一种基于ＣＰＴ原子频标的频率合成系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于ＣＰＴ原子频标的频率合成系统，包括稳压电源、锁相环频率合成器、压控振荡器、功率分配器，稳压电源分别与锁相环频率合成器、电阻、电容相连并接地，稳压电源分别与压控振荡器、电容相连并接地，压控振荡器分别与电阻、电容相连并接地，功率分配器分别与电容、微波输出端相连并接地，时钟输入端与电阻和电容相连，电容另一端与锁相环频率合成器相连，锁相环频率合成器分别与电阻、电容相连，锁相环频率合成器分别接地，锁相环频率合成器分别与电阻和电容相连，电容另一端与功率分配器相连，锁相环频率合成器分别与电容相连，锁相环频率合成器分别与电阻相连。本发明专利技术结构简单，使用方便，体积小、功耗低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及频率合成技术，将锁相环频率合成器的应用扩展到CPT原子频标领 域，更具体涉及一种基于锁相环频率合成器的频率合成系统，适用于对功耗和体积有较高 要求的CPT原子频标。
技术介绍
频率合成系统在科学研究以及日常生活中有广泛的应用，因此如何设计适合各种 场合的频率合成系统成了广大科研人员孜孜以求的目标。经过多年的发展，人们已经开发 出各式各样适用于原子频标领域的频率合成系统，在以往的CPT原子频标中，主要有两种 合成方式一种为直接式频率合成，它是用一个压控石英晶体振荡器的振荡频率作为基准 频率，由基准频率产生一系列的谐波，将这些谐波经过多次滤波、放大后提取出所需的频 率。具体方案为利用非线性电路的倍频特性，将压控石英晶体振荡器的振荡频率作为输入 频率，输入到由非线性电路、滤波电路、放大电路组成的倍频单元，倍频单元将输出一系列 基于输入频率的高次谐波，将多个倍频单元串联并调整各个倍频单元的参数，最终获得所 需的高分辨率的微波信号。另一种为混合式频率合成，它是将DDS(直接数字频率合成器)与 整数分频锁相环频率合成器组合使用。具体方案为利用DDS输出频率的高分辨率特性，将 一个压控石英晶体振荡器的振荡频率作为基准频率，分别输入到DDS和整数分频锁相环频 率合成器中，DDS和整数分频锁相环频率合成器采用并行结构，DDS输出频率经滤波电路、 放大电路处理后通过混频器与整数分频锁相环频率合成器的输出频率混频，得到和频频率 和差频频率，再经过滤波电路、放大电路处理后，即可获得所需的高分辨率的微波信号。前 者电路复杂，不易于调节，体积较大；后者电路功耗较大，两种方案均难以在对功耗和体积 要求日益提高的CPT原子频标中适用。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于提供了一种基于CPT原子频标的频率合成系统，该频率控 制系统采用间接式频率合成技术，结构简单，使用方便，自身体积小、功耗低。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术措施(技术方案如图1所示)该频率控制系统包括第一稳压电源U1、第二稳压电源U2、第三锁相环频率合成器U3、 第四压控振荡器U4、第五功率分配器TO、时钟输入端J1、微波输出端J2，其特征在于第三 锁相环频率合成器与第六四阶无源环路滤波器相连(四阶无源环路滤波器由电阻、电容构 成，其具体连接方式参见图1虚线部分，第九电容分别与第十电容、第十一电阻相连，第九 电容另一端接地，第十电容另一端与第十电阻相连，第十电阻另一端接地，第十一电阻另一 端分别与第十一电容、第十二电阻相连，第十一电容另一端接地，第十二电阻另一端分别与 第十二电容、第十三电容相连，第十二电容、第十三电容的另一端分别接地)，第六四阶无源 环路滤波器与第四压控振荡器相连，第三锁相环频率合成器分别接地，第三锁相环频率合 成器分别与第九电阻和第八电容相连，第八电容另一端与第五功率分配器相连，第三锁相环频率合成器与第六电容相连，第三锁相环频率合成器分别与第四电阻、第五电阻、第六电 阻、第七电阻相连，第三锁相环频率合成器与第五电容相连，第三电阻两端分别与第三锁相 环频率合成器相连，第三锁相环频率合成器与第七电容相连，第七电容另一端与第八电阻 相连，第三锁相环频率合成器分别与第二电阻和第一电容相连，第三锁相环频率合成器与 第二电容相连，第二电容另一端分别与第一电阻和时钟输入端相连，第四压控振荡器接地， 第四压控振荡器与第十四电容、第十五电容、第十六电容相连，第四压控振荡器与第十七电 容相连，第十七电容另一端与第五功率分配器相连，第五功率分配器与微波输出端相连，第 五功率分配器接地。所述的第三锁相环频率合成器与第二电容相连，第二电容另一端分别与第一电阻 和时钟输入端相连，第三锁相环频率合成器与第六四阶无源环路滤波器相连，第六四阶无 源环路滤波器相连与第四压控振荡器相连，第三锁相环频率合成器分别与第九电阻和第八 电容相连，第八电容另一端与第五功率分配器相连，第四压控振荡器与第十七电容相连，第 十七电容另一端与第五功率分配器相连。