寬范圍高穩晶振頻率穩定度測試系統的設計

王 雪

摘 要:介紹一種寬范圍、高穩晶振的頻率穩定度測試系統設計,整個設計以銣原子鐘為標準鐘,采用直接數字頻率合成技術,使用高分辨力頻率計數器進行測量、計算,并由AVR單片機和CPLD可編程器件完成控制。實驗結果證明,該設計不僅具備傳統頻穩測試系統的功能,而且又為解決非標準、高穩晶振的頻率穩定度測試提供具體的方法。

關鍵詞:晶振;頻率穩定度;測試系統;高分辨力;直接數字頻率合成

中圖分類號:TN752.2文獻標識碼:A

文章編號: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

高穩定度石英晶體諧振器(簡稱高穩晶振)是廣泛應用于通訊、電子對抗、數傳電臺、計算機等電子信息產品的重要器件。高穩晶振的指標直接影響產品的可靠性,因此如何檢測其性能是非常重要的。

代表性測量儀器是頻穩測試系統(誤差倍增器+多路開關)。其原理是將被測頻率源的頻率起伏Δf進行倍頻,然后再用頻率計數器進行測頻來計算準確度、老化率、日波動等指標[1]。在頻穩測試系統的設計中,信號源是一個重要的組成部分。其作用為產生高性能的輸出頻率(1~100 MHz)可設定的鐘信號,與被測晶振的信號進行混頻,輸出差值在倍頻環的范圍內。目前,它廣泛應用于信號源設計的直接數字頻率合成(DDS)技術,具有輸出頻率范圍寬,分辨力高,相位噪聲低,易于實現等優點;其次,對于高分辨力頻率計數器,在同等條件下,頻率分辨高一位,倍增環路可少一路。經比較分析,選擇以DDS技術為核心,采用AVR單片機和CPLD作為控制系統,可適時控制、計算、處理,并與上微機相連,完成多路檢測、分析、繪制狀態圖等工作。

1 頻率誤差倍增法測頻的基本原理

設Fr為標準鐘(銣原子鐘[2])頻率,被測頻率Fx=Fr+Δf。通過第一級倍增[3]得到Fr+mΔf,通過第二級倍增得到Fr+m2Δf……,通過n級倍增,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。頻差倍增最大達10-5。

由式(1)可知,頻穩測試系統只對接近標準鐘輸出頻率的被測信號進行測量。因此,需要研制高性能的新一代測試系統,檢測高穩晶振生產的質量。

2 測試系統的設計

2.1 信號源設計[4]

DDS是繼直接頻率合成和間接頻率合成之后,發展起來的新的頻率合成技術。它通過系統時鐘脈沖驅動來讀取預先存儲的波形數據,經D/A數模轉換器和低通濾波(九階橢圓濾波器[5])輸出后得到所需的信號,通過改變頻率控制字的內容來實現不同頻率的輸出。DDS技術具有高的頻率和相位分辨力,輸出頻率范圍寬,輸出信號的相位連續,相位噪聲低[6]。

f0=k2Nfs

(2)

可選用ADI公司的AD9852[7]作為標準鐘的核心部分,銣原子鐘提供其工作時鐘。采用AVR(ATmega128)單片機[8]和MAXⅡ(EPT240)可編程器件對其進行控制,實現了頻率和相位可調,輸出頻率范圍為1~100 MHz的信號源,其框圖如圖1所示。

圖1 DDS信號源方框圖

在制作中,需要考慮高低頻干擾、信號的插入損耗與接觸電阻,并用軟件對橢圓濾波器電路進行仿真。用HP頻譜分析儀進行測試,達到了設計的要求。

2.2 高分辨力頻率計數器

采用倒數測量技術原理+模擬內插技術完成設計,時間分辨力為1 ns;頻率分辨力[9]為1×10-9/1 s。時序圖如圖2所示。

圖2 計數器時序圖

圖2中,fx為被測信號的頻率;f0為基準時鐘的頻率。當預備閘門作用時,被測信號fx打開計數門,進行被測信號和時鐘脈沖的計數;內插擴展單元進行展寬計數。當預備閘門關閉后,被測信號fx關閉計數門,停止被測信號和時鐘脈沖的計數;內插擴展單元結束展寬計數。

Tx = Nt0+τn-τn + 1

(3)

