摘要 本論文提出了一種基于單片機(jī)控制的高分辨率頻標(biāo)比對測量方法。介紹了這 種相位比對測量方法的原理以及實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定度測量的方案，包括各部分的硬件 電路設(shè)計(jì)、工作原理以及單片機(jī)部分的控制原理。另外，本論文還介紹了用于開 發(fā)該系統(tǒng)所用的l a b v i e w 虛擬儀器軟件在該系統(tǒng)中的應(yīng)用，包括軟件流程與整體 設(shè)計(jì)框圖，對數(shù)據(jù)采集板卡的驅(qū)動(dòng)，用直接存儲器( d m a ) 數(shù)據(jù)傳輸方式以及在計(jì) 算機(jī)上對所采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、處理、存儲與打印等功能的實(shí)現(xiàn)。最后通過實(shí) 驗(yàn)結(jié)果證明了該方案的可行性和開發(fā)系統(tǒng)的可靠性。這干4 - 高精度相位比對測頻方 法不同于以往的高精度測頻方法，避免了1 個(gè)字的誤差，原理簡單，有相當(dāng)高的 分辨率和測量精度。在測量閘門時(shí)間為l s 的情況下，頻率穩(wěn)定度可達(dá)2 x 1 0 。1 。 關(guān)鍵詞：頻標(biāo)比對d m a數(shù)據(jù)采集板卡頻率穩(wěn)定度 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t san e wm e t h o do fh i g hp r e c i s i o nc o m p a r i s o no ff r e q u e n c y s t a n d a r dw h i c hb a s e do nt h ec o n t r o lo f s i n g l ec h i p t h ep r i n c i p l eo f t h i sc o m p a r i s o no f f r e q u e n c ys t a n d a r da n dt h em e a s u r e m e n tm e t h o do ft h es t a b i l i t yo ff r e q u e n c yi nt h i s m e t h o da r eg i v e n ，i n c l u d i n gt h ed e s i g na n dt h et h e o r yo f e v e r yp a r to f h a r d w a r ea n dt h e c o n t r o l l i n gp r i n c i p l eo f t h es i n g l ec h i p i na d d i t i o n t h eu s eo ft h eg r a p h i c a ll a b v i e w s o f t w a r ei nt h es y s t e mi sp r e s e n t e d i n c l u d i n gt h es o f t w a r ef l o w c h a r t ，t h ew h o l ed e s i g n g r a p h ，t h ed r i v e r i n go ft h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，t h ed m a d a t at r a n s f e rm o d e sa n d t h ea c c o m p l i s h m e n to ft h ed i s p l a yo nt h ec o m p u t e r , d i s p o s e ，s t o r ea n dt h et y p eo ft h e d a t aw h i c hi so b t a i n e dt h r o u g ht h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d a tl a s t t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sp r o v et h a tt h ep r o j e c tu s e di nt h es y s t e mi sf e a s i b l ea n dt h ec a p a b i l i t yo fi t st e s t s y s t e mi s a l s os a r i s f y i n g t h i sm e t h o di sd i 彘r e n tf r o mt h eb s u a lo fh i g hp r e c i s i o n m e a s u r e m e n to f f r e q u e n c ys t a n d a r d ，s i m p l ei np r i n c i p l e ，e l i m i n a t e st h ee f f e c to f + 1 ，a n d t h es t a b i l i t yo f f r e q u e n c yc a nb e * 2 x 1 0 “o nt h ec o n d i t i o no f o n es e c o n dg a t et i m e k e y w o r d ：c o m p a r i s o no ff r e q u e n c ys t a n d a r d d m a d a t a a c q u i s i t i o n c a r dt h es t a b i l i t yo f f r e q u e n c y 創(chuàng)新性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容外，論文中不包 含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過得研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其 它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的 任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 本人簽名 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 日期 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究 生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。本人保證畢 業(yè)離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時(shí)署名單位仍然為西安電子科技大學(xué)。 學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文：學(xué)?？梢怨颊撐牡娜?部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。( 保密的論文 在解密后遵守此規(guī)定) 本學(xué)位論文屬于保密，在年解密后適用本授權(quán)書。 