工作原理本专利技术的核心在于采用了锁相环频率合成器U3 (LMXM87)，利用其小 数分频的特点，可获得高分辨率的微波信号，关键在于图1中LMXM87的CP0UTRF端(即 图1中U3的1脚)通过电阻、电容构成的四阶无源环路滤波器TO连接到压控振荡器U4 (V844ME07)的VT端(即图1中U4的6脚)，V844ME07的RF端(即图1中U4的12脚)通过 电容连接到功率分配器TO (SP-2W)的SUM端(即图1中TO的5脚)，SP-2W的P2端(即图1 中TO的3脚)通过电阻、电容连接到LMXM87的FINRF端(即图1中U3的4脚)，形成一个 反馈环路。配置端口 PLL_C0NFIG2、SDI0、SCLK和PLL_C0NFIG1分别通过电阻与LMXM87的 LE端(即图1中U3的6脚)、DATA端(即图1中U3的7脚)、CLK端(即图1中U3的8脚)和 FTEST/LD端(即图1中U3的12脚)相连。电路接通后，外部通过配置端口对LMXM87内部寄存器进行配置，V844ME07产生 的微波信号经SP-2W分成两路，一路为微波输出端，另一端输入到LMX2487，经LMXM87的内 部小数分频器(即图2中F功能块)分频后送入delta-sigma结构的鉴相器(即图2中PD功 能块)，时钟输入端的参考信号经LMXM87的内部整数分频器(即图2中R功能块)分频送入 鉴相器，鉴相器比较这两路信号之间的相位差，此相位差经电荷泵(即图2中CP功能块)转 化成控制电流，再经四阶无源环路滤波器产生控制V844ME07的VT端的控制电压。当送入 鉴相器的两路信号频率不同时，由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势 必一直在变化，结果控制电压就在一定范围内变化，在这种控制电压的控制下，V844ME07的 输出频率也在变化，若V844ME07的输出频率经小数分频器分频后与另一路送入鉴相器的 信号频率相同，这时两路信号之间的频差为零，相位差不再随时间变化，为一固定值，整个 锁相环路进入锁定状态，V844ME07输出的微波信号频率不再变化。与以往适用于CPT原子频标的直接式频率合成系统相比，该频率合成系统电路结 构简单，仅由LMX2487、SP-2W、V844ME07及其外围电路组成，元器件的数目大大减少，若将 其布置在电路板上，电路板的面积至少减少2/3，特别适用于产品小型化。与混合式频率合 成系统相比，由于少了直接式频率合成系统部分及滤波、放大部分对能量的消耗，电路的功 耗将大大降低。附图说明图1为一种基于CPT原子频标的频率合成系统电路原理图。图2为一种锁相环频率合成器、环路滤波器、压控振荡器和功率分配器组成的频 率合成系统功能框图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术频率合成系统电路的工作过程作进一步说明根据附图1可知，第一稳压电源Ul (型号DH1718E-4双路跟踪稳压稳流电源，也可用 能输出3. 3V的电源芯片为电路供电)分别与第三锁相环频率合成器U3 (型号LMXM87)的 3、9、11、14、17、22、24脚，第三电容C3、第四电容C4，第三电阻R3相连，提供第三锁相环频 率合成器U3的工作电压，第三电容C3、第四电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＣＰＴ原子频标的频率合成系统，它包括第一稳压电源（Ｕ１）、第二稳压电源（Ｕ２）、第三锁相环频率合成器（Ｕ３）、第四压控振荡器（Ｕ４）、第五功率分配器（Ｕ５）、第六四阶无源环路滤波器（Ｕ６）、时钟输入端（Ｊ１）、微波输出端（Ｊ２），其特征在于：第三锁相环频率合成器（Ｕ３）与第六四阶无源环路滤波器（Ｕ６）相连，第六四阶无源环路滤波器（Ｕ６）与第四压控振荡器（Ｕ４）相连，第三锁相环频率合成器（Ｕ３）分别接地，第三锁相环频率合成器（Ｕ３）分别与第九电阻（Ｒ９）和第八电容（Ｃ８）相连，第八电容（Ｃ８）另一端与第五功率分配器（Ｕ５）相连，第三锁相环频率合成器（Ｕ３）与第六电容（Ｃ６）相连，第三锁相环频率合成器（Ｕ３）分别与第四电阻（Ｒ４）、第五电阻（Ｒ５）、第六电阻（Ｒ６）、第七电阻（Ｒ７）相连，第三锁相环频率合成器（Ｕ３）与第五电容（Ｃ５）相连，第三电阻（Ｒ３）两端分别与第三锁相环频率合成器（Ｕ３）相连，第三锁相环频率合成器（Ｕ３）与第七电容（Ｃ７）相连，第七电容（Ｃ７）另一端与第八电阻（Ｒ８）相连，第三锁相环频率合成器（Ｕ３）分别与第二电阻（Ｒ２）和第一电容（Ｃ１）相连，第三锁相环频率合成器（Ｕ３）与第二电容（Ｃ２）相连，第二电容（Ｃ２）另一端分别与第一电阻（Ｒ１）和时钟输入端（Ｊ１）相连，第四压控振荡器（Ｕ４）接地，第四压控振荡器（Ｕ４）与第十四电容（Ｃ１４）、第十五电容（Ｃ１５）、第十六电容（Ｃ１６）相连，第四压控振荡器（Ｕ４）与第十七电容（Ｃ１７）相连，第十七电容（Ｃ１７）另一端与第五功率分配器（Ｕ５）相连，第五功率分配器（Ｕ５）与微波输出端（Ｊ２）相连，第五功率分配器（Ｕ５）接地。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰华，王远超，顾思洪，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]