小型频标与频率稳定度测量系统

张凯

(武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070)

0 引言

随着技术的不断进步，各行各业对测量数据精度的要求越来越高。通信、电力、导航、航空航天、电子行业、仪器仪表、国防军工、计量和天文等领域的技术发展也越来越取决于时频精度及测控技术的发展，高精度时频源的应用越来越广泛，高精度的时频测量系统要求越来越突出。被动型铷原子频标的研制主要朝着高性能和小型化这两个方面发展。高性能的原子频标主要应用在卫星、导航以及其他恶劣环境和特殊的工作领域，要求具有高稳定度和准确度。小型化铷原子频标在导航卫星等空间应用领域中，面临着能源、可载负载、空间有限等问题，在保证高性能的前提下，追求频标的小型化、低功耗和低成本。近三十多年来，频率稳定度指标提高了7个量级，由10－8提高到10－15，甚至更高。应运而生的频率稳定度测量系统不仅可以确定振荡器性能的优劣，而且还推动了精密振荡器的研制和发展。

本设计就是致力于研究一种小型、低功耗、高精度及高性价比的原子频标及测量系统，满足上述领域对被动型原子频标长、短稳兼优的指标要求且能极大的促进导航和信息传播技术的发展。

1 系统整体架构

如图1所示，为改进型铷原子频标工作原理方框图[2－5]。此改进型铷原子频标最大的特点就是用非整数晶体(19.984 466 MHz)替代了常用铷原子频标中的整数晶体(5 MHz或10 MHz)，这样改进的好处就是外围电路中省去了综合器这一部分，让复杂的电路简单化，减少了元器件的使用，有利于铷原子频标的小型化发展。

量子系统为整个系统提供基准频率，起到了鉴频的作用，非整数晶体振荡器的19.984 466 MHz信号输出分为两路，一路通过调制与调相器到倍频电路，产生频率为119.906 798 MHz的信号进入腔内，另一路是经过倍频电路和DDS锁定铷原子频标信号的输出。

1.1 伺服环路分析

被动型铷原子频标是利用原子(或分子)能级的跃迁谱线对激励信号进行鉴频，再经过锁频环路将激励信号频率锁定在跃迁谱线的中心频率[6]。在系统中，倍频器，综合器，量子系统，前置放大器的噪声均被低通滤波器滤波，而压控晶振的噪声被高通滤波器滤波。因此总的噪声中低频成分来自倍频器，综合器，量子系统和前置放大器，而高频成分主要来自晶振。由于低频成分主要决定长期稳定度，而高频成分主要决定短期稳定度，因此铷原子频标的长期稳定度主要由倍频器，综合器，量子系统，前置放大器决定，而短期稳定度主要由晶振决定。在铷原子频标中，晶振的闪频噪声可以全部被量子系统伺服，减小白相噪声和闪频噪声的方法是在晶振中接一个窄带滤波器。

1.2 基于CPLD的双DDS频率合成

本设计中采用双DDS技术，它包括频率控制字寄存器、相位累加器、正弦波形查询表、模数转换及滤波电路等部分。其中数据寄存器存储频率控制数据(频率控制字)，具有串行/并行数据输入功能，串行、并行输入来自控制器(或微机)，两路输出中一路为固定的10 MHz频率。频率控制数据并行输入至相位累加器，相位累加器的位数可依据频率合成器所要求的分辨率选取。为了消除带外噪声和杂散，其输出经窄带晶体滤波器滤波。合成框图如图2所示。

本设计中，频率控制字 K为32位(N=32)，ROM为256×8位，所以ROM的输出数据线宽L=8，地址线宽M=8。压控晶振的输出频率为19.986 644 MHz，经过一个2倍频和一个3倍频得到频率为119.919 864 MHz的信号输入到DDS，一路信号为了得到12 MHz的输出频率，由公式可以计算出频率控制字K1的值:

转换成32位二进制得

另一路输出频率可以在1～16 MHz之间通上位机的设置得到。例如输出频率的期望值为10 MHz，则由公式可以计算出此路的频率控制字K2:

转换为32位二进制可以得到:

通过上位机将第二路的频率控制字设置为上值，即输出高精确度和稳定度的10 MHz信号。

2 测量系统的设计

当被测信号接入频差倍增法输入端时。待测信号fr=10M+Δf输入后对其进行10倍频得到100M+Δf的信号，标准铷原子10 M信号经过9倍频电路倍频得到90 MHz的信号，之后以90 MHz信号为本振信号，100M+Δf为输入信号通过混频器混频可以得到差频10M+Δf以及和频190M+Δf，选出差频并通过后级缓冲调谐放大便可以得到稳定可靠的10M+Δf信号输出，依次经过n次倍频，混频，缓冲放大后最后便可以得到10M+10nΔf的信号，这样通过一系列的倍频，混频。我们可以把频偏扩大10nΔf倍，这就是我们的频差倍增法测频，提高了测量精度，但是考虑到多级倍频混频后会带入一定的噪声，所以一般频差倍增的极限时104Δf～105Δf左右，我们通过实验，采用双栅场效应管搭建双调谐倍频电路，达到了104Δf的频差倍增，而且效果很理想。输出的10M+104Δf信号再与铷原子的标准10M信号进行混频，通过滤波，放大，再整形变为限幅的方波信号，便可以得到适宜于单片机测量的低频信号 104Δf，再通过相应的算法，计算出其频率稳定度。

