一种高性能隔离分配放大设备的制作方法

本发明涉及一种高性能隔离分配放大设备，属于时频通信系统领域。

背景技术：

在现代通信系统中，需要原子钟为系统提供准确度高，频率稳定度高的参考频率信号。随着时频领域的技术发展，参考频率的用户设备也变得日益复杂，由原来的单台设备向多用户设备过渡。整个系统需要统一的时间和频率确保各自系统正常运行，满足自身通信业务的需要。由于受负载能力的限制，原子钟不能直接用于多个级联设备。因此，对原子频标输出进行区分放大，同时实现频标的准确度、稳定度的高度保持，谐波、噪声的有效抑制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高性能隔离分配放大设备。

本发明采取的技术方案是：一种高性能隔离分配放大设备，其包括母板，以及分别设置在母板上实现互连互通的电源模块、标频模块、主控模块、前面板和后面板，所述后面板接射频输入信号，经主控模块内的功分器输出4路信号，4路信号分别接入标频模块，经输入缓冲、放大整形、射随驱动后输出至后面板，所述前面板作为显示模块采用矩阵发光二极管显示方式，每一个发光二极管对应相应的标频输入输出接口。

所述母板采用四层印制板设计，信号线内层布线，地线表层布线，同时母板采用无源接插件分布式排列，母板和各模块之间采用板对板连接器，母板采用J18直式孔插座，模块采用J18弯式针插头。

所述设备后面板接射频输入信号，频率10MHz，幅度-20～10dBm，经主控模块内的功分器输出4路信号，4路信号分别接入标频模块，经输入缓冲、放大整形、射随驱动后输出至后面板，输出信号共计6路，分别是2路10MHz信号，2路5MHz信号，2路1MHz信号，输出信号幅度13dBm±1dB。其中，所述10M信号的分配方案：原子钟信号10M Hz信号输入缓冲后经放大送至74HC14六非门施密特反向器，整形后经2N2222A隔离缓冲器后经10MHz低通滤波器，滤除高次谐波后，送至单板射频接插件；所述5M信号的分配方案：原子钟信号10M Hz信号输入缓冲后经放大送至74HC390十进制分频器二分频，输出5MHz的方波后经2N2222A隔离缓冲器后经5MHz低通滤波器，滤除高次谐波后，送至单板射频接插件；所述1M信号的分配方案：原子钟信号10M Hz信号输入缓冲后经放大送至74HC390十进制分频器十分频，输出1MHz的方波后经2N2222A隔离缓冲器后经1MHz低通滤波器，滤除高次谐波后，送至单板射频接插件。

所述2N2222三极管是缓冲驱动管，选择Motorola低噪声放大管，且散热采用金属TO18封装；滤波器采用低插入损耗，高带外抑制型滤波器，滤除高频谐波和高端的杂波信号。

所述射频输入信号采用AD8307AR对数型放大器检测输入信号，输入信号≥-20dBm时，OUT(pin4)输出电压1.2V，经电容滤波后送比较器，比较电压低电平表示正常，否则异常。输出信号采用倍压二极管检波方式，输出信号经弱耦合方式连接至二极管，信号整流后滤波送至比较器，比较电压低电平表示正常，否则异常。

所述电源模块采用市电和直流电源两种方式供电；市电和直流电源同时供电时，市电优先供电，当市电停电时，自动切换到直流电源供电，当市电恢复供电时，又接通市电通路，保证不间断供电。

所述电源模块包括继电器K1、继电器K2、前面板开关S1、变压器T1，所述继电器K1输入端连接24V直流电源，继电器K2输入端连接变压器T1的次边绕组，变压器T1的原边绕组连接220V市电，继电器K1的动合接点连接继电器K2的静合接点；首先打开前面板开关S1，S1闭合，若交、直流都供电，K1、K2都吸合，K1、K2的动合接电接通，直流24V经K1动合接点送到K2的静合接点后悬空，不能给设备供电，而交流电压经T1和K2的动合接点送桥堆VD3，输出+24V；当交流断电时，K2因无供电电压而停止工作，K2静合接点接通，K1仍然吸合，此时+24V的通路为K1动合接点、K2的静合接点、VD3，交流恢复供电时，K2再次切换至动合接点，设备恢复交流工作。

