（测试计量技术及仪器专业论文）基于比相法的高分辨率频标比对技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着科学技术日新月异的发展，时间频率测量技术在物理学、通讯、邮电、 航空航天、仪器仪表、计量学、国防军工和测控技术领域占有越来越重要的地位， 受到国内外广泛的关注。本文在对两个周期性频率信号之间相位差变化规律和相 应的新概念深入研究的基础上，结合了常用的频率标准测量方法，提出了一种基 于比相法的高分辨率频标比对的测量新原理根据频标信号间的最大公因子频 率的概念，借助于中介频率源，通过相位重合检测的手段实现了两个频标信号之 间的高分辨率的相位比对，这是一种间接的频率测量方法，其在测量过程中消除 了1 个字误差的影响。这种基于比相法的频标比对方法在对频标比对要求越来越 高的今天，有着许多优点。 本人通过a l t e r a 的e d a 软件q u a r t u s i i 完成了本系统的主要部分电路的 设计，使用e d a 设计并用可编程器件替代分离器件具有p c b 体积小、简化电路 设计、缩短开发周期等优点。 关键词：频标比对相位重合检测比相法相位差 a b s t r a c ti a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，t h em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo ft i m ea n d f r e q u e n c yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ea tp r e s e n ti np h y s i t s ，c o m m u n i c a t i o n , a v i a t i o n , s p a c e f l i g h t , i n s t r u m e n t , m e t r o l o g y , n a t i o n a ld e f e n c ea n dm e a s u r e m e n t b a s e do nt h e d e e pr e s e a r c ho ft h ec h a n g el a wo fp h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt w op e r i o d i cs i g n a l sa n d c o m b i n e d w i t ht h eo r d i n a r yf r e q u e n c ys t a n d a r d sm e a s u r e m e n tm e t h o d , t h i sp a p e r i n 订o d u c e sam e t h o dt h a tc a l lb eu s e di nc o m p a r i n gf r e q u e n c ys t a 玎d a r d n l i sn e w m e t h o di sah i g h - r e s o l u t i o nf r e q u e n c ys t a n d a r d c o m p a r a s i o nb a s e do np h a s e c o m p m a s i o na p p r o a c h , w h i c hb a s e do nt h ec o n c e p to ft h eg r e a t e s tc o m m o nf a c t o r f r e q u e n c ya n dac o m m o nf r e q u e n c ys o u r c e ，u t i l i z i n gp h a s ec o i n c i d e n c ed e t e c t i o n a p p r o a c ht h eh i g h r e s o l u t i o np h a s ec o m p a r i