1、微波信號(hào)頻率(pnl)測(cè)量Agilent 5315X 微波(wib)頻率計(jì)共二十一頁(yè)頻率(pnl)測(cè)量概述頻率和周期是描述周期性現(xiàn)象的重要參數(shù)。在自然界，特別是在電子技術(shù)中，周期現(xiàn)象是普遍存在的，也是經(jīng)常被利用的。頻率的測(cè)量與時(shí)間的測(cè)量時(shí)緊密聯(lián)系的。時(shí)間是國(guó)際單位制中7個(gè)基本物理量之一，它的單位是秒（s），是從時(shí)間的單位導(dǎo)出頻率的單位，近年來(lái)隨著氫原子鐘、銫束管原子鐘和銣泡原子鐘等高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度頻率信號(hào)源的發(fā)展，使得頻率測(cè)量的精度可以做得很高，并且許多參數(shù)（如時(shí)間、相位等）都可以轉(zhuǎn)換成頻率來(lái)測(cè)量。此外，頻率信息的傳輸和處理（如倍頻、分頻和混頻等）都比較容易，并且精確度也很高。因此，頻率測(cè)量

2、時(shí)電子測(cè)試(csh)中一個(gè)很重要的參數(shù)，它對(duì)微波通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、航空航天等技術(shù)都有重要影響。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，時(shí)間和頻率測(cè)量的重要性已日益明顯。例如，在衛(wèi)星發(fā)射、導(dǎo)彈跟蹤、飛機(jī)導(dǎo)航、潛艇定位、大地測(cè)量、天文觀測(cè)、郵電通信、廣播電視、交通運(yùn)輸、科學(xué)研究、生產(chǎn)及生活等各個(gè)方面，都離不開對(duì)時(shí)間和頻率的測(cè)量。共二十一頁(yè)頻率(pnl)標(biāo)準(zhǔn)（一）時(shí)間單位秒最初是根據(jù)地球的自轉(zhuǎn)來(lái)確定的。由于(yuy)地球自轉(zhuǎn)是不均勻的，所以在一年內(nèi)求平均值，即以地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間間隔為1回歸年，1回歸年的1/365.442為1平太陽(yáng)日，1平太陽(yáng)日的1/86400為1平太陽(yáng)秒。以通過(guò)倫敦格林威治天文臺(tái)的本初子午圈為

3、參考的平太陽(yáng)時(shí)，成為世界時(shí)（UT）或格林威治時(shí)（G.M.T），記作零類世界時(shí)UT0。目前國(guó)際上同時(shí)采用世界時(shí)，歷書時(shí)和原子時(shí)三種計(jì)時(shí)系統(tǒng)第一類世界時(shí)，即UT1：對(duì)地球自轉(zhuǎn)軸微小移動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行修正第二類世界時(shí)，即UT2：再對(duì)地球自轉(zhuǎn)速率中小的季節(jié)性變化修正，UT2的穩(wěn)定度為310-8。國(guó)際天文學(xué)會(huì)定義了以地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)時(shí)系統(tǒng)，稱為歷書時(shí)（ET）。這種技術(shù)系統(tǒng)采用1900年1月1日0時(shí)（UT）起的回歸年長(zhǎng)度作為計(jì)量時(shí)間的單位，定義“秒是按1900年起始時(shí)的地球公轉(zhuǎn)平均角速度計(jì)算出的一個(gè)回歸年的31556825.9747分之一”，稱為歷書秒。歷書秒在1960年第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上得到認(rèn)可，

4、其準(zhǔn)確度可達(dá)110-9左右。共二十一頁(yè)頻率(pnl)標(biāo)準(zhǔn)（二）原子時(shí)（AT）是近30年來(lái)建立起來(lái)的新型計(jì)時(shí)系統(tǒng)，它是利用原子從某種能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種能量狀態(tài)時(shí)，輻射或吸收的電磁波頻率作為標(biāo)準(zhǔn)頻率來(lái)計(jì)量(jling)時(shí)間的。由于微觀原子，分子本身的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)的永恒性大大優(yōu)于宏觀的天體運(yùn)動(dòng)，它們受宏觀世界影響較小，因此其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都十分高。1967年10月第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過(guò)了秒的定義：“秒為Cs133原子基態(tài)在兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)（F=4、mF=0、F=3、mF=0）之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9192631770個(gè)周期的時(shí)間”。自1972年1月1日零時(shí)起，時(shí)間單位秒由天文秒改為原