本人簽名： 導(dǎo)師簽名： 霉缸孽二 日期 日期加洚、1 f 第一章緒論 第一章緒論 1 1 高精度測頻的重要性 時(shí)間頻率測量技術(shù)的發(fā)展，是多學(xué)科、多技術(shù)領(lǐng)域所交叉形成的一門技術(shù)學(xué) 科，是一門既古老又新穎的學(xué)科，在人類科技進(jìn)步和生產(chǎn)發(fā)展中起到了至關(guān)重要 的作用。該技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)及工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，而工業(yè)技術(shù)的 發(fā)展又反過來將頻率測量提高到了新的高度。時(shí)間頻率在工業(yè)、交通、電信、軍 事等方面的應(yīng)用十分廣泛。計(jì)時(shí)、工業(yè)控制、定位導(dǎo)航、現(xiàn)代化數(shù)字技術(shù)和計(jì)算 機(jī)都離不開時(shí)頻技術(shù)和時(shí)頻測量。它的發(fā)展不但對于時(shí)頻學(xué)科的發(fā)展有很大的促 進(jìn)作用，而且對于各種量的精密測量和控制，對于測控技術(shù)在工業(yè)、國防及科學(xué) 技術(shù)的進(jìn)步方面都起到舉足輕重的作用。這方面所取得的新技術(shù)及成果，將會(huì)給 國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益。 現(xiàn)代量子頻標(biāo)的出現(xiàn)和電子技術(shù)的進(jìn)步，極大地提高了時(shí)間頻率計(jì)量的穩(wěn)定性 和準(zhǔn)確度，使之遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其它量值的計(jì)量水平。由于社會(huì)發(fā)展的需要，對信息 傳輸和處理的要求越來越高，將需要更高準(zhǔn)確度的時(shí)頻基準(zhǔn)和更精密的測量技術(shù)。 頻率和時(shí)閫的測量已越來越受到重視，它們也因此成為當(dāng)今物理量準(zhǔn)確計(jì)量的基 礎(chǔ)，其它量值計(jì)量如長度、電壓等參數(shù)也可轉(zhuǎn)化為與頻率測量有關(guān)的技術(shù)來確定， 測試水平均能得到顯著提高。 時(shí)間是三大基本物理量( 長度、質(zhì)量和時(shí)間) 之一。在所有的物理量當(dāng)中， 時(shí)間和頻率的標(biāo)準(zhǔn)及其計(jì)量具有很高的精度，它們的測量和控制技術(shù)與其它很多 學(xué)科的發(fā)展有著十分緊密的聯(lián)系。它廣泛的用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其在導(dǎo)航，空間技 術(shù)，通訊，天文學(xué)領(lǐng)域可以直接利用各種精密頻率設(shè)備( 包括不同類型的頻率源) 和控制技術(shù)。因此，頻率測量設(shè)備及其控制以及頻率源的研究有著廣泛的適用性 和發(fā)展前景，而且它的發(fā)展將影響著很多領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。在近幾年，科學(xué)技術(shù) 的發(fā)展對頻率標(biāo)準(zhǔn)的精確度和穩(wěn)定度的要求越來越高。因此，研究新的頻率測量 和控制方法是十分必要的。 經(jīng)過長期的研究，在頻率測量和控制領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)了很多技術(shù)和方法，它們具 有不同的精度和復(fù)雜性。但是，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，在很寬的頻率范圍內(nèi) 對非標(biāo)準(zhǔn)信號需要具有較高的測量精度。利用傳統(tǒng)的測量技術(shù)提高頻率的測量精 度，使得測量系統(tǒng)的造價(jià)成本很高，不能滿足低成本的要求。因此，具有較高測 量精度和寬的頻率范圍的新測量方法就非常值得研究和開發(fā)，而低成本的測量儀 器更是備受歡迎的。目前雖有很多的頻率控制和頻率合成方法在實(shí)際中得到了很 廣泛的使用。在使用中人們常常發(fā)現(xiàn)，在測量精度與儀器的成本，復(fù)雜程度和應(yīng) 用條件之間存在著矛盾。因此，具有高精度和簡單結(jié)構(gòu)的控制和合成技術(shù)就成為 高精度頻標(biāo)比對測量方法的研究與儀器設(shè)計(jì) 此領(lǐng)域重要的研究方向。 要實(shí)現(xiàn)頻率與時(shí)間的測量，首先必須有一個(gè)高性能的頻率源，例如閘門時(shí)間的 丌啟與關(guān)閉、標(biāo)頻脈沖的填充等都用到了頻率源( 頻標(biāo)) ，所以頻率標(biāo)準(zhǔn)的特性是 一切頻率測量技術(shù)的一個(gè)重要參數(shù)。在各種頻率源中，尤其是對于晶體振蕩器來 說，穩(wěn)定性問題是最使人們關(guān)注的一個(gè)問題，它表示對于頻率準(zhǔn)確度的保持能力。 對于穩(wěn)定度不好的頻率源來說，準(zhǔn)確度調(diào)的再高也是保持不了的。所以，通過調(diào) 試所獲得的高準(zhǔn)確度指標(biāo)是沒有是什么價(jià)值的。 近年來由于通訊、郵電、導(dǎo)航及國防等方面對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號源的精度和穩(wěn)定度 要求越來越高，使得頻率測量技術(shù)必須兼顧測量精度和i 貝4 頻范圍兩方面的高要求。 頻率及時(shí)間的測量技術(shù)不僅被用于測量的目的，而且也是頻率變換、控制和合成 的基礎(chǔ)。目前在頻率測量領(lǐng)域存在的方法大體分為兩類，一類是以電子計(jì)數(shù)器測 頻為代表的寬范圍頻率測量，以及在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的多周期同步法、模擬內(nèi)插法 以及游標(biāo)法等。多周期同步法采用實(shí)際測量閘門與被測信號同步，通過消除了被 測信號和閘門信號之問的隨機(jī)性提高了測量精度。模擬內(nèi)插法是以測量時(shí)間間隔 為基礎(chǔ)的測量方法，它主要通過解決量化單位以下的尾數(shù)來提高測量精度，由于 這是建立在放大數(shù)倍的基礎(chǔ)上，因此測量精度也提高了同樣的放大倍數(shù)。游標(biāo)法 則是一種采用類似于機(jī)械游標(biāo)卡尺的原理來較為準(zhǔn)確的測出門時(shí)始末的不確定時(shí) 間間隔t - 和t 2 使測量精度得以提高的方法。從本質(zhì)上講，盡管測量測量范圍很寬， 這些方法在技術(shù)過程中都未能在根本上消除l 字誤差，只是通過一些技術(shù)因素來 減小它的影響，再進(jìn)一步提高測量精度會(huì)受到限制。 另一類是針對頻標(biāo)比對的各種技術(shù)。目前，國內(nèi)外使用的常見頻率標(biāo)準(zhǔn)測量方 法有示波器法、頻率誤差倍增法、差拍法、時(shí)差法、相檢寬帶測頻方法以及相位 比較法等。 