0 引 言
    高穩(wěn)定度石英晶體諧振器(簡(jiǎn)稱(chēng)高穩(wěn)晶振)是廣泛應(yīng)用于通訊、電子對(duì)抗、數(shù)傳電臺(tái)、計(jì)算機(jī)等電子信息產(chǎn)品的重要器件。高穩(wěn)晶振的指標(biāo)直接影響產(chǎn)品的可靠性，因此如何檢測(cè)其性能是非常重要的。
    代表性測(cè)量?jī)x器是頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)(誤差倍增器+多路開(kāi)關(guān))。其原理是將被測(cè)頻率源的頻率起伏△f進(jìn)行倍頻，然后再用頻率計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)頻來(lái)計(jì)算準(zhǔn)確度、老化率、日波動(dòng)等指標(biāo)。在頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，信號(hào)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(shè)定的鐘信號(hào)，與被測(cè)晶振的信號(hào)進(jìn)行混頻，輸出差值在倍頻環(huán)的范圍內(nèi)。目前，它廣泛應(yīng)用于信號(hào)源設(shè)計(jì)的直接數(shù)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(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)；其次，對(duì)于高分辨力頻率計(jì)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(shù)為核心，采用AVR單片機(jī)和CPLD作為控制系統(tǒng)，可適時(shí)控制、計(jì)算、處理，并與上微機(jī)相連，完成多路檢測(cè)、分析、繪制狀態(tài)圖等工作。

1 頻率誤差倍增法測(cè)頻的基本原理
    設(shè)Fr為標(biāo)準(zhǔn)鐘(銣原子鐘)頻率，被測(cè)頻率Fx=Fr+△f。通過(guò)第一級(jí)倍增得到Fr+m△f，通過(guò)第二級(jí)倍增得到Fr+m2△f……，通過(guò)n級(jí)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(jí)。頻差倍增最大達(dá)10-5。
    由式(1)可知，頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)只對(duì)接近標(biāo)準(zhǔn)鐘輸出頻率的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。因此，需要研制高性能的新一代測(cè)試系統(tǒng)，檢測(cè)高穩(wěn)晶振生產(chǎn)的質(zhì)量。

2 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2．1 信號(hào)源設(shè)計(jì)
    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(tǒng)時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)來(lái)讀取預(yù)先存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D／A數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波(九階橢圓濾波器)輸出后得到所需的信號(hào)，通過(guò)改變頻率控制字的內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)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(hào)的相位連續(xù)，相位噪聲低。
   
    可選用ADI公司的AD9852作為標(biāo)準(zhǔn)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(jī)和MAXⅡ(EPT240)可編程器件對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了頻率和相位可調(diào)，輸出頻率范圍為1～100 MHz的信號(hào)源，其框圖如圖1所示。

    在制作中，需要考慮高低頻干擾、信號(hào)的插入損耗與接觸電阻，并用軟件對(duì)橢圓濾波器電路進(jìn)行仿真。用HP頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。
2．2 高分辨力頻率計(jì)數(shù)器
    采用倒數(shù)測(cè)量技術(shù)原理+模擬內(nèi)插技術(shù)完成設(shè)計(jì)，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(cè)信號(hào)的頻率；f0為基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率。當(dāng)預(yù)備閘門(mén)作用時(shí)，被測(cè)信號(hào)fx打開(kāi)計(jì)數(shù)門(mén)，進(jìn)行被測(cè)信號(hào)和時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)；內(nèi)插擴(kuò)展單元進(jìn)行展寬計(jì)數(shù)。當(dāng)預(yù)備閘門(mén)關(guān)閉后，被測(cè)信號(hào)fx關(guān)閉計(jì)數(shù)門(mén)，停止被測(cè)信號(hào)和時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)；內(nèi)插擴(kuò)展單元結(jié)束展寬計(jì)數(shù)。
   
    Altera公司MAXⅡ(EPT240)可編程器件完成以上功能。AVR單片機(jī)分別取數(shù)、計(jì)算、顯示。
    頻率測(cè)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(jì)數(shù)器(225 MHz)對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果完全符合。

3 頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3．1 高分辨力頻率計(jì)數(shù)器直接測(cè)量
    眾所周知，在重復(fù)性時(shí)間間隔(頻率)測(cè)量中，將其測(cè)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(fù)地測(cè)量相同的間隔，并設(shè)各次測(cè)量之間有某種程度的獨(dú)立性，那么用平均測(cè)量值來(lái)估計(jì)間隔，就可統(tǒng)計(jì)地縮小每次測(cè)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(cè)量，應(yīng)該注意：
    (1)相干性引起的非平均：當(dāng)時(shí)間間隔重復(fù)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(shù)，那么每次測(cè)量時(shí)間間隔的出現(xiàn)相對(duì)于鐘脈沖的相位都是相同的。因此，全部測(cè)量將嚴(yán)格地讀出相同的值，而且不產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)平均。在這種情況下，一百萬(wàn)次測(cè)量的量一化誤差與單次測(cè)量是沒(méi)有差別的。
    (2)時(shí)基的隨機(jī)相位調(diào)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(jī)相位調(diào)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(cè)量。相位調(diào)制信號(hào)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(cè)量被測(cè)信號(hào)的頻率，或置入被測(cè)信號(hào)的頻率，根據(jù)預(yù)置的計(jì)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匹配同軸線輸出的點(diǎn)頻給倍頻器，為誤差倍增單元提供標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，來(lái)完成頻穩(wěn)系統(tǒng)的測(cè)量。頻率穩(wěn)定度的計(jì)算有阿侖方差公式：

   
式中：fi1,fi2。為分別為某組測(cè)量的兩個(gè)頻率值；m為取樣組數(shù)，一般取100。

4 結(jié) 語(yǔ)
    頻率穩(wěn)定度是衡量高穩(wěn)晶振性能的重要指標(biāo)。隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其信號(hào)質(zhì)量的要求也提高。由于通訊載波所需的高穩(wěn)鐘頻是非標(biāo)的，需要對(duì)其時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與分析。用新一代頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)《寬范圍高穩(wěn)晶振頻率穩(wěn)定度測(cè)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(zhì)量。