s o nb e t w e e nf r e q u e n c ys t a n d a r d sc a nb e c o m p l e t e d i ti n c r e a s e st h ep r e c i s i o na n de l i m i n a t e st h ee f f e c to f le r r o r t i l i sn e w m e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e st o d a yw i 出m o r ea n dm o r ed e m a n do fc o m p a r i n g f r e q u e n c ys t a n d a r d 1c o m p l e t e st h ed e s i g no ft h ed i g i t a lp a r to ft h i ss y s t e mb yt h ee d as o f t w a r e q u a r t u s i i b e c a u s eo f u s i n gp r o g r a m m i n gl o g i cd e v i c ei n s t e a do f d e t a c h e dd e v i c e s ， t h es i z eo fp c bi ss m a l la n dt h ec i r c u i td e s i g n ss i m p l e t h ep e r i o do fd e v e l o p m e n ti s s h o r t k e yw o r d s ：f r e q u e n c ys t a n d a r dc o m p a r i s o n p h a s ee o m p a r a s i o na p p r o a c h p h a s eo 晡n d d 眦d e t e o k m p h 麟稠白哪 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特, n m 以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盘篁 r 期：呈蜓! ：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 日期 日期 第一章绪论 第一章绪论 现代科学技术的发展是建立在精密测量基础上的，目前人们所涉及到的物理 量和物理常数中，频率时间是最精密、准确的计量单位，其他许多测量可以转化 为频率时间的测量。频率时间测量在测量和计量领域中有着重要的作用，它的准 确与否决定着其它许多物理量及基本物理常数的精度及定义。计量精度的提高， 不仅为人们更精确的认识和发现物质世界提供了机会，而且也是一个国家战略竞 争力的重要标志之一。 电子测量是知识密集、技术密集、高速发展中的行业【l l 。由于电子技术、计算 机技术的高速发展及其在电子测量技术中的应用，新的测量理论、测试方法及新 的仪器不断出现。 时间频率测量是电子测量的重要领域。时间是三大基本物理量( 长度、质量 和时间) 之一在所有的物理量当中，时间和频率的标准及其计量具有最高的精 度，它们的测量技术与其他很多学科的发展有着十分紧密的联系。在最近的几十 年里。频率和时间的测量精度已达到这样高的水平，即已远远地超过其他所有物 理量的测量精度精密时间和频率测量的实际应用，一直是与稳定的且频谱纯度 高的信号的产生和均匀而精密的定时系统的改进齐头并进的，其中主要的应用领 域有导航和通信两大类，以及空间技术、工业生产、交通、科学研究及天文学与 计量学方面。我们所熟知的工业控制、信息传输和处理、现代数字化技术和计算 机都离不开时频技术和时频测量。由于使用了原子频率标准，利用了原予跃迁现 象中原子会发出频率极其稳定的电磁波这一物理现象，现在的频率标准精度可达 1 0 - 1 31 0 - “。这样对时间频率量的测量也就有了更高的要求 时间频率的精确测量 2 1 ，促进了科学的发展；科学的发展又反过来把时间频率 测量提高到新的高度。