用示波器進(jìn)行頻率標(biāo)準(zhǔn)之間的比對和測量是一種很簡單的測量方法，對于測量 設(shè)備的要求也不高，在實(shí)際使用中是比較靈活的，但這種方法的測量、比對精度 不是很高，一般適用于較高穩(wěn)定度的晶體振蕩器的準(zhǔn)確度測量和長期穩(wěn)定度的比 對。而針對原子鐘的比對和各種頻率源的短穩(wěn)測量，顯然都是不合適的。 通過多次倍頻、混頻、濾波及放大的方法把兩頻標(biāo)的頻差加以擴(kuò)展的頻差倍增 法，使用普通計(jì)數(shù)器測頻就可以實(shí)現(xiàn)頻標(biāo)的準(zhǔn)確度、老化率、日波動(dòng)與頻率短期 穩(wěn)定度等指標(biāo)的測量。但頻差倍增器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且產(chǎn)生附加噪聲的來源也多， 最高頻差倍增倍數(shù)受到限制，只能達(dá)到1 0 5 ，所以在高穩(wěn)晶振和原子頻標(biāo)的毫秒、 秒級穩(wěn)定度測量中較少采用。 差拍法測量頻標(biāo)的基本出發(fā)點(diǎn)是將參考和待測信號經(jīng)低噪聲混頻器差拍，差拍 后的信號經(jīng)低通濾波器后用計(jì)數(shù)器測其多個(gè)周期。這種方法又叫差頻多周期法。 這種方法方案簡單、精度高。但由于采用了計(jì)數(shù)器，將會(huì)存在l 的計(jì)數(shù)誤差，降 第一章緒論 低測量精度，鑒相器和混頻器的噪聲也會(huì)影響測量精度。 相檢寬帶測頻技術(shù)充分利用周期性信號的規(guī)律，通過撲捉兩比對信號的相位重 合點(diǎn)來進(jìn)行頻率的測量，理論上測量精度高，但由于觸發(fā)誤差等因素的影響，實(shí) 際中達(dá)不到相應(yīng)的精度 相位比較法( 比相法) 是一種問接的頻率測量方法，利用這種方法鋇i 頻的儀器 具有結(jié)構(gòu)簡單、高分辨率和高精度的特點(diǎn)。比相法的實(shí)質(zhì)是將兩頻率信號在某一 特定時(shí)間間隔的始末兩頻率源間相位差變化抽取出來，來反映該段時(shí)間內(nèi)兩頻率 源問的平均頻率偏差。 1 2本論文的主要成果與結(jié)構(gòu)安排 利用相位比對法實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定度的測量，是當(dāng)今頻率測量領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)主 流。由于實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定度的測量，對測量方法及設(shè)備在測量速度、數(shù)據(jù)的采集及 處理等方面均提出了一定的要求，即能存儲、實(shí)時(shí)顯示測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分 析、計(jì)算、打印等功能，一般的儀器不能滿足這種要求。本論文就是順應(yīng)這種形 勢的需求，根據(jù)目前虛擬儀器及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī) 與儀器硬件結(jié)合起來，通過友好的圖形界面( 通常稱為虛擬前面板) 操作這臺計(jì) 算機(jī)，以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源( 如微處理器、內(nèi)存、顯示器等) 和儀器硬件 ( 如外圍鑒相電路、a d 采集板) 的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實(shí)現(xiàn)對 數(shù)據(jù)的采集、分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口。這是一種新型的設(shè)計(jì)思想， 是屬于本實(shí)驗(yàn)室系列智能頻標(biāo)比對器中的一員。 題目要求開發(fā)一種新型頻標(biāo)比對器產(chǎn)品，完成整體結(jié)構(gòu)、電路原理、軟件編 寫等系列產(chǎn)品研制開發(fā)過程，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，作出樣機(jī)。 儀器要求用先進(jìn)的測量方法，完成對頻率量的等精度高分辨率的測量，在用戶 界面上要求界面友好，能實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的設(shè)置，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、顯示實(shí)時(shí) 測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算、打印等功能。 本論文采用了相位比對法完成了高分辨率頻標(biāo)比對器的設(shè)計(jì)。在電路的設(shè)計(jì) 中，注意了電路的穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)用性；在整體設(shè)計(jì)中，注意了電路的抗干 擾性能，數(shù)據(jù)采集的高速性與實(shí)肘性。儀器采用研祥( e v o c ) p c l 一8 1 6 h 高速數(shù)據(jù) 采集板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，利用當(dāng)前最流行的實(shí)現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計(jì)的圖形化編程軟 件l a b v i e w 進(jìn)行該儀器的軟件設(shè)計(jì)。本儀器精度高，功能多樣。是一種新型的測 量方法。 本儀器采用的相位比對法是一種比較先進(jìn)的頻率測量方法，是將兩個(gè)被比對的 標(biāo)稱值相同的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號之間的相位關(guān)系，通過線性鑒相器轉(zhuǎn)換成與它成線性 關(guān)系的電壓信號，并通過a d 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示，避免了1 的 高精度頻標(biāo)比對測量方法的研究與儀器設(shè)計(jì) 計(jì)數(shù)誤差，不僅能實(shí)現(xiàn)對頻率短期穩(wěn)定度的測量，而且對于躍期穩(wěn)定度的比對也 可實(shí)現(xiàn)。 儀器中采用計(jì)算機(jī)作為中心控制器，從比相器輸出的鑒相輸出電壓信號，經(jīng)高 速數(shù)據(jù)采集板卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集，采集的各種參數(shù)設(shè)置經(jīng)計(jì)算機(jī)界面可以方 便的實(shí)現(xiàn)，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)的顯示在界面上，若需進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與 存儲，通過畝接存儲器數(shù)據(jù)傳輸( d m a 方式) ，將數(shù)據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中， 在需要時(shí)可直接調(diào)用顯示并進(jìn)行打印。