專利名稱：一種基于cpt原子頻標的頻率合成系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及頻率合成技術(shù)，將鎖相環(huán)頻率合成器的應(yīng)用擴展到CPT原子頻標領(lǐng) 域，更具體涉及一種基于鎖相環(huán)頻率合成器的頻率合成系統(tǒng)，適用于對功耗和體積有較高 要求的CPT原子頻標。
背景技術(shù)：
頻率合成系統(tǒng)在科學(xué)研究以及日常生活中有廣泛的應(yīng)用，因此如何設(shè)計適合各種 場合的頻率合成系統(tǒng)成了廣大科研人員孜孜以求的目標。經(jīng)過多年的發(fā)展，人們已經(jīng)開發(fā) 出各式各樣適用于原子頻標領(lǐng)域的頻率合成系統(tǒng)，在以往的CPT原子頻標中，主要有兩種 合成方式一種為直接式頻率合成，它是用一個壓控石英晶體振蕩器的振蕩頻率作為基準 頻率，由基準頻率產(chǎn)生一系列的諧波，將這些諧波經(jīng)過多次濾波、放大后提取出所需的頻 率。具體方案為利用非線性電路的倍頻特性，將壓控石英晶體振蕩器的振蕩頻率作為輸入 頻率，輸入到由非線性電路、濾波電路、放大電路組成的倍頻單元，倍頻單元將輸出一系列 基于輸入頻率的高次諧波，將多個倍頻單元串聯(lián)并調(diào)整各個倍頻單元的參數(shù)，最終獲得所 需的高分辨率的微波信號。另一種為混合式頻率合成，它是將DDS(直接數(shù)字頻率合成器)與 整數(shù)分頻鎖相環(huán)頻率合成器組合使用。具體方案為利用DDS輸出頻率的高分辨率特性，將 一個壓控石英晶體振蕩器的振蕩頻率作為基準頻率，分別輸入到DDS和整數(shù)分頻鎖相環(huán)頻 率合成器中，DDS和整數(shù)分頻鎖相環(huán)頻率合成器采用并行結(jié)構(gòu)，DDS輸出頻率經(jīng)濾波電路、 放大電路處理后通過混頻器與整數(shù)分頻鎖相環(huán)頻率合成器的輸出頻率混頻，得到和頻頻率 和差頻頻率，再經(jīng)過濾波電路、放大電路處理后，即可獲得所需的高分辨率的微波信號。前 者電路復(fù)雜，不易于調(diào)節(jié)，體積較大；后者電路功耗較大，兩種方案均難以在對功耗和體積 要求日益提高的CPT原子頻標中適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供了一種基于CPT原子頻標的頻率合成系統(tǒng)，該頻率控 制系統(tǒng)采用間接式頻率合成技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，自身體積小、功耗低。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施(技術(shù)方案如圖1所示)該頻率控制系統(tǒng)包括第一穩(wěn)壓電源U1、第二穩(wěn)壓電源U2、第三鎖相環(huán)頻率合成器U3、 第四壓控振蕩器U4、第五功率分配器TO、時鐘輸入端J1、微波輸出端J2，其特征在于第三 鎖相環(huán)頻率合成器與第六四階無源環(huán)路濾波器相連(四階無源環(huán)路濾波器由電阻、電容構(gòu) 成，其具體連接方式參見圖1虛線部分，第九電容分別與第十電容、第十一電阻相連，第九 電容另一端接地，第十電容另一端與第十電阻相連，第十電阻另一端接地，第十一電阻另一 端分別與第十一電容、第十二電阻相連，第十一電容另一端接地，第十二電阻另一端分別與 第十二電容、第十三電容相連，第十二電容、第十三電容的另一端分別接地)，第六四階無源 環(huán)路濾波器與第四壓控振蕩器相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器分別接地，第三鎖相環(huán)頻率合 成器分別與第九電阻和第八電容相連，第八電容另一端與第五功率分配器相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器與第六電容相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器分別與第四電阻、第五電阻、第六電 阻、第七電阻相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器與第五電容相連，第三電阻兩端分別與第三鎖相 環(huán)頻率合成器相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器與第七電容相連，第七電容另一端與第八電阻 相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器分別與第二電阻和第一電容相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器與 第二電容相連，第二電容另一端分別與第一電阻和時鐘輸入端相連，第四壓控振蕩器接地， 第四壓控振蕩器與第十四電容、第十五電容、第十六電容相連，第四壓控振蕩器與第十七電 容相連，第十七電容另一端與第五功率分配器相連，第五功率分配器與微波輸出端相連，第 五功率分配器接地。