由于社会发展的需要，对信息传输和处理的要求越来越高， 将需要更高准确度的时频基准和更精密的测量技术。频率和时间的测量已越来越 受到重视，长度、电压等参数也可转化为与频率测量有关的技术来确定。时间频 率测量也是导航技术的基础，在军事上有重要的应用。它的发展不但对于时频技 术的发展有很大的促进作用，而且对于各种量的精密测量和控制，对于测控技术 在工业、国防及科学技术的进步方面都起到举足轻重的作用。 经过长期的研究，在频率测量和控制领域已经开发了很多技术和方法，它们 具有不同的精度和复杂性。然而，根据需要，还将不断的开发新的测量和控制方 法其主要目的是，随着现代通信技术的发展，在很宽的频率范围内对各类信号 基于比相法的高分辨率频标比对技术的研究 需要具有更高的测量精度。利用传统的测量技术提高频率的测量精度，使得测量 系统的造价成本很高，不能满足低成本的要求。因此，具有较高测量精度和适用 更宽的频率范围的新测量方法就非常值得研究和开发，而低成本的测量仪器更是 备受欢迎。 1 1 高精度频标比对的重要性 时间频率量的测量和比对在时频测控的技术领域中具有很重要的地位。随着 频率基标准器的准确度和稳定度的不断提高，也对相应的测量比对技术提出了更 高的要求。没有与频标技术的提高相匹配的测量技术，目前的1 0 。4 r 的频率稳定 度指标和为了检测频率基准所要求的1 1 0 “6 以上的准确度测量的分辨率就无从实 现。现代通讯、仪器仪表、导航、空间技术和电子技术则需要频率测量覆盖的范 围宽，响应时间快。时频测量技术发展是和频率源精度的提高和应用面的扩大而 同步进行的。其中不但包括了精密频率信号之间的比对，而且也包括了宽频率范 围的从几乎直流、射频、微波甚至到光频的测量。深入了解时日j 频率计量的标准 和方法不仅使我们对时间频率本身，而且对我们掌握其它物理量及其测量都是有 益的。尤其在科学技术的各个学科、分支互相渗透、互相影响的情况下，深入研 究和掌握时间及频率，对科学技术其它领域的工作会带来许多有益的帮助。 高精度的频率标准，一般是具有某些特定频率标称值的标准频率源，如现在 常用的频率标准的频率标称值一般是1 0 m h z 、5 m h z ，2 5 m h z 、1 m h z 和1 0 0 z 等等。用于频率标准之间比对、测量的方法及设备，要求具有比普通频率信号的 测量方法及设备高得多的测量分辨率和精度。而且对于某些频率标准的特殊指标 来说，对测量方法及设备在测量速度、测量设备的带宽等指标方面，均提出了一 定要求。另外，由于频率标准之间的比对往往是针对特定的频率值的，所以这种 比对又较之任意频率值的测量具有其它一些特点。就这一方面来说，频标的比对 又对相应的测量设备，也提供了一个比较方便的条件。 对于频率源的准确度及长期指标的比对，使用最多的是相位比对的方法。而 在其稳定度的时畴比对中，许多传统的比对方案还在使用，如频差倍增、双混频 时差法等，但是设备的工艺和线路设计有所改进。对频率源的相位噪声的频畴测 量中，松锁相回路法和紧锁相回路法也还没有失去其在精度上的先进性。 按照各种不同的频率测量方法的比较，直接计数的方法具有简单的结构和很 宽的频率测量范围，但是由于存在着士1 个字的计数误差，测量精度是不高的。针 对这个误差的技术改进，模拟内插、游标法、宽带相位重合检测以及借助于短时 间间隔电容充电与高速a d 转换的测量方法都是现行被广泛应用的技术。这些方 法主要是针对宽频率范围的频率测量而应用的。其中，设计优良的仪器在宽频率 第一章绪论 范围内的测量分辨率能够达到l o 。，f 。在频标比对中，相位比对法、拍频法和双 混频器时差测量的方法都具有高的比对精度，但是它们的测量范围全都很窄。其 中，相位比对法常常被用于频标准确度和长期指标的比对，但是也很有希望被用 于短期稳定度指标的测量。后两种比对方法主要用于短期稳定度的比对。从比对 精度来看，相位比对法与其它方法结合能够在一天或更长的比对时闻内实现 l x l 0 。的比对精度，而在短稳比对方面，拍频法、双混频器时差法以及以频差倍 增为基础的方法都有可能获得优于l l o 1 3 f 的测量分辨率。