這使得儀器界面友好，便于操作，可靠性 增強(qiáng)，具有時(shí)代特點(diǎn)。 l a b v i e w 是美國國家儀器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，簡稱n i ) 推出的圖形化 軟件編程平臺，是當(dāng)今進(jìn)行虛擬儀器設(shè)計(jì)的最流行的一種編程軟件。由于它圖形 化的儀器編程環(huán)境、直接明了的前面板用戶接口及流程圖式的編程風(fēng)格、靈活的 程序調(diào)試手段以及功能強(qiáng)大的函數(shù)庫等優(yōu)點(diǎn)，節(jié)約了程序開發(fā)時(shí)間，以及友好的 用戶界面，深受廣大用戶的喜愛。 在開發(fā)該產(chǎn)品的同時(shí)，圍繞這一產(chǎn)品，本文也對所做的一些頻標(biāo)比對測量方法 的研究工作做了總結(jié)。本文第二章對常用的頻率測量方法進(jìn)行了研究，并比較了 它們的優(yōu)缺點(diǎn)。比相法是一種簡單而實(shí)用的測頻方法，它是利用兩比對信號之間 的相位關(guān)系，反映頻率源穩(wěn)定度和精度的。但它有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，就是在0 0 - 3 6 0 。 的比相范圍里，靠近零度和滿度區(qū)域存在“死區(qū)”和非線性，從而影響測量的精 度。所以在第三章介紹了基于比相法進(jìn)行頻標(biāo)比對測量的現(xiàn)有狀況，在此基礎(chǔ)上 提出了新的用單片機(jī)控制的測量方法，是為了避開在比相過程中零度和滿度附近 的“死區(qū)”和非線性雨提出的改進(jìn)測量方法，它能夠使得測量系統(tǒng)的比相過程始 終工作在線性區(qū)，從而達(dá)到提高測量精度的目的，系統(tǒng)的自校精度可達(dá)1 0 - ，。； 第四章對系統(tǒng)所用的軟件l a b v i e w 以及其在該系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述；最后對相 位比對法的原理進(jìn)行了介紹，并進(jìn)行電路原理的設(shè)計(jì)及方法的改進(jìn)。 1 _ 3小結(jié) 本文從國內(nèi)外時(shí)間頻率測量技術(shù)的現(xiàn)狀出發(fā)，介紹了基于相位比對的高精度測 量方法原理的研究的重要性以及論文的主要研究成果和整體安排。 第二章常用的頻率標(biāo)準(zhǔn)測量方法的研究 第二章常用的頻率標(biāo)準(zhǔn)測量方法的研究 2 1頻率測量的技術(shù)概況 時(shí)間和頻率的測量技術(shù)和方法是時(shí)間和頻率信號處理和應(yīng)用的基礎(chǔ)，并且在 科學(xué)技術(shù)的不同領(lǐng)域占有非常重要的地位。由于科學(xué)技術(shù)，通信，電信，儀器儀表， 工業(yè)制造以及運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的精度和穩(wěn)定度提高的非?？?， 同時(shí)測量頻率的范圍越來越寬。在非常寬的范圍里高精密頻率和時(shí)間測量技術(shù)也 是迫切需要的。 經(jīng)過長期的研究和發(fā)展，許多頻率測量和比對方法在實(shí)際應(yīng)用中被開發(fā)。 在一般情況下，頻率測量可以在時(shí)域或頻域完成，最近，另一種頻率測量技 術(shù)一調(diào)制域測量技術(shù)已被開發(fā)并得到廣泛的應(yīng)用。在頻域里，頻譜密度的測量是 傅罩葉頻率的基礎(chǔ)；另一方面，阿倫方差是時(shí)域測量的應(yīng)用手段。在嚴(yán)格的數(shù)學(xué) 意義上，這兩種描述是通過傅里葉變換相聯(lián)系的。 在頻率和精密振蕩器的測量中，由于平均輸出頻率受窄帶電路的控制，因此， 在一般情況下信號以正弦波來描述，在特定情況下也可假定輸出為電壓，其表示 式為： y ( ，) = 圪- i - 6 ( t ) s i n 2 礬r - i - 廬( f ) 】 ( 2 - 1 ) 式( 2 - 1 ) 中，v o 是電壓的峰峰值，s ( f ) 為電壓的誤差，是基本頻率，( f ) 是相位 偏差。 在通常情況下，瞬時(shí)角頻率被定義為相位對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即 ( r ) 2 d 2 n f o r + 】 ( 2 2 ) 瞬時(shí)頻率可表示為： 八，；= f o + 去警 ( 2 _ 。) 對于精密振蕩器，式( 2 - 3 ) 右邊的第二項(xiàng)是非常小的，相對頻率可定義為： 剛，= 華= 去警= 掣 a ， 式( 2 - 4 ) 中， m ) = 貉 s ) 表示單位時(shí)問的相位。換句話說，相位能夠?qū)懗烧袷幤黝l率的積分 ( r ) = 九+ r 2 n r f ( o ) 一f o d o ( 2 6 ) 然而，一個(gè)平穩(wěn)過程的積分往往是不平穩(wěn)的。因此，在這種情況下，等式( 2 - 2 ) 高精度頻標(biāo)比對測量方法的研究與儀器設(shè)計(jì) 和( 2 - 6 ) 的使用可能就違反了統(tǒng)計(jì)模型的假設(shè)。但當(dāng)我們對測量過程進(jìn)行有限帶 寬計(jì)算的時(shí)候，這個(gè)矛盾可以避免。雖然更細(xì)致、更深入的考慮超出了這種處理 的范圍，但在振蕩器的統(tǒng)計(jì)分析中牢記這個(gè)假設(shè)是非常重要的。為了分析實(shí)際振 蕩器的特性，需要采用具有正振蕩器特性的模型，這個(gè)模型必須與被模擬的儀器 相一致。為了使得估計(jì)儀器的參數(shù)更容易，模型通常包含振蕩器的可預(yù)測性質(zhì)， 比如線性頻率漂移等等。 對于頻率穩(wěn)定度的測量，i e e e 推薦用相對頻率波動(dòng)的抽樣方差a ：( f ) 表示， 它是對“一個(gè)振蕩器在兩個(gè)時(shí)間間隔測量時(shí)平均頻率波動(dòng)的測量。在時(shí)間間隔 ( ，。，“十r ) 內(nèi)的平均相對頻率偏差y ?？杀硎緸?一y k ：! 虹型二蘭虹2 ( 2 7 ) f 式( 2 - 7 ) 中，f 常常被稱為采樣時(shí)間或平均時(shí)間。 假定我們已經(jīng)完成了對兩個(gè)精密振蕩器之間的時(shí)間或者頻率波動(dòng)的測量，并希 望進(jìn)行穩(wěn)定度分析，具體方法如圖2 1 所示。頻率偏差y 。具有n 個(gè)數(shù)據(jù)值，每一 個(gè)值均在時(shí)間間隔f 中測量，并在多個(gè)時(shí)間間隔t 后重復(fù)測量。如果重復(fù)測量的時(shí) 間超過每次的平均時(shí)間，則在每一個(gè)頻率測量期間有一個(gè)t f 的時(shí)間死區(qū)，在這 個(gè)死區(qū)中沒有可利用的信息。在處理這些測量數(shù)據(jù)時(shí)可用的方法有很多，其中 圖2 - 1采樣方差測量計(jì)算方法 最普遍的方法是用關(guān)系式 吣) ) = 善( 只一?？? 