寬范圍高穩(wěn)晶振頻率穩(wěn)定度測試系統(tǒng)的設計

0 引 言
    高穩(wěn)定度石英晶體諧振器(簡稱高穩(wěn)晶振)是廣泛應用于通訊、電子對抗、數(shù)傳電臺、計算機等電子信息產(chǎn)品的重要器件。高穩(wěn)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。
    代表性測量儀器是頻穩(wěn)測試系統(tǒng)(誤差倍增器+多路開關)。其原理是將被測頻率源的頻率起伏△f進行倍頻，然后再用頻率計數(shù)器進行測頻來計算準確度、老化率、日波動等指標。在頻穩(wěn)測試系統(tǒng)的設計中，信號源是一個重要的組成部分。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(shù)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(xiàn)等優(yōu)點；其次，對于高分辨力頻率計數(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技術為核心，采用AVR單片機和CPLD作為控制系統(tǒng)，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(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。通過第一級倍增得到Fr+m△f，通過第二級倍增得到Fr+m2△f……，通過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(wěn)測試系統(tǒng)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(tǒng)，檢測高穩(wěn)晶振生產(chǎn)的質量。

2 測試系統(tǒng)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)展起來的新的頻率合成技術。它通過系統(tǒng)時鐘脈沖驅動來讀取預先存儲的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D／A數(shù)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，通過改變頻率控制字的內容來實現(xiàn)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(xù)，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鐘。采用AVR(ATmega128)單片機和MAXⅡ(EPT240)可編程器件對其進行控制，實現(xiàn)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(shù)器
    采用倒數(shù)測量技術原理+模擬內插技術完成設計，時間分辨力為1 ns；頻率分辨力為1×10-9／1 s。時序圖如圖2所示。

    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(shù)門，進行被測信號和時鐘脈沖的計數(shù)；內插擴展單元進行展寬計數(shù)。當預備閘門關閉后，被測信號fx關閉計數(shù)門，停止被測信號和時鐘脈沖的計數(shù)；內插擴展單元結束展寬計數(shù)。
   
    Altera公司MAXⅡ(EPT240)可編程器件完成以上功能。AVR單片機分別取數(shù)、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(shù)器(225 MHz)對同一信號進行測試，其測試結果完全符合。

3 頻穩(wěn)測試系統(tǒng)的設計
3．1 高分辨力頻率計數(shù)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(tǒng)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，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(shù)，那么每次測量時間間隔的出現(xiàn)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(tǒng)計平均。在這種情況下，一百萬次測量的量一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(chǎn)生的噪聲得來的，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(jù)預置的計算公式，給出Fr=Fx-△f的控制字，送給AD9852。經(jīng)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(wěn)系統(tǒng)的測量。頻率穩(wěn)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頻率值；m為取樣組數(shù)，一般取100。

4 結 語
    頻率穩(wěn)定度是衡量高穩(wěn)晶振性能的重要指標。隨著通訊技術的發(fā)展，對其信號質量的要求也提高。由于通訊載波所需的高穩(wěn)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(wěn)測試系統(tǒng)《寬范圍高穩(wěn)晶振頻率穩(wěn)定度測試系統(tǒng)》，可以快速地了解高穩(wěn)晶振的性能，提高通訊產(chǎn)品的質量。