一种低附加噪声的频率电压转换器制造技术

一种低附加噪声的频率电压转换器，本发明专利技术采用锁相环技术，建立频率电压的转换关系，将低噪声压控振荡器的相位锁定到被测信号上，再探测压控振荡器的控制端；实现了被测信号频率范围大于100千赫兹的低噪声频压转换，能满足超稳激光频率噪声谱测量需求；还可用于一般窄带激光器频率噪声的测量，比采用光纤延迟法测量激光器线宽标定激光器频率性能的方法更精确，本发明专利技术为超稳激光器的频率噪声水平提供了更高精度、更科学的测量手段，直接依据噪声谱确定影响激光器频率稳定度的噪声源，从而有针对性的优化激光系统，降低激光的频率噪声，在超稳激光和窄线宽激光应用于时间频率计量、基础物理研究、深空探测、空间科学等诸多领域，具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种低附加噪声的频率电压转换器
本专利技术属于频率信号检测
，具体涉及用于超高频率稳定度激光频率噪声评估的一种低附加噪声的频率电压转换器。
技术介绍
超稳激光(超高频率稳定度激光)技术广泛应用于时间频率计量、高精度时间频率传递与同步、精密物理测量等前沿科学领域。超稳激光技术是当代时间频率，尤其是光学频率标准快速发展的基石。目前，最稳定的超稳激光的频率稳定度可达ΙΕ-17/s，其对应的激光线宽小于1Hz，对应的频率噪声在-1(Γ-20 dB Hz2ZHz范围内。 为开发和评估超稳激光器，需要测量激光器的频率噪声谱，从而确定影响激光器频率不稳定的噪声源，以便有针对性的采取措施减小噪声源的影响，提高激光器的频率稳定度。这种测量首先需要利用两台超稳激光器进行拍频，得到的频率信号包含两台激光器的频率噪声，再利用光电探测器获取激光差频。为了在基带分析激光的频率噪声谱，需要一台附加噪声很低的频率电压转换器，将激光器的差频信号的频率抖动变换为电压抖动，然后利用商用快速傅里叶变换仪(FFT)测量激光的频率噪声谱。频率电压转换器的附加噪声需要优于被测信号的噪声水平，并且还需有一定的测量频率范围，这是因为单次频率测量往往需要几分钟甚至更长，而测量时要保证激光的差频始终处于测量频率范围内，一般不少于几十千赫兹。普通的电压频率转换芯片(如VFC32芯片)搭建的系统噪声水平远高于待测对象信号强度(-10'20 dB Hz2/Hz)，因此需要低附加噪声的频率电压转换器。 在超高频率稳定度激光频率噪声的评估中，采用低附加噪声的频率电压转换器，它能够将激光器信号下转换的频率噪声信号高精度的变换为基带电压信号，以便利用商用快速傅里叶变换仪进行后续频率噪声谱分析。目前，由于低噪声频率电压转换器的使用对象少，而且指标要求高，因此没有此类产品。国内同行一般不测量这个指标，目前所知的华东师范大学的马龙生小组是采用间接的方法测量超稳激光的频率噪声谱。国外同行都采用自主研制的频率电压转换器，技术细节不详。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种低附加噪声的频率电压转换器，适用于激光器频率噪声谱测量，实现被测信号频率范围大于100千赫兹的低噪声频率电压转换，在3Hz-100kHz频率范围内，系统的双边带测量噪声低于_20dB HzVHz0 本专利技术所设计的低附加噪声的频率电压转换器，采用低噪声压控振荡器为频率电压转换器的核心部件，利用锁相环技术，建立频率电压转换的关系，将低噪声压控振荡器的相位锁定到被测信号上，再探测压控振荡器的控制端(频率电压转换输出端)。具体方案如下: 一种低附加噪声的频率电压转换器，包括压控振荡器，放大器，衰减器，低噪声分频器，耦合器，鉴相器，环路滤波器和输出缓冲器；其中，压控振荡器的高频输出信号接入放大器1，经过放大的信号接入衰减器1，衰减器I的输出接入低噪声分频器，分频后的信号再分别经放大器2和衰减器2接入鉴相器，与输入鉴相器的待测激光器信号下转换的频率噪声信号鉴相后的差频信号接入环路滤波器，进行比例积分运算；环路滤波器的输出分两路，一路接到压控振荡器输入端(为反馈控制信号)，另一路接入输出缓冲器作为频率电压转换器的输出端；在衰减器2和鉴相器之间设有耦合器，输出监控信号。 其中，压控振荡器产生的高频正弦信号，经过分频器分频后作为鉴相器输入端的参考信号；放大器用于将压控振荡器的输出信号进行功率放大，衰减器用于将放大信号的功率衰减到下级电路正常工作的输入范围；低噪声分频器则将压控振荡器的输出频率分频，进一步降低压控振荡器的相位噪声；而耦合器用于输出监控信号，该信号可用于监测环路是否锁定；所述鉴相器用于探测待测激光器信号下转换的频率噪声信号与分频后的压控振荡器输出信号之间的相位差信号(差频信号)；环路滤波器用于对差频信号进行比例积分运算，得到压控振荡器的频率控制信号；输出缓冲器的作用是缓冲隔离输出的电压信号与输入压控振荡器输入端的控制信号，并增加输出信号的驱动能力。 