所述的第三鎖相環(huán)頻率合成器與第二電容相連，第二電容另一端分別與第一電阻 和時鐘輸入端相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器與第六四階無源環(huán)路濾波器相連，第六四階無 源環(huán)路濾波器相連與第四壓控振蕩器相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器分別與第九電阻和第八 電容相連，第八電容另一端與第五功率分配器相連，第四壓控振蕩器與第十七電容相連，第 十七電容另一端與第五功率分配器相連。工作原理本發(fā)明的核心在于采用了鎖相環(huán)頻率合成器U3 (LMXM87)，利用其小 數(shù)分頻的特點，可獲得高分辨率的微波信號，關(guān)鍵在于圖1中LMXM87的CP0UTRF端(即 圖1中U3的1腳)通過電阻、電容構(gòu)成的四階無源環(huán)路濾波器TO連接到壓控振蕩器U4 (V844ME07)的VT端(即圖1中U4的6腳)，V844ME07的RF端(即圖1中U4的12腳)通過 電容連接到功率分配器TO (SP-2W)的SUM端(即圖1中TO的5腳)，SP-2W的P2端(即圖1 中TO的3腳)通過電阻、電容連接到LMXM87的FINRF端(即圖1中U3的4腳)，形成一個 反饋環(huán)路。配置端口 PLL_C0NFIG2、SDI0、SCLK和PLL_C0NFIG1分別通過電阻與LMXM87的 LE端(即圖1中U3的6腳)、DATA端(即圖1中U3的7腳)、CLK端(即圖1中U3的8腳)和 FTEST/LD端(即圖1中U3的12腳)相連。電路接通后，外部通過配置端口對LMXM87內(nèi)部寄存器進行配置，V844ME07產(chǎn)生 的微波信號經(jīng)SP-2W分成兩路，一路為微波輸出端，另一端輸入到LMX2487，經(jīng)LMXM87的內(nèi) 部小數(shù)分頻器(即圖2中F功能塊)分頻后送入delta-sigma結(jié)構(gòu)的鑒相器(即圖2中PD功 能塊)，時鐘輸入端的參考信號經(jīng)LMXM87的內(nèi)部整數(shù)分頻器(即圖2中R功能塊)分頻送入 鑒相器，鑒相器比較這兩路信號之間的相位差，此相位差經(jīng)電荷泵(即圖2中CP功能塊)轉(zhuǎn) 化成控制電流，再經(jīng)四階無源環(huán)路濾波器產(chǎn)生控制V844ME07的VT端的控制電壓。當送入 鑒相器的兩路信號頻率不同時，由于兩信號之間存在固有的頻率差，它們之間的相位差勢 必一直在變化，結(jié)果控制電壓就在一定范圍內(nèi)變化，在這種控制電壓的控制下，V844ME07的 輸出頻率也在變化，若V844ME07的輸出頻率經(jīng)小數(shù)分頻器分頻后與另一路送入鑒相器的 信號頻率相同，這時兩路信號之間的頻差為零，相位差不再隨時間變化，為一固定值，整個 鎖相環(huán)路進入鎖定狀態(tài)，V844ME07輸出的微波信號頻率不再變化。與以往適用于CPT原子頻標的直接式頻率合成系統(tǒng)相比，該頻率合成系統(tǒng)電路結(jié) 構(gòu)簡單，僅由LMX2487、SP-2W、V844ME07及其外圍電路組成，元器件的數(shù)目大大減少，若將 其布置在電路板上，電路板的面積至少減少2/3，特別適用于產(chǎn)品小型化。與混合式頻率合 成系統(tǒng)相比，由于少了直接式頻率合成系統(tǒng)部分及濾波、放大部分對能量的消耗，電路的功 耗將大大降低。


