CN203387496U

CN203387496U - 一种信号源的仿真装置

Info

Publication number: CN203387496U
Application number: CN201320320372.3U
Authority: CN
Inventors: 雷海东
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2023-06-05

Abstract

本实用新型公开了一种信号源的仿真装置，属于信号源领域。装置包括：中央处理器，用于产生第一纠偏电压，并输出第一控制信号和第二控制信号；第一数模转换器，用于接收第一纠偏电压，对第一纠偏电压进行数模转换，并输出转换后的第一纠偏电压；压控晶体振荡器，用于在转换后的第一纠偏电压的作用下，输出第一信号；调节模块，用于在中央处理器输出的第一控制信号作用下，调节中央处理器提供的第一纠偏电压的大小，并将调节后的第一纠偏电压提供给第一数模转换器；开关，用于在中央处理器输出的第二控制信号作用下，控制第一数模转换器输出固定大小的第一纠偏电压至压控晶体振荡器的持续时间。本实用新型用于测试稳定度参数。

Description

一种信号源的仿真装置

技术领域

本实用新型涉及信号源领域，特别涉及一种信号源的仿真装置。

背景技术

信号源作为高稳定、高精度的时钟源，正被广泛应用于航天、导航和通讯等众多领域。

现有的信号源包括参考源（例如原子钟）、检波放大器、积分器、初级信号源（例如压控晶体振荡器）和PLL（Phase Locked Loop，锁相环）。其中，参考源提供基准时钟信号。PLL用于反馈初级信号源的输出信号。检波放大器在基准时钟信号的参考下，对PLL反馈的信号进行特定频率的检波处理，获得相应频率的信号并进行放大。积分器对检波放大器输出的放大信号进行电平积分处理，获得相应的纠偏电压作用于初级信号源，从而使初级信号源输出信号。

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：在信号源的实际应用中，不同的应用场合可能要求信号源具有不同的稳定度。例如，当信号源应用在短期精确制导等场合时，要求信号源的短期稳定度高，当信号源应用在长期授时等场合时，要求信号源的长期稳定度高。由于不同的稳定度参数决定了不同的信号源的稳定度，因此，需要专门的仿真装置来测试所需的的稳定度所对应的信号源的稳定度参数，便于采用所需的稳定度所对应的信号源的稳定度参数的信号源能够输出所需的稳定度。