5、子秒，這就使秒的定義由天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡到原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高了45個(gè)量級(jí)，達(dá)510-14（相當(dāng)于62萬(wàn)年1秒）。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度仍在提高，這是其他物理量標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及的。共二十一頁(yè)頻譜儀?微波(wib)頻率計(jì)？頻譜分析儀是功能強(qiáng)大的儀器，也是最基本的微波工具。但使用頻譜分析儀進(jìn)行微波頻率(pnl)測(cè)量也許并非最佳解決方案。買一臺(tái)微波計(jì)數(shù)器無(wú)疑是更經(jīng)濟(jì)的決定。通常20GHz頻譜分析儀至少比20GHz微波計(jì)數(shù)器貴三倍:如果僅僅需要測(cè)量微波信號(hào)的頻率，顯然應(yīng)選擇微波計(jì)數(shù)器。微波計(jì)數(shù)器還有其它優(yōu)點(diǎn)。如果要求高分辨率的頻率測(cè)量和/ 或快測(cè)量時(shí)間，微波計(jì)數(shù)器能保證在1s 內(nèi)得到1Hz 的分辨率。而并非所

6、有頻譜分析儀都能達(dá)到這一要求。當(dāng)然計(jì)數(shù)器也更容易使用，特別是對(duì)新手而言。與頻譜分析儀相比，計(jì)數(shù)器尺寸小，重量輕，因此計(jì)數(shù)器在增加內(nèi)部電池時(shí)，就能成為真正適于現(xiàn)場(chǎng)工作的便攜儀器。共二十一頁(yè)電子(dinz)計(jì)數(shù)器測(cè)頻工作原理：將被測(cè)時(shí)間按盡可能小的時(shí)間單位(dnwi)（稱為時(shí)標(biāo)）量化，累計(jì)被測(cè)時(shí)間內(nèi)所包含的時(shí)間單位(dnwi)數(shù)（計(jì)數(shù)）。式中，fx為被測(cè)信號(hào)頻率，fs為標(biāo)準(zhǔn)頻率，N為被測(cè)信號(hào)重復(fù)變化次數(shù)時(shí)間基準(zhǔn)T產(chǎn)生電路計(jì)數(shù)脈沖形成電路計(jì)數(shù)顯示電路共二十一頁(yè)電子(dinz)計(jì)數(shù)器測(cè)頻波形主門開放1s，這樣得到的計(jì)數(shù)值可直接為頻率顯示，分辨率為1Hz。為擴(kuò)大(kud)測(cè)量范圍，應(yīng)有不同的閘門時(shí)間可供

7、選擇，如10s，1s，0.1s，由時(shí)基信號(hào)（如10MHz）采用十進(jìn)制分頻產(chǎn)生。共二十一頁(yè)測(cè)量誤差取決于時(shí)基信號(hào)所決定(judng)的閘門時(shí)間的準(zhǔn)確性（時(shí)基信號(hào)誤差）和計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性（量化誤差）。測(cè)量誤差的來(lái)源(liyun)時(shí)基信號(hào)誤差 閘門啟閉時(shí)間的相對(duì)誤差T/T，它取決于晶振的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度，分頻電路和閘門開關(guān)速度及其穩(wěn)定性等因素。k為分頻系數(shù)（例如fc=1MHz，為獲得1s的閘門時(shí)間T，則k應(yīng)為106）量化誤差 電子計(jì)數(shù)器在測(cè)頻時(shí)，由于主閘門的開放時(shí)間和主閘門前的計(jì)數(shù)脈沖不同步，造成在時(shí)間軸上位置的相對(duì)隨機(jī)性，導(dǎo)致每次計(jì)得的數(shù)不同，電子計(jì)數(shù)器可能會(huì)多（或少）計(jì)一個(gè)脈沖，這種1的誤差

8、，稱為量化誤差共二十一頁(yè)利用(lyng)倒數(shù)計(jì)數(shù)器提高測(cè)量精度量化誤差是由于標(biāo)準(zhǔn)閘門時(shí)間信號(hào)與被測(cè)信號(hào)脈沖之間不同步造成的，若能使它們同步，量化誤差就可以消除。倒數(shù)計(jì)數(shù)器就是這樣一種計(jì)數(shù)器，通過(guò)同步使閘門時(shí)間準(zhǔn)確地等于被測(cè)信號(hào)周期(zhuq)的整數(shù)倍，該時(shí)間用計(jì)數(shù)的方式測(cè)量出來(lái)，再通過(guò)求倒數(shù)運(yùn)算獲得頻率。倒數(shù)計(jì)數(shù)器的基本原理是多周期同步測(cè)量倒數(shù)計(jì)數(shù)器由：一個(gè)事件計(jì)數(shù)器A和一個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)器B組成。觸發(fā)同步保證共二十一頁(yè)NA無(wú)量化誤差，NB雖有量化誤差，但因?yàn)?yn wi)fu頻率很高，NB1；倒數(shù)計(jì)數(shù)器為等精度測(cè)量，即誤差與被測(cè)頻率fx無(wú)關(guān)，分辨率主要由閘門時(shí)間的測(cè)量分辨率決定。共二十一頁(yè)連續(xù)(l