Altera公司MAXⅡ(EPT240)可編程器件完成以上功能。AVR單片機分別取數、計算、顯示。

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

用HP53131通用計數器(225 MHz)對同一信號進行測試,其測試結果完全符合。

3 頻穩測試系統的設計

3.1 高分辨力頻率計數器直接測量

眾所周知,在重復性時間間隔(頻率)測量中,將其測量值平均是提高分辨力的一個簡潔的方法。想法很簡單:重復地測量相同的間隔,并設各次測量之間有某種程度的獨立性,那么用平均測量值來估計間隔,就可統計地縮小每次測量中±1個字的量化誤差。

用這種方法進行時間間隔(頻率)的測量[10],應該注意:

(1) 相干性引起的非平均:當時間間隔重復速率與鐘脈沖頻率相干時,或時間間隔速率是鐘脈沖的約數,那么每次測量時間間隔的出現相對于鐘脈沖的相位都是相同的。因此,全部測量將嚴格地讀出相同的值,而且不產生統計平均。在這種情況下,一百萬次測量的量化誤差與單次測量是沒有差別的。

(2) 時基的隨機相位調制:時間間隔脈沖序列和時基鐘脈沖序列之間的相干性可以通過引入隨機相位調制來破壞,從而不管時間間隔速率如何均可作有意義的時間間隔平均測量。相位調制信號是由齊納二極管產生的噪聲得來的,如圖3所示。

圖3 時鐘相位調制方框圖

3.2 新一代頻穩測試系統

以往,頻率計數器+誤差倍增器(Ⅴ環)可以測量10-11量級的頻率穩定度。設計的高分辨力頻率計數器用于測量相同的頻率穩定度,誤差倍增器只需配Ⅱ~Ⅲ環,既確保了精度,又保證了可靠性。

新一代頻穩測試系統,除了具備傳統的頻穩測試系統的功能外,還可以測量0~100 MHz任意點信號的長、短穩定度,給用戶帶來了極大的方便(傳統的頻穩測試系統只能測試1 MHz,10 MHz等點頻信號),如圖4所示。

圖4 頻穩測試系統方框圖

首先,測量被測信號的頻率,或置入被測信號的頻率,根據預置的計算公式,給出Fr=Fx-Δf的控制字,送給AD9852。經過跟隨放大、九階橢圓濾波器的濾波、50 Ω匹配同軸線輸出的點頻給倍頻器,為誤差倍增單元提供標準信號,來完成頻穩系統的測量。

頻率穩定度的計算有阿侖方差公式:

σ=1f0∑∞i=1(fi2-fi1)22m

(4)

式中:fi1,fi2為分別為某組測量的兩個頻率值;m為取樣組數,一般取100。

4 結 語

頻率穩定度是衡量高穩晶振性能的重要指標。隨著通訊技術的發展,對其信號質量的要求也提高。由于通訊載波所需的高穩鐘頻是非標的,需要對其時鐘信號進行測量與分析。用新一代頻穩測試系統《寬范圍高穩晶振頻率穩定度測試系統》,可以快速地了解高穩晶振的性能,提高通訊產品的質量。

參考文獻

[1]朱士明,劉鎮清.提高聲時測量精度的“過零檢測數字平均法”[J].聲學技術,1990,9(3):36-40.

[2]林占江.電子測量技術[M].2版.北京:電子工業出版社,2008.

[3]蘇勇,沈紹賓,蘇航,等.數字平均法的誤差分析[J].聲學技術,2003,22(3):147-149.

[4]國家通信計量站.《高穩晶振鑒定規程》時間與頻率類儀表[EB/OL].http://www.tmcofmii.com/jljdnlfw4.asp.2009.

[5]維基百科.橢圓函數濾波器[EB/OL].http://zh.wikipedia.org/.2009.

[6]蔣佰川.應用AD9852實現低雜散低相噪的頻率源[J].技術與市場,2007(3): 37-39.

[7]管世波.高頻石英晶體測試系統信號源設計[J].電子測量與儀器學報,2007,21(6):104-106.

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[9]陳杰美,古天祥.電子測量儀器原理(下冊)[M].北京:國防工業出版社,1981.

[10]王雪.時間間隔平均法:理論、問題和解決辦法[J].中國科教創新導刊,2008(33):181-183.