所述标频模块的供电采用二次隔离方式，电源模块输出+24V电源，经DC-DC降压芯片后送至EMI滤波器，抑制高频噪声，然后经高纹波抑制LDO芯片输出低纹波电源5V电压信号。

本发明的有益效果是：本发明提供的参考频率信号准确度高，频率稳定度高；可应用于时间频率相关领域(如3G通信网络、国家电网、铁路交通和国防军工等)，为时频系统提供多类型，多端口参考时钟。

附图说明

图1是本发明的组成框图。

图2是本发明的信号框图。

图3是标频模块接口芯片CAT9555框图。

图4是标频模块的整体框图。

图5是74HC390逻辑图。

图6是输入信号检测电路框图。

图7是输出信号检测电路框图。

图8是报警电路框图。

图9是电源交、直流转换控制原理框图。

图10是标频模块电源处理电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本高性能隔离分配放大设备采用4U机箱设计，主要由电源模块、标频模块、主控模块、前面板、后面板和母板共6单元组成。

1)标频模块

标频模块一路输入，多个不同频率输出，完成频率扩展、输入输出信号检测，增强信号带负载能力。

2)主控模块

采用先进的集成电路STM32F103RC,具有多路外设接口(I²C、SPI、UART)和I/O接口，完成标频模块的监控，并通过前面板显示。

3)电源模块

具有交、直流输入功能，交、直流可以无缝切换，交流供电优先级高于直流供电，采用自然冷却方式，提高设备的可靠性。

4)前面板

采用矩阵发光二极管显示方式，每一个发光二极管对应相应的标频输入输出接口。船型开关安装于前面板，控制设备电源开关。

5)后面板

包括两类接口。一是电源的输入接口，采用XCE型锁紧螺母焊板式接插件。二是标频的输入/输出接口，采用BNC射频接插件。

6)母板

母板是各个模块的互连互通平台，采用无源接插件分布式排列，母板和模块之间采用板对板连接器(母板采用J18直式孔插座，模块采用J18弯式针插头)，此连接方式杜绝设备内部低频线缆连接，增加设备可靠性和减少平均维修时间。

高性能隔离分配放大设备各个模块信号框图，见图2

1)射频信号

设备后面板接射频输入信号，频率10MHz，幅度-20～10dBm，经主控模块内的功分器输出4路信号，功分器型号为Mini-Circuit公司的PSC-4-1+(频率范围0.1～200MHz，插入损耗0.5dB，隔离度30dBc，幅度不平衡度0.2dB，幅度不平衡度6°)，4路信号分别接入标频模块，经输入缓冲、放大整形、射随驱动后输出至后面板。

2)总线信号

图1是标频模块接口芯片CAT9555框图。标频模块与主控模块采用I²C接口，接口芯片为CAT9555(数据传输速率0～400kbps，工作电压2.3V～5.5V)。标频模块输入/输出信号检波比较后，变成数字信号传输至接口芯片，母板上传输I²C信号。这样实现优点是：

a)、I²C总线最多可以16个从属设备，这样标频模块扩展方便；

b)、标频模块检波信号是模拟信号，若在母板中传输，容易受数字信号干扰；

c)、单板标频模块检测信号数量多(1路输入，6路输出)，若在母板中传输，信号辐射大，布线复杂，该设计线路简洁、信号辐射小。

主控模块和显示模块采用异步串口UART传输，电平TTL，波特率38400bps。显示模块采用双色发光二极管LED显示方式，正常LED显示绿色，异常显示红色。

标频模块的整体框图见图4。

输入信号是来自主控模块功分器的输出，通过射频电缆连接输入端口，信号频率10MHz，幅度可接收宽范围-20～10dBm信号，输出信号共计6路，分别是2路10MHz信号，2路5MHz信号，2路1MHz信号，输出信号幅度13dBm±1dB。

10M信号的分配方案：原子钟信号10M Hz信号输入缓冲后经放大送至74HC14六非门施密特反向器，整形后经2N2222A隔离缓冲器后经10MHz低通滤波器，滤除高次谐波后，送至单板射频接插件。

5M信号的分配方案：原子钟信号10M Hz信号输入缓冲后经放大送至74HC390十进制分频器二分频，输出5MHz的方波后经2N2222A隔离缓冲器后经5MHz低通滤波器，滤除高次谐波后，送至单板射频接插件。