9、inx)計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率連續(xù)計(jì)數(shù)器(也稱無(wú)間隙計(jì)數(shù)器)相對(duì)(xingdu)于之前的計(jì)數(shù)器，沒(méi)有閘門開關(guān)門的時(shí)間間隙；即不必關(guān)閉閘門便可同步地在運(yùn)行或計(jì)數(shù)過(guò)程中讀取事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的內(nèi)容。利用連續(xù)計(jì)數(shù)器提高測(cè)量精度倒數(shù)計(jì)數(shù)器僅通過(guò)圖中放大的兩個(gè)點(diǎn)計(jì)算頻率，連續(xù)計(jì)數(shù)器則是通過(guò)取更多的點(diǎn)（多達(dá)幾千）來(lái)進(jìn)行頻率計(jì)算，且計(jì)算中采用曲線擬合技術(shù)，可以有效發(fā)消除因信號(hào)相位噪聲造成的誤差，因此連續(xù)計(jì)數(shù)器的分辨率更高。共二十一頁(yè)微波頻率測(cè)量(cling)技術(shù) 通用電子計(jì)數(shù)器能直接計(jì)數(shù)的頻率一般在500MHz左右，要測(cè)量微波頻率，必須采用頻率變換技術(shù)(jsh)，將其變換至1GHz以下。常用方法有預(yù)分頻法、變頻

10、法和轉(zhuǎn)換法。預(yù)分頻法預(yù)分頻法是將被測(cè)頻率預(yù)先進(jìn)行分頻，使被粗頻率降低至1/N后，再用電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，然后再乘以分頻系數(shù)N，便得所測(cè)頻率fx。共二十一頁(yè)變頻法變頻法也稱外差法，其基本原理是將被測(cè)微波信號(hào)經(jīng)混頻變換成頻率較低的中頻信號(hào)，再由電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 采用一般的本振源能覆蓋20GHz左右的頻率范圍，更高的頻率則受限，為了(wi le)克服限制，通常采用諧波采樣的方法。被測(cè)頻率：fx=Nfs+fI,，其中：fs為標(biāo)準(zhǔn)頻率，N為選用的諧波(xi b)次數(shù)共二十一頁(yè)置換法置換法又稱頻率轉(zhuǎn)移法、或轉(zhuǎn)換振蕩器法。它是把外來(lái)信號(hào)(xnho)頻率fx的測(cè)量，轉(zhuǎn)換成對(duì)機(jī)內(nèi)振蕩器頻率的測(cè)量，其測(cè)量原理圖如下：

11、將一個(gè)可在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、并具有良好短期穩(wěn)定度的轉(zhuǎn)換振蕩器的輸出頻率f，經(jīng)過(guò)諧波發(fā)生器變成Nf加于混頻(hn pn)器，與外來(lái)的被測(cè)頻率混頻(hn pn)，調(diào)節(jié)頻率f直到它的N次諧波與fx發(fā)生零拍，即混頻器將輸出差頻fd=0，于是有：fx-Nf=0，fx=Nf確定諧波次數(shù)N：找到兩個(gè)靠近的零拍點(diǎn)f1和f2（由計(jì)數(shù)式頻率計(jì)讀?。?，則fx=Nf1fx=(N1)f2共二十一頁(yè) 手動(dòng)調(diào)劑轉(zhuǎn)換器觀察零拍點(diǎn)測(cè)量比較繁冗(fn rn)，后來(lái)出現(xiàn)了全自動(dòng)轉(zhuǎn)換振蕩器式微波計(jì)數(shù)器，用鎖相環(huán)自動(dòng)鎖定fx與轉(zhuǎn)換振蕩器頻率fL之間的關(guān)系，并改手動(dòng)時(shí)的零拍法為恒差法。A路為主路B路為輔助(fzh)通道（為了確定諧波次