本专利技术低附加噪声的频率电压转换器的工作原理为，由压控振荡器产生的高频正弦信号，放大后经过低噪声分频器进行分频，分频后的信号再经放大输入鉴相器，与待测的激光器信号下转换的频率噪声信号鉴相后，输出的相位差信号进入环路滤波器，经比例积分运算后得到控制压控振荡器的控制电压，能使压控振荡器信号的相位锁定到待测信号的相位；此时该控制电压亦为频率电压转换器的输出电压，经放大隔离处理后可提供给商用快速傅里叶变换仪进行相关测试。 采用本专利技术测量超稳激光器的频率噪声的方法为，将待测的激光器信号下转换成频率信号接入本专利技术频率电压转换器，本专利技术利用锁相环技术，在大于10kHz的输入频率范围，精确地将输入的频率抖动转变为电压抖动信号；将该电压信号直接采用商用快速傅里叶变换仪测量电压噪声谱(dB V2/Hz)，再根据频率电压转换(频压转换)系数，得到被测激光信号的频率噪声谱(dB Hz2/Hz)。 本专利技术采用锁相环技术，将低噪声压控振荡器的相位锁定到被测信号上，再探测压控振荡器的控制端(频压转换输出端)的方法，实现了被测信号频率范围大于100千赫兹的低噪声频压转换。在3Hz-100kHz的频率范围内，系统的双边带测量噪底低于-20 dB Hz2/Hz，可以满足超稳激光频率噪声谱测量需求。本专利技术还可用于一般窄带激光器频率噪声的测量，其比采用光纤延迟法测量激光器线宽标定激光器频率性能的方法更精确。总之，本专利技术解决了超稳激光器频率噪声谱低噪声测量的难题，为超稳激光器的频率噪声水平提供了更高精度、更科学的测量手段，并能用于测量一般窄线宽激光器的频率噪声水平。通过噪声测量，能直接依据噪声谱确定影响激光器频率稳定度的噪声源，从而有针对性的优化激光系统，降低激光的频率噪声，在超稳激光和窄线宽激光应用于时间频率计量、基础物理研究、深空探测、空间科学等诸多领域，具有重要意义。另外，本专利技术具有结构简单、使用方便、测量精度高和附加噪声低的优点。 【附图说明】 附图1为本专利技术设计的低附加噪声的频率电压转换器的结构原理图。 附图2为本专利技术低附加噪声的频率电压转换器输入频率与输出电压的关系图。可以看出，本专利技术装置的输入频率与转换后的输出电压线性度好，能准确地将商用快速傅里叶变换仪测得的功率谱密度换算成频率谱密度。 附图3为采用本专利技术测量频率噪声准确性验证的对比图。可以看出，两种测试方法的比较结果，在测量带宽内测试响应平坦度较好，误差在IdB范围内，测试结果准确可 O 附图4为测试本专利技术频率电压转换器的系统频率噪声谱。由图中可知，系统双边带测量噪底低于_20dB Hz2/Hz，能满足亚赫兹线宽超稳激光器频率噪声的测量。 【具体实施方式】 以下结合附图对本专利技术技术方案作进一步的详细说明。 本专利技术所设计的低附加噪声的频率电压转换器中，压控振荡器是频率电压转换器的核心部件，其噪声指标直接影响频率电压转换器的噪声指标，可以选择低相位噪声的压控振荡器R0S-1000C-519+ ;放大器可采用ERA-1SM+ ;衰减器可采用LAT-2 ;低噪声分频器应具有大尺度的分频功能，可采用MC12080 ;耦合器可选用roC-10-54+ ;鉴相器可选用HMC43本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低附加噪声的频率电压转换器，包括压控振荡器，放大器，衰减器，低噪声分频器，耦合器，鉴相器，环路滤波器和输出缓冲器；其特征在于，所述的压控振荡器的高频输出信号接入放大器（1），经过放大的信号接入衰减器（1），衰减器（1）的输出接入低噪声分频器，分频后的信号再分别经放大器（2）和衰减器（2）接入鉴相器，与输入鉴相器的待测激光器信号下转换的频率噪声信号鉴相后的差频信号接入环路滤波器，进行比例积分运算；环路滤波器的输出分两路，一路接到压控振荡器输入端，另一路接入输出缓冲器作为频率电压转换器的输出端；在衰减器（2）和鉴相器之间设有耦合器，输出监控信号。

【技术特征摘要】
1.一种低附加噪声的频率电压转换器，包括压控振荡器，放大器，衰减器，低噪声分频器，耦合器，鉴相器，环路滤波器和输出缓冲器；其特征在于，所述的压控振荡器的高频输出信号接入放大器(1)，经过放大的信号接入衰减器(1)，衰减器(I)的输出接入低噪声分频器，分频后的信号再分别经放大器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜海峰，闫露露，赵文宇，张颜艳，张首钢，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：陕西;61