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高穩定度石英晶體諧振器(簡(jiǎn)稱(chēng)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(chǎn)品的重要器件。高穩晶振的指標直接影響產(chǎn)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?jì)x器是頻穩測試系統(誤差倍增器+多路開(kāi)關(guān))。其原理是將被測頻率源的頻率起伏△f進(jìn)行倍頻，然后再用頻率計數器進(jìn)行測頻來(lái)計算準確度、老化率、日波動(dòng)等指標。在頻穩測試系統的設計中，信號源是一個(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)可設定的鐘信號，與被測晶振的信號進(jìn)行混頻，輸出差值在倍頻環(huán)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(shù)，具有輸出頻率范圍寬，分辨力高，相位噪聲低，易于實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)；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(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單片機和CPLD作為控制系統，可適時(shí)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(tài)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)頻率，被測頻率Fx=Fr+△f。通過(guò)第一級倍增得到Fr+m△f，通過(guò)第二級倍增得到Fr+m2△f……，通過(guò)n級倍增，則有： 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(jìn)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(chǎn)的質(zhì)量。 2 測試系統的設計 2．1 信號源設計 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)系統時(shí)鐘脈沖驅動(dòng)來(lái)讀取預先存儲的波形數據，經(jīng)D／A數模轉換器和低通濾波(九階橢圓濾波器)輸出后得到所需的信號，通過(guò)改變頻率控制字的內容來(lái)實(shí)現不同頻率的輸出。DDS技術(shù)具有高的頻率和相位分辨力，輸出頻率范圍寬，輸出信號的相位連續，相位噪聲低。 可選用ADI公司的AD9852作為標準鐘的核心部分，銣原子鐘提供其工作時(shí)鐘。采用AVR(ATmega128)單片機和MAXⅡ(EPT240)可編程器件對其進(jìn)行控制，實(shí)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。 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(jìn)行仿真。用HP頻譜分析儀進(jìn)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(shù)原理+模擬內插技術(shù)完成設計，時(shí)間分辨力為1 ns；頻率分辨力為1×10-9／1 s。時(shí)序圖如圖2所示。 圖2中，fx為被測信號的頻率；f0為基準時(shí)鐘的頻率。當預備閘門(mén)作用時(shí)，被測信號fx打開(kāi)計數門(mén)，進(jìn)行被測信號和時(shí)鐘脈沖的計數；內插擴展單元進(jìn)行展寬計數。當預備閘門(mén)關(guān)閉后，被測信號fx關(guān)閉計數門(mén)，停止被測信號和時(shí)鐘脈沖的計數；內插擴展單元結束展寬計數。 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(jìn)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(shí)間間隔(頻率)測量中，將其測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(lái)估計間隔，就可統計地縮小每次測量中±1個(gè)字的量化誤差。用這種方法進(jìn)行時(shí)間間隔(頻率)的測量，應該注意： (1)相干性引起的非平均：當時(shí)間間隔重復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，那么每次測量時(shí)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(chǎn)生統計平均。在這種情況下，一百萬(wàn)次測量的量一化誤差與單次測量是沒(méi)有差別的。 (2)時(shí)基的隨機相位調制：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)引入隨機相位調制來(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)間間隔平均測量。相位調制信號是由齊納二極管產(chǎn)生的噪聲得來(lái)的，如圖3所示。 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-△f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(xiàn)輸出的點(diǎn)頻給倍頻器，為誤差倍增單元提供標準信號，來(lái)完成頻穩系統的測量。頻率穩定度的計算有阿侖方差公式： 式中：fi1,fi2。為分別為某組測量的兩個(gè)頻率值；m為取樣組數，一般取100。 4 結 語(yǔ) 頻率穩定度是衡量高穩晶振性能的重要指標。隨著(zhù)通訊技術(shù)的發(fā)展，對其信號質(zhì)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(shí)鐘信號進(jìn)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(chǎn)品的質(zhì)量。 |