泫s ， 定義的n 抽樣方差。式( 2 - 8 ) o e = 角括號表示無限時(shí)1 0 3 n 平均值。一般情況 v f ，由于在振蕩器中的某種噪音在較低的頻率時(shí)發(fā)散的很快，因此，在n - - - o o 時(shí) 式( 2 - 8 ) 是不收斂的。這就暗示我們估計(jì)方差的精度在抽樣數(shù)量增加的時(shí)候決不 第二章常用的頻率標(biāo)準(zhǔn)測量方法的研究 會(huì)得到改善。由于這個(gè)原因，提出了無死區(qū)的二抽樣方差， 中了精密振蕩器中主要的噪聲類型，可寫成： 刪2 = ( 扛。剝) 也稱做阿倫方差，它集 ( 2 - 9 ) 2 2 常用頻率測量方法的介紹 高精度的頻率標(biāo)準(zhǔn)，一般是具有某些特定頻率值的標(biāo)準(zhǔn)頻率源，如1 0 m h z 、 5 m h z 、2 5 m l t z 、1 m h z 和i o o k h z 等等。用于頻率標(biāo)準(zhǔn)之間比對、測量的方法及設(shè)備， 要求具有比普通頻率信號的測量方法及設(shè)備高得多的測量分辨率和精度。而且對 于某些頻率標(biāo)準(zhǔn)的特殊指標(biāo)來說，對測量方法及設(shè)備在測量速度、寬帶等指標(biāo)方 面均要提出一定的要求。由于頻率標(biāo)準(zhǔn)之間的比對往往是針對特定頻率值的，所 以這種比對又較之任意頻率值的測量具有其它一些特點(diǎn)，就這方面來說頻標(biāo)的比 對又對相應(yīng)的測量設(shè)備也提供了一個(gè)比較方便的條件。下面介紹目前幾種常用的 測頻方法及其工作原理。 示波器法 這是一種用于頻率標(biāo)準(zhǔn)之間的比對和測量時(shí)很簡單的測量方法，對測量設(shè)備 的要求不高，在實(shí)際使用中比較靈活。用示波器測量頻率標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，鋇4 量精度與測 量差拍周期的計(jì)數(shù)器的精度、頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率值，以及兩個(gè)頻率源( 標(biāo)頻與倍頻) 之間的頻差大小都有關(guān)系。但這種方法的比對精度不是很高，根據(jù)不同的測量條 件，這種測量方法所獲得的測量精度可以在1 0 6 1 0 1 范圍內(nèi)，一般是針對較高穩(wěn) 定度的晶體振蕩器的準(zhǔn)確度測量和長期穩(wěn)定度的比對。而在原予鐘的比對和各種 頻率源的短穩(wěn)測量中，使用這種方法是不臺適的。 倍頻法 。 通常我們用計(jì)數(shù)器測量頻率時(shí)，主要是考慮到它顯示結(jié)果直觀、測量迅速， 但它的測量精度受1 個(gè)字計(jì)數(shù)誤差的限制。如測量5 m h z 頻率信號，測量精度只 能是2 1 0 s 。如果將該信號用倍頻器倍頻后再用計(jì)數(shù)器測頻，可以減小計(jì)數(shù)器 的1 個(gè)字的誤差，提高測量精度。但用這種方法來提高測量精度是很有限的，如 要得到2 1 0 1 s 的測量精度，就要把被測頻率工倍頻到啊= 1 ( 2 1 0 “1 ) = 5 0 0 0 m t t z ，這無論是倍頻技術(shù)，還是目前的計(jì)數(shù)器都是很困難的。 差拍法 差拍法測量頻率穩(wěn)定度的基本出發(fā)點(diǎn)是將參考和待測振蕩器的信號，經(jīng)低噪聲 混頻器差拍，差拍后的信號經(jīng)低通濾波器后，用計(jì)數(shù)器對其進(jìn)行多個(gè)周期的測量。 因此這種方法又叫差頻多周期法，其工作原理如圖2 - 1 所示， 設(shè)被測頻率五和參考頻率石的名義值為5 m h z ，差頻f = 1 h z ，即周期為1 秒， 高精度頻標(biāo)比對測量方法的研究與儀器設(shè)計(jì) 若計(jì)數(shù)器時(shí)標(biāo)用1 微秒則由1 個(gè)字計(jì)數(shù)誤差引起周期測量的相對誤差為 一a r ：蘭地：- + 1 1 0 6 fl s 總分辨率為： 盟：竺：輩：2 。1 0 m 5 六五f 2 5 1 0 6 1 當(dāng)然測差頻周期時(shí)，除了1 個(gè)字計(jì)數(shù)誤差外還有其他誤差。 圖2 2差拍法測量原理圖 ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) 差拍法方案簡單，精度很高，這是由于混頻器具有極低的噪聲特性，但由于 穩(wěn)定度的測量是通過兩個(gè)振蕩器之間相互比對進(jìn)行的，因此參考振蕩器的頻率穩(wěn) 定度、拍頻頻率的選擇、鑒相器的噪聲，都會(huì)使測量精度受到影響。 頻差倍增一多周期法 這是一種頻差倍增法和差拍法相結(jié)合的測量方法。這種方法是將被測信號和參 考信號經(jīng)頻差倍增使被測信號的相位起伏擴(kuò)大，再通過混頻器獲得差拍信號名用 電子計(jì)數(shù)器在低頻下進(jìn)行多周期測量，能在較少的倍增次數(shù)和同樣的取樣時(shí)問情 況下，得到比測頻法更高的系統(tǒng)分辨率和測量精度。其工作原理是利用電子計(jì)數(shù) 器測量頻標(biāo)比對裝置給出的拍頻周期，該拍頻信號是經(jīng)過頻率誤差倍增器將被測 信號相位起伏擴(kuò)大，再與帶尾數(shù)頻標(biāo)或頻率綜合器混頻獲得的。目前常用的頻差 倍增一多周期法的測量方框圖，如圖2 3 所示。圖中包含混頻器和脈沖形成器， 混頻是為了得到差拍頻率南它是正弦信號，此信號直接按到計(jì)數(shù)器測周期，觸發(fā) 圖2 3頻差倍增多一周期法測量系統(tǒng) 誤差較大，所以要使其變成脈沖信號，這樣測周期時(shí)觸發(fā)誤差就可以大大減小。 第二章常用的頻率標(biāo)準(zhǔn)測量方法的研究 差拍信號厶可表示為： ( f ) = a 。c o s c o 。，+ 伊( ，) 】 ( 2 1 2 ) 式( 2 一1 2 ) 中，腳。為拍頻角頻率，妒0 ) 為相位差。 多周期法實(shí)質(zhì)上是將相位起伏變換為測量時(shí)間或周期的變化，因此，在實(shí)際 測量時(shí)，我們是利用計(jì)數(shù)器測量拍頻信號的時(shí)間或周期。計(jì)數(shù)器測得的時(shí)間與相 位間的關(guān)系為： 2 n - p = 口i + 伊( f ) 一妒( o ) ( 2 一1 3 ) 這里，p 為周期倍乘次數(shù)；時(shí)間t 是一個(gè)變量，它包含著相位變化的信息。用計(jì)數(shù) 器測得f 的變化量f ，為： a t i = t + l 一一 ( 2 - 1 4 ) 但由于多周期法主要是測妒( ，+ f 1 ) 一p ( f ) ，因此我們可得到： 掣嘲_ 半( 2 - 1 5 ) 頻標(biāo)信號的頻率不穩(wěn)定性是由噪聲引起的，可從r 。的變化量中直接反應(yīng)出 來，所以只要測量出f 的變化的大小，就可以得到信號的頻率穩(wěn)定度等指標(biāo)。 時(shí)差法 利用時(shí)差法測量頻率實(shí)際上也就是根據(jù)兩比對頻率源之間相應(yīng)相位點(diǎn)的時(shí)間 問隔隨時(shí)閫的起伏變化，來確定被測頻率源的頻率值及頻率穩(wěn)定度的。從本質(zhì)上講， 時(shí)差法仍然是采用了相位比對的原理，只是在具體實(shí)施的方法上有其特點(diǎn)罷了。