圖1為一種基于CPT原子頻標的頻率合成系統(tǒng)電路原理圖。圖2為一種鎖相環(huán)頻率合成器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和功率分配器組成的頻 率合成系統(tǒng)功能框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明頻率合成系統(tǒng)電路的工作過程作進一步說明根據(jù)附圖1可知，第一穩(wěn)壓電源Ul (型號DH1718E-4雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，也可用 能輸出3. 3V的電源芯片為電路供電)分別與第三鎖相環(huán)頻率合成器U3 (型號LMXM87)的 3、9、11、14、17、22、24腳，第三電容C3、第四電容C4，第三電阻R3相連，提供第三鎖相環(huán)頻 率合成器U3的工作電壓，第三電容C3、第四電容C4為第一穩(wěn)壓電源Ul的濾波電容，容值 分別為10yF、0. lyF，第三電阻R3的另一端與第三鎖相環(huán)頻率合成器U3的工作使能端也 就是第10腳相連，以提供一個高電平使第三鎖相環(huán)頻率合成器U3處在工作狀態(tài)，第五電容 C5為濾波電容，與第三電阻R3相連，容值為IOOpF,時鐘輸入端Jl分別與第一電阻R1、電 容C2相連，第一電阻Rl阻值為51 Ω，起匹配負載的作用，第二電容C2容值為InF，起耦合 作用，第二電容C2的另一端連接到第三鎖相環(huán)頻率合成器U3的20腳，第三鎖相環(huán)頻率合 成器U3的19腳分別與第二電阻R2、第一電容Cl相連，第二電阻R2阻值為Ik Ω，第一電容 Cl 容值為 IOOpF,配置端口 PLL_C0NFIG2、SDIO、SCLK, PLL_C0NFIG1 分別通過第四電阻 R4、 第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7與第三鎖相環(huán)頻率合成器U3的6、7、8、12腳相連，用 于配置第三鎖相環(huán)頻率合成器U3的內(nèi)部寄存器，第十電阻R10、第十一電阻R11、第十二電 阻R12與第九電容C9、第十電容C10、第i^一電容C11、第十二電容C12、第十三電容C13組 成一個第六四階無源環(huán)路濾波器U6 (環(huán)路濾波器可選無源和有源兩種，若選無源環(huán)路濾波 器，對于delta-sigma結(jié)構(gòu)的小數(shù)分頻鎖相環(huán)LMX2487，采用四階無源環(huán)路濾波器較適合)， 第十電阻R10、第i^一電阻R11、第十二電阻R12阻值分別為680Ω、560Ω、3kQ，第九電容 C9、第十電容C10、第^^一電容C11、第十二電容C12容值分別為1. 6nF、47nF、980pF、300pF， 環(huán)路濾波器將第三鎖相環(huán)頻率合成器U3的1腳輸出的控制電流中高頻成分濾除掉，并將控 制電流轉(zhuǎn)化成控制電壓輸入給第四壓控振蕩器U4 (型號V844ME07)的6腳，第二穩(wěn)壓電源 U2 (型號DH1718E-4雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，也可用能輸出5V的電源芯片為電路供電)分 別與第四壓控振蕩器U4的2腳、第十四電容C14、第十五電容C15、第十六電容C16相連，提 供第四壓控振蕩器U4的工作電壓第十四電容C14、第十五電容C15、第十六電容C16為第二 穩(wěn)壓電源U2的濾波電容，容值分別為10yF、0. lyF、10pF，第四壓控振蕩器U4與第十七電 容C17相連，第十七電容C17容值為IOOpF,起耦合作用，第十七電容C17的另一端與功率 分配器U5 (型號SP-2W)的5腳相連，第五功率分配器U5的1腳與微波輸出端J2相連，第 五功率分配器U5的2腳與第八電容C8相連，第八電容C8容值為IOOpF,起耦合作用，第八 電容C8的另一端分別與第九電阻R9、第三鎖相環(huán)頻率合成器U3的4腳相連，第九電阻R9 的阻值為51 Ω，用來匹配負載，第三鎖相環(huán)頻率合成器U3的5腳與旁路第六電容C6相連， 第六電容C6的容值為IOOpF,第三鎖相環(huán)頻率合成器U3的13腳與第七電容C7相連，第七 電容C7的另一端與第八電阻R8相連，起耦合作用，第七電容C7容值為IOOpF,第八電阻R8 阻值為51Ω，用于阻抗匹配，第三鎖相環(huán)頻率合成器U3的16、18、21、23腳懸空，第三鎖相環(huán)頻率合成器U3的2、15、25腳接地。