实用新型内容

为了解决现有技术的问题，本实用新型实施例提供了一种信号源的仿真装置。所述技术方案如下：

本实用新型实施例提供了一种信号源的仿真装置，所述装置包括：

用于产生第一纠偏电压，并输出第一控制信号和第二控制信号的中央处理器；

用于接收所述中央处理器产生的第一纠偏电压，对所述第一纠偏电压进行数模转换，并输出转换后的第一纠偏电压的第一数模转换器；

用于在所述第一数模转换器输出的转换后的第一纠偏电压的作用下，输出第一信号的压控晶体振荡器；

用于在所述中央处理器输出的第一控制信号作用下，调节所述中央处理器提供的第一纠偏电压的大小，并将调节后的第一纠偏电压提供给所述第一数模转换器的调节模块；以及

用于在所述中央处理器输出的第二控制信号作用下，控制所述第一数模转换器输出固定大小的第一纠偏电压至所述压控晶体振荡器的持续时间的开关；

所述中央处理器分别与所述调节模块和开关连接，所述调节模块与所述第一数模转换器连接，所述第一数模转换器通过所述开关与所述压控晶体振荡器连接。

可选地，所述装置还包括：

用于对所述压控晶体振荡器输出的第一信号和第二信号进行混频，并输出混频后的信号的第一混频器；

所述第一混频器与所述压控晶体振荡器连接。

可选地，所述装置还包括：

用于为所述第一混频器提供所述第二信号的第一信号发生器；

所述第一混频器与所述第一信号发生器连接。

可选地，所述装置还包括：

用于接收所述中央处理器产生的第二纠偏电压，对所述第二纠偏电压进行数模转换，输出转换后的第二纠偏电压至所述压控晶体振荡器的第二数模转换器；

所述第二数模转换器分别与所述中央处理器和所述压控晶体振荡器连接。

可选地，所述装置还包括：

用于对所述第一混频器输出的混频后的信号和第三信号进行混频，并输出混频后的信号的第二混频器；

所述第二混频器与所述第一混频器连接。

可选地，所述装置还包括：

用于为所述第二混频器提供所述第三信号的第二信号发生器；

所述第二混频器与所述第二信号发生器连接。

优选地，所述压控晶体振荡器输出的第一信号的频率为10MHz或20MHz的正弦信号，所述第一信号发生器提供的第二信号的频率为频率变化的信号，所述第二信号的频率变化范围为-10mV至10mV，所述第二信号发生器提供的第三信号的频率为频率变化的信号，所述第三信号的频率变化范围为-20mV至20mV。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过调节模块在所述中央处理器输出的第一控制信号作用下，调节所述中央处理器提供的第一纠偏电压的大小，并将调节后的第一纠偏电压提供给所述第一数模转换器；由于环路增益最终体现在输入至初级信号源的纠偏电压，因此，采用调节模块能够对环路增益与稳定度之间的关系进行测试；开关在所述中央处理器输出的第二控制信号作用下，控制第一数模转换器输出固定大小的第一纠偏电压至所述压控晶体振荡器的持续时间；由于该持续时间为信号源内部的一次纠偏过程的时间，即环路响应时间，因此，采用开关能够对环路响应时间与稳定度之间的关系进行测试；从而能够得到所需的稳定度对应的环路增益取值和环路响应时间取值，便于采用所需的稳定度所对应的信号源的稳定度参数的信号源能够输出所需的稳定度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的信号源的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种信号源的仿真装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的又一种信号源的仿真装置的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种利用仿真装置进行信号源的测试方法的流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

为便于对本实用新型实施例的理解，首先对信号源进行介绍。参见图1，信号源包括参考源（例如原子钟）1、检波放大器2、积分器3、初级信号源（例如压控晶体振荡器）4和PLL（Phase Locked Loop，锁相环）5。如前所述，参考源1提供基准时钟信号。PLL5用于反馈初级信号源4的输出信号。检波放大器2在参考源1提供的基准时钟信号的参考下，对PLL5反馈的信号进行特定频率的检波处理，获得相应频率的信号并进行放大。积分器3对检波放大器2输出的放大信号进行电平积分处理，获得相应的纠偏电压作用于初级信号源3，从而使初级信号源3输出与纠偏电压对应的频率信号（图1中黑色箭头所示）。其中，积分器3输出一次纠偏电压作用于初级信号源3，初级信号源3输出与纠偏电压对应的频率信号的过程称为，一次信号源内部对初级信号源输出频率进行纠偏的过程。

其中，检波放大器2、积分器3和PLL5构成伺服环路。本实施例中描述的信号源的环路增益指，该伺服环路的环路增益。环路增益由检波放大器2、积分器3和PLL5三者贡献。

值得说明的是，图1所示的信号源的结构仅用于举例，信号源的结构并不限于图1所示的信号源的结构。

实施例

本实用新型实施例提供了一种信号源的仿真装置，适用于任何信号源，尤其适用于图1所示的信号源。参见图2和图3，该装置包括：

中央处理器201，用于产生第一纠偏电压，并输出第一控制信号和第二控制信号。

第一数模转换器202，用于接收中央处理器201产生的第一纠偏电压，对第一纠偏电压进行数模转换，并输出转换后的第一纠偏电压。

压控晶体振荡器203，用于在第一数模转换器202输出的转换后的第一纠偏电压的作用下，输出第一信号。

调节模块204，用于在中央处理器201输出的第一控制信号作用下，调节中央处理器201提供的第一纠偏电压的大小，并将调节后的第一纠偏电压提供给第一数模转换器202。

开关205，用于在中央处理器201输出的第二控制信号作用下，控制第一数模转换器202输出固定大小的第一纠偏电压至压控晶体振荡器203的持续时间。

其中，中央处理器201分别与调节模块204和开关205连接，调节模块204与第一数模转换器202连接，第一数模转换器202通过开关205与压控晶体振荡器203连接。

第一纠偏电压源于中央处理器201。具体地，可以在预定时间段内，采集某个信号源中经伺服环路后输出的纠偏电压值（即积分器输出的纠偏电压值），并建立时间与纠偏电压值的对应关系。中央处理器201中可以预置该时间与纠偏电压值的对应关系，并在预定时间段内，按照时间变化，将对应的纠偏电压值作为第一纠偏电压进行输出，以模拟信号源中伺服环路。