典 型的時(shí)差法測頻均是采用脈沖填充的方法，即在與兩比對頻率源之間的相位關(guān)系相 關(guān)的時(shí)間間隔中，用高頻率的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)脈沖進(jìn)行填充，并對此填充脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)， 最后處理所得到的數(shù)據(jù)，換算出被測頻率源的頻率和頻率穩(wěn)定度。目前比較高精度 的時(shí)差法裝置采用的是雙混頻器時(shí)差系統(tǒng)，也就是所謂的雙時(shí)差法，其原理框圖如 圖2 4 所示。 在使用雙時(shí)差法時(shí)。推導(dǎo)相對頻率起伏的公式如下 a f ：r ( i + o - r ( i ) ：a t ( i + 1 ) - a t ( i ) 矗 f f 2 五 ( 2 1 6 ) 式( 2 1 6 ) 中，a t ( i + 1 翔f o ) 分別為第f + 1 次和第f 次的測量值。但實(shí)際的雙時(shí)差 測量系統(tǒng)，測量精度要受到放大器、混頻器噪聲的限制。尤其是在拍頻頻率比較 高精度頻標(biāo)比對測量方法的研究與儀器設(shè)計(jì) 低的情況下要將拍頻信號直接整形成方波以有利于時(shí)間間隔的測量，這時(shí)噪聲的 影響對測量精度的提高造成了很大的困難，必須對設(shè)備本身各部分的噪聲指標(biāo)提 出很高的要求。 電jj 由 圖2 - 4雙時(shí)差測量系統(tǒng)方框圖 與上述幾種測量方法相比，相位比較法( 也叫比相法) 是一種間接的頻率測量 方法，用這種方法測量頻率時(shí)不但設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單，而且有相當(dāng)高的分辨率和測 量精度。由于本論文所涉及到的內(nèi)容與相位比較法有密切的關(guān)系，因此以下對此 方法作較為詳細(xì)的介紹。 2 3相位比較法( 比相法) 頻率標(biāo)準(zhǔn)之間的相位比對，一般都必須在頻率標(biāo)稱值相同的情況下進(jìn)行。用 比相法測頻，是將兩個(gè)被比對的標(biāo)稱值相同的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號之間的相位關(guān)系，通 過線性鑒相器轉(zhuǎn)換成與它成線性關(guān)系的電壓信號，并通過相應(yīng)的電壓顯示記錄設(shè) 備進(jìn)行顯示記錄，最后根據(jù)兩頻率源間的相位差隨時(shí)間的變化情況，換算出被測 頻率源的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度情況。由于兩頻率源間頻率的差異和變化更靈敏和 細(xì)致地反映在其相互間的相位信息中，所以相位比對的方法比直接測頻或測周期 能更靈敏地反映出所測頻率源的情況。與其他測頻方法相比，比相法的測量結(jié)果 不是以所測頻率的整周期值的差異來反映測試結(jié)果，而是以比整周期值更精細(xì)的 相位變化的差異反映測試結(jié)果，相位比對的方法更容易獲得高精度的頻率測量結(jié) 果。因此，開發(fā)高分辨率線性比相技術(shù)是非常有意義的。 目前，比相法廣泛地用于頻率準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定度的測量中，同時(shí)在相當(dāng)高 精度的應(yīng)用場合下也用于頻率短期穩(wěn)定度的測量。下面詳細(xì)的介紹這種方法在頻 率源各種長期指標(biāo)測試中的應(yīng)用。 比相法是根據(jù)在某一特定時(shí)間間隔的始末，兩頻率源間相位差的變化來反映 該段時(shí)間內(nèi)兩頻率源間的平均頻率偏差。在許多場合下，為了保證測量精度，相 位比對又常常轉(zhuǎn)換成時(shí)間間隔的測試。標(biāo)稱頻率值相同的兩頻率源，相應(yīng)相位點(diǎn) 第二章常用的頻率標(biāo)準(zhǔn)測量方法的研究 之問的相位差妒與浚相位差所對應(yīng)的時(shí)間間隔2 存在著如下線性的關(guān)系： r = 轟( 2 - 1 7 ， 式( 2 - 1 7 ) 中，妒的單位是弧度，五是兩頻率源的標(biāo)稱頻率值。因此，在實(shí)用 中也常以時(shí)間為單位來描述兩比對頻率源之間相位差的變化情況。 在各種鑒相方法中，脈沖平均的方法較之其它鑒相的方法有更好的線性度，它 能夠在較低的頻率下將兩標(biāo)稱值相同的頻率源間的相位變化，在0 3 6 0 0 的范圍 內(nèi)轉(zhuǎn)化為與它們之i 司的相位差成線性關(guān)系的電壓值的變化。對該電壓值進(jìn)行定時(shí) 采樣和高精度的測試計(jì)算，就能夠準(zhǔn)確地獲得被測頻率值的變化情況。 采用比相法測頻時(shí)，測試設(shè)備的直接測試對象是兩比對頻率之間的相位差，如 果兩次采樣的時(shí)間間隔是f ，而f 之始淶兩頻率源相位差的變化量是 a t = 疋一z ( 2 - 1 8 ) 則兩頻率源在時(shí)間f 內(nèi)頻率值的相對平均偏差就是 笠：堅(jiān) ( 2 1 9 ) ja 1 式( 2 - 1 9 ) 中，是在時(shí)間f 內(nèi)兩比對頻率源之間的平均頻差。式( 2 - 1 9 ) 是比 相法測頻的基本公式。從式中可知，在用比相法測頻時(shí)所要知道的是頻率源問相 位差的變化量，而由測試設(shè)備所引起的、不隨時(shí)間變化的固定的系統(tǒng)相移在計(jì)算 時(shí)能夠自動(dòng)被扣除掉，不會(huì)引起測量誤差。 用比相法測頻時(shí)的誤差，我們可以用下式表示： 占洲掣i + 阱出i = 產(chǎn)吲t 蚓 ( 2 2 0 ) 式( 2 - 2 0 ) 中，右邊的第一項(xiàng)是誤差的主要成分，而第二項(xiàng)是誤差的次要成分。 只要兩比相頻率源的頻率值比較接近，并適當(dāng)考慮對采樣周期f 的測量或控制精 度，則第二項(xiàng)誤差與第一項(xiàng)相比就可以忽略不計(jì)。同時(shí)，從式中我們可以看出， 測頻的精度隨著比相時(shí)間的延長以及對相位差測試精度的提高而提高。采用脈沖 鑒相方法時(shí)，由于在各頻率值下兩頻率源間相位差變化一周鑒相器輸出電壓的變 化幅度是近似相等的，因而在不同頻率值下鑒相時(shí)，鑒相器同樣大小的輸出電壓 變化代表的相位變化的靈敏度不同，在高頻下鑒相可以獲得比低頻鑒相高得多的 比相測頻精度。通常使用的線性鑒相方案如圖2 5 所示。 將兩個(gè)標(biāo)稱頻率值相同的比相信號放大整形后，把正弦信號變換成方波信號， 分別以方波的下降沿或上升沿作為觸發(fā)信號對一個(gè)動(dòng)態(tài)特性很好的鑒相器的開或關(guān) 進(jìn)行控制，以改變其輸出脈沖信號的占空比。因?yàn)檫@個(gè)占空比的大小，線性地反映了 兩比相信號之間的相位情況，所以這個(gè)脈沖信號經(jīng)濾波后得到的直流電平就線性地 高精度頻標(biāo)比對測量方法的研究與儀器設(shè)計(jì) 反映了兩輸入信號之間的相位變化。 