根據(jù)附圖2可知，第三鎖相環(huán)頻率合成器U3它由R功能塊、PD功能塊、F功能塊、 CP功能塊(這4個功能塊是LMXM87內(nèi)部的功能單元，R功能塊具有整數(shù)分頻功能，PD功能 塊具有鑒相功能，F(xiàn)功能塊具有小數(shù)分頻功能，CP功能塊具有沖、放電流的功能，市面上可 買到具有這4個功能塊功能的器件，例如，TI公司的SN74LS294具有整數(shù)分頻功能，TI公司 的CD74HC4046A具有鑒相功能，AD公司的ADF4156具有小數(shù)分頻功能，TI公司的TPS60401 具有沖、放電流的功能)組成，PD功能塊分別與R功能塊、CP功能塊相連，F(xiàn)功能塊分別與 PD功能塊、第五功率分配器U5相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器U3內(nèi)部有R功能塊實現(xiàn)整數(shù)分 頻、PD功能塊實現(xiàn)鑒相功能、F功能塊實現(xiàn)小數(shù)分頻和CP功能塊實現(xiàn)電流的輸入和輸出，時 鐘輸入端與第三鎖相環(huán)頻率合成器U3的R功能塊，R功能塊與PD功能塊相連，CP功能塊與 第六四階無源環(huán)路濾波器U6相連，第六四階無源環(huán)路濾波器U6相連與第四壓控振蕩器U4 相連，第四壓控振蕩器U4與第五功率分配器U5相連，第五功率分配器U5與微波輸出端相 連，第五功率分配器U5與第三鎖相環(huán)頻率合成器U3的F功能塊相連，F(xiàn)功能塊與PD功能塊 相連，使得第三鎖相環(huán)頻率合成器U3、第六四階無源環(huán)路濾波器TO、第四壓控振蕩器U4和 第五功率分配器U5形成一個相位反饋環(huán)路?，F(xiàn)在以基于CPT原子頻標所需的3417MHz附近微波信號為例(LMXM87對時鐘輸 入端輸入頻率要求在5 IlOMHz之間，本例中取該輸入頻率為10MHz，其相噪1Hz處為一 93. 6dBc, IOHz 處為一124. 2dBc, IOOHz 處為一145dBc)環(huán)境溫度25°C下，首先將穩(wěn)壓電源Ul (DH1718E-4雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源)的輸出電 壓設(shè)定在3. 3V，第二穩(wěn)壓電源U2 (DH1718E-4雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源)的輸出電壓設(shè)定在 5V，上電后，外部通過配置端口對LMXM87的內(nèi)部寄存器進行配置，壓控石英晶體振蕩器 通過時鐘輸入端輸入頻率為10MHz，占空比固定的時鐘信號到LMXM87中，該時鐘信號經(jīng) LMX2487的內(nèi)部整數(shù)分頻器(即圖2中R功能塊)分頻后送入到鑒相器(即圖2中PD功能塊) 中，V844ME07的振蕩頻率經(jīng)SP-2W分成兩路同頻的微波信號，一路作為微波輸出，另一路經(jīng) LMX2487的內(nèi)部小數(shù)分頻器(即圖2中F功能塊)分頻后送入鑒相器中，鑒相器將兩路信號 的相位差經(jīng)電荷泵(即圖2中CP功能塊)轉(zhuǎn)化成控制電流，環(huán)路濾波器再將控制電流轉(zhuǎn)化成 控制電壓并濾除其中高頻成份后送入V844ME07的電壓控制端，V844ME07的輸出頻率勢將 變化，直到送入鑒相器的兩路信號的相位差固定，整個環(huán)路達到鎖定狀態(tài)，V844ME07的輸出 頻率不再變化，LMXM87的內(nèi)部整數(shù)分頻器的分頻因子R和小數(shù)分頻器的分頻因子F由寄 存器的配置來確定，配置R=4 (R的取值范圍在1 63之間，本例取R=4)、F ^ 1366. 8即可 獲得所需的:3417MHz附近微波信號，同時，小數(shù)分頻器的分頻因子F具有足夠高的精度，能 輸出滿足應(yīng)用的高分辨率的微波信號。改變F的值，可實現(xiàn)對微波輸出頻率的FSK(頻移鍵 控，一種頻率調(diào)制方法)調(diào)制和小步長掃描。采用該發(fā)明的頻率合成系統(tǒng)，其輸出功率可滿足應(yīng)用要求，相噪1Hz處 為-40dBc, IOHz處為-70dBc，IOOHz IOkHz范圍內(nèi)基本保持不變，為_80dBc，雜散小 于-60dBc，電路板面積3. 5cmX3. 5cm，功耗小于120mW，可應(yīng)用于小型化和低功耗的CPT原子頻標。
權(quán)利要求
1.一種基于CPT原子頻標的頻率合成系統(tǒng)，它包括第一穩(wěn)壓電源(U1)、第二穩(wěn)壓電源 (U2)、第三鎖相環(huán)頻率合成器(U3)、第四壓控振蕩器(U4)、第五功率分配器(U5)、第六四階 無源環(huán)路濾波器(U6)、時鐘輸入端(Jl)、微波輸出端(J2)，其特征在于第三鎖相環(huán)頻率合 成器(U3)與第六四階無源環(huán)路濾波器(U6)相連，第六四階無源環(huán)路濾波器(U6)與第四壓 控振蕩器(U4)相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器(U3)分別接地，第三鎖相環(huán)頻率合成器(U3)分 