具体地，第一数模转换器202用于模拟信号源中积分器，在调节模块204的调节下，可以使第一数模转换器202输出不同大小的第一纠偏电压并作用于压控晶体振荡器203，使压控晶体振荡器203输出信号的频率发生变化。

具体地，压控晶体振荡器203可以产生所需频率（如10MHz或20MHz）的正弦波信号，用于模拟信号源中输出频率信号的初级信号源。

其中，调节模块204用于在中央处理器201的控制下，对信号源的环路增益进行调节。具体地，调节模块204用于调节第一数模转换器202输出的第一纠偏电压的大小。由于信号源的环路增益最终影响的是初级信号源输出信号的频率，因此，控制环路增益的大小，可以直接控制输入至初级信号源的纠偏电压的大小。

其中，开关205用于在中央处理器201的控制下，对环路响应时间进行调节，该环路响应时间为，第一数模转换器202输出固定大小的第一纠偏电压至压控晶体振荡器203的持续时间进行调节。

可选地，参见图3，该装置还包括：

第一信号发生器206，用于提供第二信号。

第一混频器207，用于对压控晶体振荡器203输出的第一信号和第一信号发生器206提供的第二信号进行混频，并输出混频后的信号。

第一混频器207分别与压控晶体振荡器203和第一信号发生器206连接。

具体地，第一信号发生器206产生一路固定的信号（第二信号）至第一混频器207，该路固定的信号用于模拟信号源中噪声信号。压控晶体振荡器203输出的第一信号也送至第一混频器207。送至第一混频器207的两路信号经第一混频器207混频后输出，作为信号源的输出信号。第一混频器207将第一信号发生器206产生的噪声信号施加在压控晶体振荡器203输出信号上，模拟了信号源输出信号受噪声的影响，使该仿真装置的运行状况贴近真实的信号源的运行状况，从而使仿真装置得到的测试结果比较准确。

优选地，第一信号发生器206可以为任意波形发生器，例如Agilent公司生产的型号为33250A的任意波形发生器。

可选地，参见图3，该装置还包括：

第二数模转换器208，用于接收中央处理器201产生的第二纠偏电压，对第二纠偏电压进行数模转换，输出转换后的第二纠偏电压至压控晶体振荡器203。

第二数模转换器208分别与中央处理器201和压控晶体振荡器203连接。

具体地，第二数模转换器208对第二纠偏电压进行数模转换，输出转换后的第二纠偏电压至压控晶体振荡器203。该第二纠偏电压作用于压控晶体振荡器203后，将使压控晶体振荡器203输出频率发生变化。第二纠偏电压引起的压控晶体振荡器203的频率变化，用于模拟压控晶体振荡器203的老化漂移量。

第二纠偏电压源于中央处理器201。具体地，中央处理器201按照采样时间T、且步长为V逐步改变输出电压至第二数模转换器208。具体地，V为采样时间T内的压控晶体振荡器203的频率漂移量对应的纠偏电压值。例如，假设压控晶体振荡器203的年老化漂移量为f（此值可以通过厂商获得），采样时间T的漂移量为f1，那么，根据公式f1=（f*T）/（86400*365）能够得到f1。进一步地，在已知压控晶体振荡器203的压控斜率K_OSC前提下，可以根据公式V=f1/K_OSC获得相应的纠偏电压值V。

可选地，参见图3，该装置还包括：

第二信号发生器209，用于提供第三信号。

第二混频器210，用于对第一混频器207输出的混频后的信号和第二信号发生器209提供的第三信号进行混频，并输出混频后的信号。

第二混频器210分别与第一混频器207和第二信号发生器209连接。

具体地，第二信号发生器209用于模拟信号源中除初级信号源之外的其他部件的线性漂移量。整个信号源中，除初级信号源外，其他部件也存在线性漂移。可以采用第二信号发生器209来产生一路信号来模拟此线性干扰。该线性干扰将影响信号源最终输出的频率信号。第二混频器210将第二信号发生器209和第一混频器207输出的信号混频，得到施加了线性漂移的信号源的输出信号。

优选地，第二信号发生器209可以为任意波形发生器，例如Agilent公司生产的型号为33250A的任意波形发生器。

优选地，压控晶体振荡器输出的第一信号的频率为10MHz或20MHz的正弦信号，第一信号发生器提供的第二信号的频率为频率变化的信号，第二信号的频率变化范围为-10mV至10mV，第二信号发生器提供的第三信号的频率为频率变化的信号，第三信号的频率变化范围为-20mV至20mV。