1M信号的分配方案：原子钟信号10M Hz信号输入缓冲后经放大送至74HC390十进制分频器十分频，输出1MHz的方波后经2N2222A隔离缓冲器后经1MHz低通滤波器，滤除高次谐波后，送至单板射频接插件。

该模块设计具有以下优点：

1成本低；

2扩展性强；

3隔离度高；

4附加相位噪声小；

如图5所示，74HC390配置不同的模式，实现二分频与十分频。

二分频连接：nMR＝0，信号输入nCP0，经二分频模块后信号输出nQ0；

十分频连接：nMR＝0，信号输入nCP0，二分频模块输出nQ0连接至nCP1，经五分频模块，信号输出nQ2。

2N2222三极管是缓冲驱动管，选择Motorola低噪声放大管，且考虑散热采用金属TO18封装。

滤波器采用低插入损耗，高带外抑制型滤波器，滤除高频谐波和高端的杂波信号，指标见表1：

表1滤波器指标

输入/输出故障报警设计：

如图6、图7，输入、输出信号采用不同检波方式，输入信号检波范围比较宽，采用对数放大器检波方式，对数检波器可提供一个与其输入功率级别呈对数线性比例关系的直流输出电压。在其测量动态范围之内，这些检波器有良好的准确度和线性度。输出信号幅度比较高且恒定，采用倍压二极管检波方式，二极管检波方式电路简单，占用PCB空间小。

输入端采用AD8307AR对数型放大器检测输入信号，输入信号≥-20dBm时，OUT输出电压1.2V，经电容滤波后送比较器，比较电压低电平表示正常，否则异常。输出端采用倍压二极管检波方式，输出信号经弱耦合方式连接至二极管，信号整流后滤波送至比较器，比较电压低电平表示正常，否则异常。

如图8，标频模块左上角放置一双色发光二极管，输入输出检测电路的IO信号进行逻辑“或”，任意信号检测到幅度偏移正常范围后，不仅相应的IO口为高电平，而且单板双色二极管显示红色报警，此设计方便单板调试。

电源电路设计：

图2是电源交、直流转换控制原理框图。高性能隔离分配放大设备采用市电和直流电源两种方式供电。市电和直流电源同时供电时，市电优先供电，当市电停电时，自动切换到直流电源供电，当市电恢复供电时，又接通市电通路，保证不间断供电。市电输入电压220V±15％时，系统正常工作。外接直流稳压电源电压为24V,负极接地。

图9中，K1、K2为继电器，S1为前面板开关，T1为变压器。打开面板上电源开关，S1闭合。若交、直流都供电，K1、K2都吸合。K1、K2的动合接电接通。直流24V(+)经F1、VD1、K1动合接点送到K2的静合接点后悬空，不能给设备供电。而交流电压经F2、T1和K2的动合接点送桥堆VD3，输出+24V。当交流断电时，K2因无供电电压而停止工作，K2静合接点接通，K1仍然吸合，此时+24V的通路为F1、VD1、K1动合接点、K2的静合接点、VD3。交流恢复供电时，K2再次切换至动合接点，设备恢复交流工作。

图3是标频模块电源处理电路。标频模块采用二次隔离方式，电源模块输出+24V电源，经母板传输至标频模块。+24V电源经DC-DC降压芯片后送至EMI滤波器(NFM41PC155B1E3)，抑制高频噪声，然后经高纹波抑制LDO芯片(LT1764A)输出低纹波(10mV_pp)电源5V电压信号。选择DC-DC稳压主要目的是提高单板的工作效率，LDO主要考虑高电源抑制比(PSRR)，可以有效降低纹波及噪声。

输入缓冲、分配放大和输出驱动每一级电路的供电需要LC滤波电路，此滤波可有效阻止射频信号通过电源信号进行串扰。

屏蔽与滤波设计：

整个模块用一金属下壳和上盖板组合而成，最大限度降低空间辐射。各路分配放大电路之间用结构件腔体屏蔽，有助于路与路隔离度与输入输出反向隔离度。用于连接各模块的母板采用四层印制板设计，信号线内层布线，地线表层布线，信号线的包地屏蔽处理方式会大幅度减少干扰。

电路元件的合理布局，电源信号滤波充分，射频信号采用低插损，高抑制滤波器保证电路各项指标。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。