12、數(shù)N）置換法應(yīng)用鎖相環(huán)電路，環(huán)路增益高，靈敏度高，一般比外差變頻式高20dB左右；讀數(shù)精度降低至1/N，受鎖相環(huán)路的限制，對(duì)調(diào)頻信號(hào)的適應(yīng)能力比外差變頻式要差。共二十一頁(yè)置換變頻法置換變頻法又稱轉(zhuǎn)換外差法，是吸收了置換法和變頻法的優(yōu)點(diǎn)而形成(xngchng)的一種比較好的方法。fxNfL1=fI0NfL2fx=fI0壓控振蕩器在掃頻控制電路的控制下，按一定的速度向頻率增加的方向掃頻，因此，對(duì)于fL的某次諧波N，在掃頻過(guò)程中諧波混頻器的輸出信號(hào)頻率，有兩個(gè)(lin )等于fI0，即：測(cè)出fL，判斷出諧波次數(shù)N，即可得到被測(cè)頻率fx共二十一頁(yè)微波(wib)計(jì)數(shù)器的技術(shù)特性靈敏度靈敏度是指儀器能夠測(cè)

13、量多小的信號(hào)，通常用有效值（rms）或峰-峰值（P-P）表示，單位為mV或dBm。分辨率分辨率是計(jì)數(shù)器另一個(gè)重要指標(biāo)。與分辨率相關(guān)的是最低有效位（LSD）。精度與時(shí)基精度與分辨率精密相關(guān)，但又有別于分辨率。分辨率和其他一些指標(biāo)共同決定最終的測(cè)量精度，時(shí)基便是其中之一。有三個(gè)主要因素影響時(shí)基：校準(zhǔn)、環(huán)境及穩(wěn)定度。搜索時(shí)間大多數(shù)微波(wib)計(jì)數(shù)器都采用諧波采樣或YIG預(yù)選器。每次測(cè)量時(shí)，儀器的初始本振頻率不可能正巧使輸出的中頻落在計(jì)數(shù)器的中頻寬帶之內(nèi)。因此，通常需要對(duì)本振頻率做初始掃描。改變本振頻率、測(cè)量中頻，以及計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間統(tǒng)稱為搜索時(shí)間，一般為50250ms?；赮IG的計(jì)數(shù)器搜索時(shí)間一

14、般更長(zhǎng)。如果事先知道輸入信號(hào)的大致頻率，可以使用手動(dòng)搜索，即手工將本振頻率調(diào)到合適的點(diǎn)上，這樣可以跳過(guò)測(cè)量的搜索階段，從而縮短搜索時(shí)間（20ms）。共二十一頁(yè)預(yù)選性（Preselection）當(dāng)測(cè)量一個(gè)信號(hào)時(shí)，有時(shí)會(huì)伴隨出現(xiàn)其他的信號(hào)。如果出現(xiàn)這種情況，使用預(yù)選器可以方便地解決，這種預(yù)選器本質(zhì)上是一種可程控的濾波器。如果希望測(cè)量的信號(hào)比其他伴隨出現(xiàn)的信號(hào)大，也可以不用預(yù)選器而用自動(dòng)幅度鑒別器。通常(tngchng)，兩個(gè)信號(hào)相差約620dB時(shí)，自動(dòng)幅度鑒別可以使計(jì)數(shù)器測(cè)量?jī)烧咧懈鼜?qiáng)的一個(gè)。受損性能（Ramage Level）如果計(jì)數(shù)器在發(fā)射機(jī)附近工作并且有可能偶爾接入一個(gè)大信號(hào)時(shí)，應(yīng)該考慮這

15、個(gè)指標(biāo)。為防止儀器受損，典型的信號(hào)最大值為3540dB（約810W）。功率測(cè)量有的微波計(jì)數(shù)器可以測(cè)量信號(hào)功率。對(duì)檢查發(fā)射機(jī)是否工作在指定的范圍或發(fā)現(xiàn)電纜和連接器故障，這種功能是十分有用的。所用的主要方式有兩種真有效值方式和功率檢波器方式。前者可提供很好的精度，可達(dá)0.1dB；后者比較廉價(jià)，但精度僅為1.5dB左右。微波(wib)計(jì)數(shù)器的技術(shù)特性共二十一頁(yè)Agilent53181A 技術(shù)(jsh)特性共二十一頁(yè)Agilent5315X 技術(shù)(jsh)特性共二十一頁(yè)內(nèi)容摘要微波信號(hào)頻率測(cè)量。此外，頻率信息的傳輸和處理（如倍頻、分頻和混頻等）都比較容易，并且精確度也很高。因此，頻率測(cè)量時(shí)電子測(cè)試中一個(gè)很重要的參