结合本实施例提供的信号源的仿真装置，下面介绍一种利用该仿真装置进行信号源的测试方法，参见图4，该方法流程包括：

步骤201：提供前述的信号源的仿真装置。

步骤202：分别根据多组稳定度参数，设置该仿真装置的中央处理器输出的第一控制信号和第二控制信号，以使仿真装置的调节模块在第一控制信号作用下，调节中央处理器提供的第一纠偏电压的大小；仿真装置的开关在第二控制信号作用下，控制仿真装置的第一数模转换器输出固定大小的第一纠偏电压至压控晶体振荡器的持续时间。

每组稳定度参数包括环路响应时间取值和环路增益取值、且两组稳定度参数的环路响应时间取值不同和/或环路增益取值不同，每组稳定度参数的环路响应时间取值和环路增益取值分别不超过环路响应时间的预定取值范围和环路增益的预定取值范围。

其中，环路响应时间为信号源内部完成一次对初级信号源输出频率进行纠偏的时间，即输入至初级信号源的固定大小的纠偏电压的持续时间。根据初级信号源的特性，当输入电压发生改变时，初级信号源输出信号的频率也发生改变，因此，环路响应时间也可描述成，改变一次输入至初级信号源的纠偏电压，进而使初级信号源输出信号的频率发生改变的时间。

将环路响应时间作为稳定度参数的理由为：对于现有技术定义的信号源的长、短稳指标中的采样时间T，它决定了对信号源整机输出信号频率按照T进行一次采样。很明显，不同的环路响应时间将对按照采样时间T获得的信号源稳定度有影响。具体地，按照目前的计量检定规则，通常在采样时间为100秒时间以下为短期稳定度，而以天计量标准（即86400秒）才定义为长期稳定度。很明显，对于响应时间，它越小越有利于信号源的短期稳定度，它越大越有利于信号源的长期稳定度。

具体地，根据当前一组稳定度参数的环路响应时间，设置中央处理器输出的第二控制信号，使开关在第二控制信号作用下，控制仿真装置的第一数模转换器输出固定大小的第一纠偏电压至压控晶体振荡器的持续时间为该环路响应时间。

其中，环路增益为信号源中检波放大器的鉴频斜率、信号源中积分器的增益、以及信号源中PLL的系数三者共同作用的、且最终反应到信号源中初级信号源压控端的纠偏电压。

将环路增益作为稳定度参数的理由为：信号源的最终级输出都是依赖初级信号源输出的频率信号，而环路增益在***中所起的作用最终必然反映到对初级信号源的输出信号频率进行纠偏上来，而初级信号源通常是一个压控晶体振荡器，环路增益的大小决定了每一次对初级信号源的输出信号频率纠偏的大小，很明显按照现有技术对信号源长、短稳的定义，环路增益将直接影响信号源的长短稳指标。

具体地，首选，在预先建立的环路增益取值-纠偏电压取值的对应关系中，获取当前一组稳定度参数的环路增益取值对应的纠偏电压取值；然后，设置中央处理器输出的第一控制信号，使调节模块在第一控制信号作用下，调节中央处理器提供的第一纠偏电压的大小为，当前一组稳定度参数的环路增益取值对应的纠偏电压取值。

优选地，环路响应时间的预定取值范围为0.1S～1S，环路增益的预定取值范围为1～10。每个环路响应时间取值为，以0.1S为取值间隔，依次从0.1S～1S中获取的每个环路响应时间取值；每个环路增益取值为，以1为取值间隔，依次从1～10中获取的每个环路增益取值。

具体地，多组稳定度参数的创建方式如下表1所示。表1中，参数组序号表示每组稳定度参数的序号。例如，序号为3的稳定度参数的响应时间取值为0.1S，环路增益取值为3。

表1

步骤203：运行该仿真装置，测量仿真装置输出信号的稳定度，得到每组稳定度参数对应的稳定度。

具体地，设置中央处理器输出的第一控制信号和第二控制信号完成后，运行信号源的仿真装置，得到当前一组稳定度参数对应的稳定度。

重复执行步骤202-203，遍历每组稳定度参数，直到得到每组稳定度参数对应的稳定度。

步骤204：从每组稳定度参数对应的稳定度中，选取满足需要的稳定度，将与满足需要的稳定度对应的一组稳定度参数作为最优的稳定度参数。

具体地，步骤203得到每组稳定度参数对应的稳定度后，选取满足需要的稳定度，将与满足需要的稳定度对应的一组稳定度参数作为最优的稳定度参数。

步骤205：在信号源运行前，调整信号源的环路响应时间和环路增益分别为最优的稳定度参数的环路响应时间取值和环路增益取值，以使信号源运行后的稳定度为满足需要的稳定度。

