cè)量相同的頻率穩(wěn)定度,誤差倍增器只需配Ⅱ~Ⅲ環(huán),既確保了精度,又保證了可靠性。

新一代頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng),除了具備傳統(tǒng)的頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)的功能外,還可以測(cè)量0~100 MHz任意點(diǎn)信號(hào)的長(zhǎng)、短穩(wěn)定度,給用戶帶來(lái)了極大的方便(傳統(tǒng)的頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)只能測(cè)試1 MHz,10 MHz等點(diǎn)頻信號(hào)),如圖4所示。

圖4 頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)方框圖

首先,測(cè)量被測(cè)信號(hào)的頻率,或置入被測(cè)信號(hào)的頻率,根據(jù)預(yù)置的計(jì)算公式,給出Fr=Fx-Δf的控制字,送給AD9852。經(jīng)過(guò)跟隨放大、九階橢圓濾波器的濾波、50 Ω匹配同軸線輸出的點(diǎn)頻給倍頻器,為誤差倍增單元提供標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),來(lái)完成頻穩(wěn)系統(tǒng)的測(cè)量。

頻率穩(wěn)定度的計(jì)算有阿侖方差公式:

σ=1f0∑∞i=1(fi2-fi1)22m

(4)

式中:fi1,fi2為分別為某組測(cè)量的兩個(gè)頻率值;m為取樣組數(shù),一般取100。

4 結(jié) 語(yǔ)

頻率穩(wěn)定度是衡量高穩(wěn)晶振性能的重要指標(biāo)。隨著通訊技術(shù)的發(fā)展,對(duì)其信號(hào)質(zhì)量的要求也提高。由于通訊載波所需的高穩(wěn)鐘頻是非標(biāo)的,需要對(duì)其時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與分析。用新一代頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)《寬范圍高穩(wěn)晶振頻率穩(wěn)定度測(cè)試系統(tǒng)》,可以快速地了解高穩(wěn)晶振的性能,提高通訊產(chǎn)品的質(zhì)量。

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