圖2 - 5 典型的線性鑒相方法 在用比相法測量兩頻率源間的相對 平均頻率偏差及一段時(shí)間f 內(nèi)被測頻 率源的平均頻率值時(shí)，在一定的比相 時(shí)間f 內(nèi)測量出兩比相信號累計(jì)相位 差t ，如圖所記錄的相位曲線，則 a t = 正+ 疋+ 瓦 ( 2 - 2 1 ) 式( 2 - 2 1 ) 中，t 。，為比相記錄儀的滿量程 讀數(shù)( 等于兩比相頻率信號的周期值) ， ”為在時(shí)間f 內(nèi)比相曲線所變化的滿周期 個(gè)數(shù)，t ；、t ：的含義見圖，則兩頻率源間 的相對平均頻率偏差就是： f 竽：堅(jiān) ( 2 2 2 ) 圖2 - 6 比相曲線 ，o 彳 被測頻率信號在此段時(shí)間里的平均頻率值是： 正： a f ：厶f 1 堅(jiān)1 ( 2 2 3 ) 這里，v 和t 前的正負(fù)號是根據(jù)相位曲線的傾斜方向來定的，若被測頻率 比參考頻率低時(shí)，二者為負(fù)，反之為正。在測量較長時(shí)間穩(wěn)定度時(shí)，連續(xù)記錄兩 比相信號的相位差隨時(shí)間變化的曲線，同時(shí)按需要的平均取樣時(shí)間記標(biāo)志點(diǎn)來分 割相位差曲線。計(jì)算各段取樣時(shí)間內(nèi)累積的相位差，然后按阿侖方差的下述形式 進(jìn)行計(jì)算： 曠維掣 浯z a ， 式( 2 2 4 ) 中，時(shí)間f 作為采樣的重復(fù)周期，4 t 。+ 。和t 。分別是第i + 1 次和 第i 次采樣周期時(shí)間前后采樣時(shí)刻的兩比相信號相位差值之差。測試時(shí)，連續(xù)的 采樣間隔次數(shù)為m + 1 次，而實(shí)際采樣次數(shù)為m + 2 次。由于采樣周期全部是無間隔連 續(xù)的，所以用比相法測量頻率穩(wěn)定度，可以得到全部無間隔測試的頻率穩(wěn)定度值。 第二章常用的頻率標(biāo)準(zhǔn)測量方法的研究 在較低的頻率下能將兩標(biāo)稱值相同的頻率源間的相位變化在0 3 6 0 0 的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn) 化為與它們之問的相位差成線性關(guān)系的電壓值的變化。對該電壓值進(jìn)行定時(shí)采樣 和高精度的測試計(jì)算，就能夠準(zhǔn)確地獲得被測頻率值的變化情況。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，頻標(biāo)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性提高的非?？?，規(guī)格為l o 。1 1 r 的 高穩(wěn)振蕩器使用的越來越廣泛。低成本，高分辨率和操作方便的頻標(biāo)比對器是必 要的，而基于線性相位比對技術(shù)的比對器則是一種較好的選擇。 2 4 新的相檢寬帶測頻技術(shù) 這是近年來發(fā)展起來的一種高分辨率的頻率測量技術(shù)。它是通過兩頻率信號 ( 標(biāo)準(zhǔn)與被測信號) 存在有最大公因子頻率矗，。( 其倒數(shù)為最小公倍數(shù)周期t 。) ， 因此任意頻率信號之間的相位差變化也就是周期性的。這個(gè)變化的周期就等于t 。 這樣通過捕捉頻率信號間的“相位重合點(diǎn)”作為構(gòu)成測量閘門時(shí)間的參考信號，就 能夠使這個(gè)閘門與被測及標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的相位都基本同步的情況下完成頻率與周 期值的測量。因此大大克服了一般頻率測量中1 個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差，使得測量精度 大大提高。 最大公因子頻率是這樣定義的：對于任意兩個(gè)頻率信號，和石，當(dāng)= 螄，正= 斷， 其中a 和b 兩個(gè)f 整數(shù)互素，則工就是和石之間的最大公因子頻率f 。 在每一個(gè)l 。周期中，兩信號間的量化相位差狀態(tài)中有一些值，它們分別等于 信號問的相對初始相位差加0 、t 、2 t 、等。這些值均遠(yuǎn)小于這兩個(gè)信號的 周期值。我們把這樣一些相位差點(diǎn)叫做兩周期信號間的“相位重合點(diǎn)”。其中 ， a t = 號等( 2 2 5 ) 厶 。 “相位重合點(diǎn)”并非絕對重合。從式( 2 2 5 ) 可知，對于絕大多數(shù)中、高頻頻 率信號，“相位重合點(diǎn)”所代表的兩個(gè)信號問的相位差的重臺情況會(huì)在幾p s 到零 點(diǎn)幾i 3 s 左右。在信號間的若干個(gè)“相位重合點(diǎn)”之間的時(shí)問間隔中，分別容納有 這兩個(gè)頻率信號的若干個(gè)周期，它們均相當(dāng)接近整數(shù)倍周期值。如果以這樣的若 干個(gè)“相位重合點(diǎn)”間的時(shí)間間隔構(gòu)成測量閘門時(shí)間，則測量精度將大幅度提高 ( 約提高1 0 0 0 倍左右) 。 在測量中，為了在寬頻率范圍內(nèi)都能夠完成高精度頻率測量，防止因?yàn)橐恍?特殊頻率關(guān)系的出現(xiàn)而影響測量精度或難以獲得“相位重合點(diǎn)”，常常要用簡單的 頻率合成囂或借助于中介振蕩器進(jìn)行輔助。圖2 7 示出了用簡單的頻率合成器和 標(biāo)頻信號配合進(jìn)行測量的儀器方框圖。圖2 8 其波形圖。被測信號計(jì)算的公式是 正= 五守 ( 2 - 2 6 ) 高精度頻標(biāo)比對測量方法的研究與儀器設(shè)計(jì) 式( 2 - 2 6 ) 中，兀為標(biāo)頻或頻率合成器信號的頻率值，n 0 和n 。分別為在測量閘門 時(shí)間內(nèi)對標(biāo)頻( 或頻率合成器信號) 及被測信號的計(jì)數(shù)結(jié)果。 下甲_ t 堰 主門 計(jì)數(shù)器 門時(shí)信號 產(chǎn)生線路 主門2 工 計(jì)數(shù)器 乘除法汁算及顯示 圖2 7 相檢寬帶測頻的頻率計(jì)方框圖 計(jì)算機(jī)軟件 設(shè)置參考閘門 時(shí)基信號廠一 f o 廠 r 卜+ 廠 廠廠 正 廠 廠 廠r 廠 廠 廠 閘門時(shí)間廠一。 圖2 - 8 頻率計(jì)的測量門時(shí)波形圖 2 5小結(jié) 本文首先介紹了頻率測量的技術(shù)狀況，然后通過對示波器法、頻差倍增法、 差拍法、頻差倍增一多周期法、時(shí)差法等常用的頻率標(biāo)準(zhǔn)的測量方法及其工作原 理作了簡單的綜述，并對它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，并詳細(xì)介紹了近幾年發(fā)展 起來的相位比對法和相檢寬帶測頻方法。相檢寬帶測頻方法是通過撲捉相位重合 點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)頻率的測量，理論上測量精度很高，但在實(shí)際中，并不能達(dá)到相位的完 全重合，并沒有真正消除1 個(gè)字的誤差。而相位比較法則是一種很好的用于頻標(biāo) 比對的方法，且其測量原理簡單，電路容易實(shí)現(xiàn)，可獲得很高的測量精度。下一 章將對這種方法作以介紹。 第三章頻標(biāo)比對測量技術(shù)和方法的研究 第三章頻標(biāo)比對測量技術(shù)和方法的研究 3 1概述 與其它的頻率標(biāo)準(zhǔn)比對方法相比，線性相位比對方法容易得到更高的頻率測 量分辨率。