別與第九電阻(R9)和第八電容(C8)相連，第八電容(C8)另一端與第五功率分配器(U5)相 連，第三鎖相環(huán)頻率合成器(U3)與第六電容(C6)相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器(U3)分別與 第四電阻(R4)、第五電阻(R5)、第六電阻(R6)、第七電阻(R7)相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器 (U3)與第五電容(C5)相連，第三電阻(R3)兩端分別與第三鎖相環(huán)頻率合成器(U3)相連， 第三鎖相環(huán)頻率合成器(U3)與第七電容(C7)相連，第七電容(C7)另一端與第八電阻(R8) 相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器(U3)分別與第二電阻(R2)和第一電容(Cl)相連，第三鎖相環(huán) 頻率合成器(U3)與第二電容(C2)相連，第二電容(C2)另一端分別與第一電阻(Rl)和時鐘 輸入端(Jl)相連，第四壓控振蕩器(U4)接地，第四壓控振蕩器(U4)與第十四電容(C14)、第 十五電容(C15)、第十六電容(C16)相連，第四壓控振蕩器(U4)與第十七電容(C17)相連， 第十七電容(C17)另一端與第五功率分配器(U5)相連，第五功率分配器(U5)與微波輸出端 (J2)相連，第五功率分配器(U5)接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CPT原子頻標的頻率合成系統(tǒng)，其特征是所述的 第三鎖相環(huán)頻率合成器(U3)與第二電容(C2)相連，第二電容(C2)另一端分別與第一電 阻(Rl)和時鐘輸入端(Jl)相連，第三鎖相環(huán)頻率合成器(U3)與第六四階無源環(huán)路濾波器 (U6)相連，第六四階無源環(huán)路濾波器(U6)與第四壓控振蕩器(U4)相連，第三鎖相環(huán)頻率合 成器(U3)分別與第九電阻(R9)和第八電容(C8)相連，第八電容(C8)另一端與第五功率分 配器(U5)相連，第四壓控振蕩器(U4)與第十七電容(C17)相連，第十七電容(C17)另一端 與第五功率分配器(U5)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CPT原子頻標的頻率合成系統(tǒng)，其特征是所述的 第三鎖相環(huán)頻率合成器(U3)它由R功能塊、PD功能塊、F功能塊、CP功能塊組成，PD功能 塊分別與R功能塊、CP功能塊相連，F(xiàn)功能塊分別與PD功能塊、第五功率分配器(U5)相連， CP功能塊與第六四階無源環(huán)路濾波器(U6)相連，第六四階無源環(huán)路濾波器(U6)與第四壓 控振蕩器(U4)相連，第四壓控振蕩器(U4)與第五功率分配器(U5)相連，第五功率分配器 (U5)與微波輸出端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CPT原子頻標的頻率合成系統(tǒng)，其特征是所述的 第五功率分配器(U5)與第三鎖相環(huán)頻率合成器(U3)的F功能塊相連，F(xiàn)功能塊與PD功能 塊相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于CPT原子頻標的頻率合成系統(tǒng)，包括穩(wěn)壓電源、鎖相環(huán)頻率合成器、壓控振蕩器、功率分配器，穩(wěn)壓電源分別與鎖相環(huán)頻率合成器、電阻、電容相連并接地，穩(wěn)壓電源分別與壓控振蕩器、電容相連并接地，壓控振蕩器分別與電阻、電容相連并接地，功率分配器分別與電容、微波輸出端相連并接地，時鐘輸入端與電阻和電容相連，電容另一端與鎖相環(huán)頻率合成器相連，鎖相環(huán)頻率合成器分別與電阻、電容相連，鎖相環(huán)頻率合成器分別接地，鎖相環(huán)頻率合成器分別與電阻和電容相連，電容另一端與功率分配器相連，鎖相環(huán)頻率合成器分別與電容相連，鎖相環(huán)頻率合成器分別與電阻相連。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，體積小、功耗低。
文檔編號H03L7/26GK102055473SQ201010603358
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者王遠超, 陳杰華, 顧思洪 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所