进一步提高频标比对 精度的途径应该在相位比对处理技术和低噪声的频率变换器件方面下功夫。 本论文研究的是一种高分辨率，结构简单的频标比对测量方法，其原理是在 认识到两周期信号之间的相位变化规律的基础上提出的，它是一种测量原理和测 量方法上的突破，该方法在实施中采用了两个比对频标与高稳定度的中介频率源 f 同时进行相位重合检测，用检测的输出分别作为一个被测时间间隔的开门和关 门信号，此时间间隔包含了两个比对频标的相位差信息该中介频率源的频率或分 数频率与两个比对频率信号之间有一定的差值，如1 0 0 h z 或1 k h z 。该时间间隔和 中介频率源f 的多周期严格同步，在其中对正进行计数，因此克服了时间间隔测 量中存在的1 个字的误差。这种方法把相位差值的提取和对该值的高精度测量合 为一体，有利于高精度测量和更低的成本，它把通常两频率标称值相同情况下每 周期一次的相位比对转换成了以和中介频率源之间的每最小公倍数周期进行一次 相互的相位比对。其技术成果新，实用性强，推广价值高，利用其原理研制成的 频标比对仪器性能指标先进，主要技术指标可达到国内同类设备的先进水平，在 我国的科技、国防、工业生产、交通运输、通信、天文、计量等方面有广泛的用 途 1 2 研究背景和意义 时间频率测量方法和技术发展历史虽然不长，但其真正与现代电子测量技术 的结合，也就是近几十年的事。在这几十年中，人们利用各种测试手段，创新了 许多方法，并广泛应用于各个方面。尤其是近几年，时间频率测量发展非常迅速， 新技术、新工艺以及新器件层出不穷。从国际发展趋势来看，频率标准的准确度 和稳定度提高得非常快，几乎是每隔6 8 年就提高一个数量级，目前频标的准确 度和稳定度分别已达到1 l o 。1 5 和l l o 。1 ，但是，我国的高精度频标的检测技术 还不能满足要求，与国外有一定差距。随着全球定位系统( g p s ) 应用的普及，有 的国家已将其应用于军事目的，主要是为了提高打击军事目标的命中率，因此， 对时间和频率量测量的要求越来越高，目前，美国在此方面处于领先地位，与之 相比，我国还存在很大差距。因此，研究新的高分辨率时间频率测量技术，不仅 4 基于比相法的高分辨率频标比对技术的研究 在缩短与先进国家的差距方面有着十分重要的意义，而且对我国的科技发展有着 重要的实际价值。 随着时频技术的发展，包括时频标准源精度的提高，应用范围日益变宽等， 对时间频率测量的要求也就提高了。以现有的各种方法设计的仪器各有优缺点， 有的精度很高，但频率测量范围很窄，有的虽然能满足测量要求，但结构复杂， 造价较高。因此，如何结合已有的测量技术以及时间频率信号的周期性特征，提 出一种既简单，又实用的测量方法，是一项非常有研究价值的工作，而这正是本 论文所探讨的主要内容。 1 3 内容安排 本论文主要介绍了在最大公因子频率、最小公倍数周期、等效鉴帽频率的概 念下，对于频率测量和频标比对技术的新方法的研究，提出了一种高分辨率的基 于双相位重合检测的比相法的频标比对的新原理，且在这种原理的基础上设计了 实用电路，做出了样机，简单设备的比对分辨率可以达到l o p s 的精度，潜在的和 理论分析的精度更高，并且克服了时间间隔测量中存在的1 个字误差的影响。 第二章主要包括常用的频率标准测量方法的研究，并在误差分析的同时比较 了它们的优缺点。旨在总结常用方法的优缺点，便于在新方法中取长补短。 第三章介绍了频率信号间存在的一些规律性现象的探索以及相应的新概念， 主要介绍了最大公因子频率，最小公倍数周期，。以及等效鉴相频率的概念，并介 绍了这些概念及其特性在具体的频率测量及频标比对中的使用。 第四章介绍了一种新型的高分辨率的基于双相位重合检测的比相法的频标比 对器，介绍了它的原理，基本电路结构和实现方法等，并且介绍了应用q u a r t u s n 软件进行本系统开发的实例。 第五章介绍了利用v b 开发了p c 机和单片机串口之间串行通讯的软件，把本 系统与p c 机结合起来，作出频标比对曲线的界面，把实验结果细致地反映在比相 曲线上，实现了系统测量的连续性，经过大量实验，得出了实验数据，并对得到 的实验数据进行了分析。 