因此，發(fā)展新的高精度線性相位比對技術(shù)是非常有意義的。頻率標(biāo)準(zhǔn) 的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度提高得非?？欤詌 o “為規(guī)范的高穩(wěn)定度的晶體振蕩器應(yīng)用 越來越廣泛。因此發(fā)展成本低，分辨率高，使用方便的頻率標(biāo)準(zhǔn)比對器是很必要 的。而基于線性相位比對方法的比對器是一個(gè)比較好的選擇。 有許多基于相位處理方法的頻率標(biāo)準(zhǔn)短時(shí)高穩(wěn)定度比對器。在通常的頻率標(biāo) 準(zhǔn)比對器中，必須考慮一些影響因素。一是需要得到非常好的線性相位比；另一 個(gè)是輸出電壓的范圍，當(dāng)兩個(gè)被比較信號的頻率相差很多時(shí)。其輸出電壓的范圍 通常是很大的，而且電壓測量的精度和時(shí)間響應(yīng)也會(huì)影響頻率標(biāo)準(zhǔn)比較的精度。 在通常的相位比較方法中，由于很難得到高線性度的相位比對，也很難降低輸出 相位比對電壓的可變范圍，故通常使用松鎖相回路方法和緊鎖相回路方法。與新 的方法相比它們都比較復(fù)雜，有一些缺點(diǎn)。然而，從這些方法中我們可以得到一 些非常有用的基礎(chǔ)知識。 松鎖相回路方法 圖3 1 所示為松鎖相回路方法的原理框圖，它是由參考振蕩器，被測振蕩器， 混頻器和低通濾波器組成。 u k u q 鎖相環(huán)輸出 圖3 - 1松鎖相回路方法原理框圖 把被測振蕩器的信號輸入混頻器的一端，參考振蕩器的信號輸入混頻器的另 一端。這兩個(gè)信號被積分，也就是說它們的相位相差9 0 度，因此混頻器的平均輸 出電壓名義上是零，瞬時(shí)電壓的波動(dòng)對應(yīng)于相位的波動(dòng)而不是兩信號間振幅的波 動(dòng)?；祛l器是這個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。在這里使用了肖特基勢壘二極管，以得到低 噪聲的精密穩(wěn)定測量?；祛l器的輸出送入低通濾波器然后在反饋回路中被放大， 使得壓控振蕩器( 參考) 的頻率被相位鎖定在被測振蕩器上。調(diào)整回路的跟蹤時(shí) 間使之形成非常松的相位鎖定( 長時(shí)間常數(shù)) 。跟蹤時(shí)間就是伺服系統(tǒng)在被輕微擾 1 6高精度頻標(biāo)比對測量方法的研究與儀器設(shè)計(jì) 亂后，使它達(dá)到最終糾錯(cuò)的7 0 所花費(fèi)的時(shí)間。跟蹤時(shí)問等于 乙，這里c a b 是 伺服的帶寬。若回路的跟蹤時(shí)間是大約一秒那么電壓的波動(dòng)將會(huì)與相位的波動(dòng)成 正比，因?yàn)椴蓸訒r(shí)間短于跟蹤時(shí)間。由調(diào)諧電容的系數(shù)和相關(guān)振蕩器的質(zhì)量決定， 放大倍數(shù)將會(huì)在4 0 一8 0 d b 的范圍內(nèi)變化。這一信號也可以被送到頻譜分析儀中， 以測量相位抖動(dòng)的付里葉分量。這方法特別對分析采樣時(shí)間短于一秒( 付里葉 頻率大于1 h z ) 的振蕩器的特性是有用的。同樣對離散邊帶比如說6 0 h z 或頻譜結(jié) 構(gòu)也是非常有用的。也可以使輸出電壓不經(jīng)過上述的放大器而把它送入一個(gè)a d 轉(zhuǎn)換器中。此時(shí)，這一數(shù)字輸出對兩振蕩器間的短間隔時(shí)間或相位抖動(dòng)是非常敏 感的。很容易獲得皮秒量級的準(zhǔn)確度。 緊鎖相回路方法 緊鎖相回路方法與圖3 一l 所示方法的基本類似，只是這時(shí)回路處于一個(gè)緊的相 位鎖定狀態(tài)，也就是說，回路的跟蹤時(shí)間較短應(yīng)該在幾毫秒范圍。 圖3 2緊鎖相回路方法原理框圖 在這一情況下相位抖動(dòng)被積分，使得輸出電壓與兩振蕩器間的頻率抖動(dòng)成正比 而不再與相位抖動(dòng)成正比，這是因?yàn)樵诨芈分胁蓸訒r(shí)間比跟蹤時(shí)間要長。偏轉(zhuǎn)盒 被用來調(diào)熬加在可變電容上的電壓，使之到達(dá)一個(gè)近似線性的、合理的調(diào)整點(diǎn)。 未經(jīng)過偏轉(zhuǎn)盒的電壓抖動(dòng)也可以被送到一個(gè)電壓一頻率轉(zhuǎn)換器，而后是一個(gè)頻率 計(jì)數(shù)器，這里我們就可以讀出放大的頻率抖動(dòng)，以確定這類振蕩器的不穩(wěn)定性。 通過數(shù)據(jù)鎖定裝置，頻率計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)被鎖定?？勺冸娙莸南禂?shù)和電壓一頻率轉(zhuǎn) 換器的系數(shù)被用來決定振蕩器間頻率抖動(dòng)的小數(shù)部分y ，這里i 表示i “測量，如圖 3 - 2 所示。用這種方法很容易得到靈敏度為1 0 。4 的頻率計(jì)數(shù)器分辨率，所以這一系 統(tǒng)有很好的精度。 第三章頻標(biāo)比對測量技術(shù)和方法的研究 上面我們討論了松鎖相回路法和緊鎖相回路法的工作原理，它們都有很好的測 量精度，但電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。而基于相位比對方法的頻率標(biāo)準(zhǔn)比對技術(shù)不僅可 以從相位比對的輸出電壓中得到精確的頻率信息，而且可以在很高的頻率上得到 從0 。到3 6 0 。范圍的線性比較，即使不采用鎖相回路，上述的高分辨率頻率抖動(dòng)測 量也可以完成，而且電路還可以更簡單。 用比相法測頻時(shí)，提高測量精度的方法有很多，其中一種方法是在保證線性 度的情況下，盡量提高比相儀的比相頻率值，在比較高的比相頻率下進(jìn)行高線性 度鑒相是實(shí)現(xiàn)高精度比相測頻比較簡捷的方法。但采用圖2 - 4 典型比相法，要實(shí)現(xiàn) 高頻率下的線性比相是很困難的，這主要是由于采用這種方法時(shí)，要求鑒相雙穩(wěn) 態(tài)必須工作在“理想”狀態(tài)，也就是說，在電路中所采用的器件工作在開關(guān)狀態(tài) 時(shí)，上升、下降、存貯和延遲時(shí)間要d , n 零，這樣才能在任何頻率值下鑒相時(shí)， 保證鑒相器完成0 3 6 0 0 的線性鑒相，但實(shí)際使用的開關(guān)器件特性是根本做不到這 一點(diǎn)的。因此在較高頻率下工作時(shí)，鑒相雙穩(wěn)態(tài)電路不可能輸出前后沿很陡的方 波，再考慮到鑒相器本身對于輸入信號有一定的延遲，那么在0 0 和3 6 0 0 附近就不 可避免的要出現(xiàn)“死區(qū)”( 也叫做鑒相的停滯區(qū)) 和非線性現(xiàn)象。非線性和“死 區(qū)”產(chǎn)生的原因是多方面的，其中一個(gè)主要的原因是由于器件的速度限制造成的， 特別是在兩比相信號的相位關(guān)系相當(dāng)靠近時(shí)，由于器件速度的影響，就會(huì)使作為 鑒相器的雙穩(wěn)態(tài)電路的輸出，本應(yīng)為近似的方波卻變成幅度變化的三角波，甚至 使鑒相雙穩(wěn)態(tài)電路對幾乎同時(shí)到來的兩個(gè)不同方向的觸發(fā)信號不能完全緊跟著響 應(yīng)，造成其輸出對于輸入有“漏掉”觸發(fā)的現(xiàn)象，也就是