当被测信号接入差拍法输入端时。待测信号fr输入后直接接入最后一级混频器，铷原子钟的标准频率信号直接通过CPLD设计的DDS技术实现输出可调频率值f0与fr产生一定的调偏，从而直接混频输出，通过滤波，放大，再整形变为限幅的方波信号，便可以得到适宜于单片机测量的低频信号，再通过相应的算法，计算出其频率稳定度。为了使设计人性化，并考虑到后期发展的需要，我们还搭建了上位机平台，实现单片机与 PC机通信，可以把单片机采集的数据送计算机，图形化显示频率值的抖动，而且也可以通过计算机输入命令来控制单片机工作。测量工作原理图如图3所示。

图3 测量系统原理框图

3 测量系统软件设计

主程序流程图及子程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图与子程序流程图

软件部分核心是采用STM32处理器的定时器1的捕获中断功能来实现测频，使用捕获模块测量周期时，可以让主计数器工作在连续计数模式，捕获模块设置ICP管脚上升沿触发捕获，每次发生捕获事件后，在捕获中断中读取捕获值。捕获到一个脉冲的两个上升沿，相邻两次捕获值之差就是信号的周期，取周期的倒数便可得到频率值。对于计数器溢出的情况，仍然可以使用溢出中断计数器的方法，扩展周期测量范围。另外通过数字滤波功能，滤除由于其他干扰而产生的大的频率跳变，从而得到一个有效数据，为了计算阿伦方差(哈达玛方差)，我们采用定时器2定时捕获来捕获到N个数据再计算一次阿伦方差(哈达玛方差)，通过液晶将数据显示出来，并把相应的数据发送至PC机，可以图形化的显示频率的抖动。

为了实现差拍法和频差倍增法同时适用，系统还设置了矩阵键盘模块，通过矩阵键盘实现DDS频率，倍增次数，采样时间，采样组数等相关参数的设置，亦可以通过上位机对单片机进行控制，设置相应的参数。图5是采用VC++所写的上位机控制界面，能够对整个系统进行实时的控制和监测。

图5 上位机界面

4 系统的进步性分析

本次设计相比传统的设计有很大的进步和创新，在铷原子频标系统中的进步性主要体现在以下几个方面:

(1)具有精确且连读可调的频率分辨率，因为采用非整数压控晶体振荡器，纠偏电压直接压控非整数晶体振荡器，可获得连续可变的尾数频率输出信号。经倍频器链倍频后，理论上输出频率的分辨率可无限窄。

(2)铷原子频标微波腔的信号的频谱纯度高。因为无需传统的的混频电路，经射频倍频器倍频后，输入到阶跃二极管微波腔的信号为119.906 796 MHz的单一频率，而无较低频率的频率综合器分量。有效减小了相位噪声和杂散分量，也降低了对原子频标微波腔Q值的要求。

(3)微波倍频效率高且动态性能好。阶跃二极管倍频器的倍频次数降至57倍，故倍频效率高。也减低了对环路低通滤波器的要求，并能有效的降低杂散分量对频标的影响。

(4)非整数压控石英晶体振荡器采用了具有倍频功能的晶体振荡器电路，优化了倍频电路结构，能同时输出二倍频和五倍频信号，分别提供给调频电路和双直接数字频率合成器电路。

(5)采用温控晶体管本身的发热为晶体振荡器直接加热，将晶体振荡器的温度控制在晶体的温度拐点，具有最好的温度频率特性。

(6)自动增益控制功能的微波倍频器，并由匹配网络的偏压值控制放大器的增益，自动调节送至微波阶跃二极管的功率，有利于微波功率稳定。

(7) 铷原子频标适用的输出频率获取方便，因为采用由复杂可编程器件CPLD设计的双DDS技术，两路输出中一路为固定的10 MHz频率。另一路DDS的输出频率，可在1 Hz～16 MHz频率范围内，通过上位机设置获取适用的输出频率。

5 结束语

本设计能实现原子频率标准的稳定度转移，将不便于实用的铷原子频率信号变换成标准的整数频率或其它适用频率与功率实用的高稳频标信号输出，具有系统结构优化，电路结构简单，体积小，功耗低及调试方便等优点，有利于提高铷原子频标的集成度和小型化，具有很好的应用前景。

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