具体地，本步骤205包括：在信号源运行前，分别调节信号源中检波放大器的鉴频斜率、PLL的系数和积分器的增益，使检波放大器的鉴频斜率、PLL的系数和积分器的增益三者决定的环路增益为最优的稳定度参数的环路增益取值；将信号源中积分器输入纠偏电压至初级信号源的间隔时间设置为最优的稳定度参数的环路响应时间取值。

步骤206：当信号源运行时，调节积分器当前输出的纠偏电压，使调节后的积分器当前输出的纠偏电压与积分器上一次输出的纠偏电压之间的差值不大于预设差值。

具体地，本步骤206包括：

步骤2061：当信号源运行时，实时记录信号源中积分器输出的纠偏电压。

具体地，假设记录的积分器当前输出的纠偏电压为V1，积分器上一次输出的纠偏电压为V2。

步骤2062：判断积分器当前输出的纠偏电压与积分器上一次输出的纠偏电压之间的差值是否大于预设差值，若积分器当前输出的纠偏电压与积分器上一次输出的纠偏电压之间的差值大于预设差值，则执行步骤2063，若积分器当前输出的纠偏电压与积分器上一次输出的纠偏电压之间的差值不大于预设差值，则退出本次流程。

具体地，积分器输出的纠偏电压将引起初级信号源输出信号的频率变化，如果前后两次纠偏电压之间的差值比较大，则初级信号源输出信号的频率跳动也比较大。当初级信号源输出信号的频率跳动也比较大时，将影响信号源的稳定度。因此，为了提高信号源的稳定度，需将初级信号源输出信号的频率控制在一定范围内。可以通过控制积分器输出的纠偏电压的范围，进而控制初级信号源输出信号的频率的范围。该预设差值即为，能够被接受的纠偏电压的跳动范围。

假设预设差值为V’。若｜V1-V2｜>V’，则执行步骤2063，若｜V1-V2｜<=V’，则退出本次流程。

步骤2063：调节积分器当前输出的纠偏电压，使调节后的积分器当前输出的纠偏电压与积分器上一次输出的纠偏电压之间的差值不大于预设差值。

例如，已知初级信号源的压控斜率为1Hz/1V，若该初级信号源的输出频率为10MHz，那么该初级信号源输出频率的变化率为（1Hz/10MHz）/1V=1E-7/V。假如实际应用中要求信号源输出的信号频率跳动不能大于1E-10，那么，这就需要严格控制输送至初级信号源的纠偏电压变化值要小于1mV。故当上述积分器最终级输出纠偏电压大于1mV时，就需要通过调节积分器当前输出的纠偏电压。

本实用新型实施例通过在中央处理器输出的第一控制信号作用下，调节中央处理器提供的第一纠偏电压的大小，并将调节后的第一纠偏电压提供给第一数模转换器；由于环路增益最终体现在输入至初级信号源的纠偏电压，因此，采用调节模块能够对环路增益与稳定度之间的关系进行测试；在中央处理器输出的第二控制信号作用下，控制第一数模转换器输出固定大小的第一纠偏电压至压控晶体振荡器的持续时间；由于该持续时间为信号源内部的一次纠偏过程的时间，即环路响应时间，因此，采用开关能够对环路响应时间与稳定度之间的关系进行测试；从而能够得到所需的稳定度对应的环路增益取值和环路响应时间取值，便于采用所需的稳定度所对应的信号源的稳定度参数的信号源能够输出所需的稳定度。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种信号源的仿真装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

所述第一混频器与所述压控晶体振荡器连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

所述第一混频器与所述第一信号发生器连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

所述第二混频器与所述第一混频器连接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

所述第二混频器与所述第二信号发生器连接。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述压控晶体振荡器输出的第一信号的频率为10MHz或20MHz的正弦信号，所述第一信号发生器提供的第二信号的频率为频率变化的信号，所述第二信号的频率变化范围为-10mV至10mV，所述第二信号发生器提供的第三信号的频率为频率变化的信号，所述第三信号的频率变化范围为-20mV至20mV。