1 4 主要研究成果 本论文主要从两个周期性信号进行相位比较时，其相位差所体现出的特有现 象入手，揭示了周期性信号之间一些宏观的规律，引出了最大公因子频率、最小 公倍数周期以及等效鉴相频率的概念。而这些概念及其初步的应用已经在时频测 量领域表现出了提商精度方面很大的潜力和显著的应用前景。本人结合相位比对 第一章绪论 方法，根据频标信号间的最大公因子频率的概念，借助于中介频率源，通过相位 重合检测的手段实现了两个频标信号之间的高分辨率的相位比对这种频标比对 的测量方法是在近年来开发出来的新的原理概念并在原有的比对设备的基础上实 现了结构简单的、更高分辨率的频率标准的比对。该频标比对器采用了m c s 5 1 系列单片机作为中心控制器，用软件代替了大量硬件电路，同时，也大大简化了 仪器操作由于考虑到缩小体积，提高测量精度，本系统中采用了a l t e r a 公司 的f p g a 器件e p i c 6 t 1 4 4 ，把除了单片机之外的大部分电路都做在一片f p c 徙中， 而且电路的修改非常方便。 本论文提出的频率标准比对新原理，弥补了目前国内测量技术跟不上标准频 率源稳定度发展要求的不足，提出的实现方案经实验论证，具有一定的可行性。 这是本论文的主要研究成果。 1 5 小结 本章从国内外时间频率测量技术的现状出发，介绍了高精度频标比对测量新 原理研究的重要性并对本论文的研究背景和意义、内容安排和主要成果进行了全 面概括性的介绍 第二章常用的频率标准的测量方法 7 第二章常用的频率标准的测量方法 目前常用的频率标准的测量方法有很多种，每一种都有其适用的测量场合。 这些测量方法都是前人经过不断的探索积累下来的，其中某些测量方法在当今仍 然有着非常广泛的应用，比如示波器法、频差倍增法、时差法、相位比较法等等。 由于本论文所提出的频标比对的新原理是基于这些方法的新发展，所以本章将对 这些常用的测量方法 2 1 1 3 1 1 4 1 进行一一的介绍，并在各自的测量原理的基础上对测量 精度和测量范围进行了分析和比较。这更有助于后面章节中新原理新方法的理解。 对于与本论文内容联系紧密的测量方法，本章将重点介绍。 2 1 示波器法 示波器法是用于频率标准比对和测量的一种最简单的方法，对测量设备的要 求也不高，在实际使用中是比较灵活的 由于通常使用的李沙育图形不容易判别被测频率究竟是比标准频率高，还是 比标准频率低，所以，除了在标准频率源的校准中还使用外，在通常的频标比对 中是不太使用的。一般常用的方法有双线示波器法、外同步法、圆扫描法等等， 在此仅介绍双线示波器法。 用双线示波器法测量差拍周期实现频标的比对，是将被比对的两个频标信号， 标准频率五和被测频率正分别输至双线示波器的两个垂直偏转板上( 即y 输入 处) ，则在示波器荧光屏上得到两个波形图。如果两频率有差异，则这两个波形相 对移动。移动一个完整的周期波形相当于李沙育图形翻转一周，实际上是五与正之 间的一个差拍周期，由此可以求出差频。 实际操作时，选择示波器的扫描与五( 或正) 同步，这样兀( 或正) 就稳定 不动。正( 或五) 则相对于f o ( 或正) 的波形移动，测定移动的周期时间，即可 反映被测频率值的情况。 波形移动的方向有向左和向右两种。由于示波器的扫描是由左向右，所以向 左移动的波形频率大于稳定波形的频率；向右移动的波形频率小于稳定波形的频 率因此，双线示波器法的优点是能够方便地确定两频率源间差拍的正负号。 比对时，如果测量出两个波形相对移动一个周期所需要的时间是0 ，则差拍周 期r ；i n ，两比对频率的差频矽= l i t = n t 。所以被测频率正的准确度是： - = 等= 老 q d ， 氏心。 基于比相法的高分辨率频标比对技术的研究 而准确度的正、负号可以按上面所说，根据正的波形相对于 波形移动的方向来 确定。用示波器法来测定被测频率源的准确度或稳定度时，所用的计时设备一般 是秒表。在测得的时间很短时，应该考虑到秒表的人控误差，在测量时间较长时， 应考虑到秒表本身的计时误差。这两个误差总是同时存在的。为了减少对秒表的 人控误差，用双线示波器法及其它示波器法测量频率时，应该测量多个相对周期， 使得人控误差在测量时间中相对减小。 从式( 2 1 ) 可以看出，在相同的测时精度下，两比对频率源的频率值越高， 使用这种方法所获得的精度也就越高。所以对精度比较高的频率源来说，一般应 该在5 m h z 左右的较高频率下，用双线示波器法进行比对。 使用双线示波器法比对时，厶与疋的频率值应该是相等的，但也可以成倍数 关系。在成倍数关系的情况下为了得到较高的精度，应注意观察高频波周期相对 于低频波信号移动的个数。而式( 2 - 1 ) 中的 ，可以取作高频波信号的频率标称 值。 用示波器法测量频率标准时，测量精度与测量差拍周期的计时器( 一般是秒 表) 的精度，频率标准的频率值以及两个频率源( 标准和被测) 之间的频差大小 都有关系。根据不同的测量条件，这种测量方法所获得的测量精度可以在1 0 1 0 4 范围内，有时可以再高一些。显然，高的测量精度是需要更长的测量时间的，所 以这种方法一般是针对较高稳定度的晶体振荡器的准确度测量和长期稳定度的比 对，而用于原子钟的比对和各种频率源的短稳测量，都是不合适的。 2 2 频率误差倍增法 用计数器测频虽然显示直观、测量迅速，但它的测量精度受士l 计数误差的限 制。如测量5 m h z 频率信号，测量精度只能是士2 x 1 0 s 。将该信号用倍频器倍频后 再用计数器测频，可以减小计数器的士l 误差，提高测量精度。但提高是有限的， 如果得到2 x 1 0 s 的测量精度，就要把被测频率正倍频到峨= l ( 2 x l o “) = 5 0 0 0 0 m h z 。这无论如何是倍频技术，还是目前应用的计数器都很难满足，所以在倍频 法中，倍频次数埘之值不能太大。但取不太大的m 值，重复进行胛次倍频、混频 过程，最后可得 ，倍的倍增。这种方法叫频率误差倍增法，也有叫频差倍增法或 误差倍增法的。 第二章常用的频率标准的测量方法 9 图2 1 频翠误差倍增法原理框图 这里设f o 为参考频率，被测频标正= f o + 鲈，即正相对于厶有一个微小频差 够。 通过第一级倍增得到： m j x 一( r e - 1 ) f o = f o + m 酎( 2 - 2 ) 常常将参考频标频率倍9 倍，被测频标频率倍1 0 倍，则经第一级倍增后得差 频： i o 正一9 五= f o + 1 0 可 ( 2 3 ) 经过多级倍增后，将得到f o + 1 0 2 可、f o + 1 0 3 v f o + 1 0 “a f 。即将v 扩 大了lo i f 倍。由于受倍频器本地噪声影响，不能无限制地倍增。通常倍增次数在 1 0 4 范围，目前最高可达1 0 5 倍( 对l m h z 而言) 。 从图中可以看出，在频差倍增器中，倍频把差频加中心频率倍上去，混频只 把频率拉回到归一化的基础频率上。这样频差得到倍增，再由计数器测频。差值v 包含系统误差引起的差值颤和噪声引起的差值蜕两部分，即可= 颤+ 够如 对i m h z 讲，倍增了1 0 4 倍的倍增器在取样时间r = 1 0 s 时，测量精度为l x lo 1 0 s ， 则对老化率、日波动率、频率重现性、开机特性等指标，在l x l 0 m 或更低一些的 频标都可以测定了 频差倍增法的测量精度，取决于所用的倍增器倍频混频的噪声电平和系统分 辨率。频差倍增器的系统分辨率r ，可以用下式表示： 震，：上( 2 - 4 ) m f o r 式中，肘为对被测频率的有效倍增次数； 兀为被测频率的标称值，以h z 为单位： f 为取样时间，以j 为单位。 在用频差倍增法测频中，从理论分析及实验可得该方法可信度的依据如下： ( 1 ) 信噪比相当小时，通过理想的倍频器倍增膨次，则信噪比至少增加m 倍。 ( 2 ) 通过倍增器的噪声带宽基本不扩展。 ( 3 ) 频标中影响频率稳定度的是噪声及由噪声引起的相位起伏。 ( 4 ) 在输出级带有窄带滤波器的频标的噪声带宽，由该滤波器决定。 频差倍增法主要用于：测量频率值的相对频偏或频率准确度；测量老化率、 1 0 基于比相法的高分辨率频标比对技术的研究 日波动、重现性、开机特性等指标；测量短期频率稳定度。 目前，国外采用这种方法使得测量精度可达1 0 4 3 ，但频差倍增器结构复杂， 而且产生附加噪声的来源也多，所以在高稳晶振和原子频标的毫秒、秒级稳定度 测量中已经较少采用了。另外从性价比来看，也不是很适合国内市场。 2 3 差拍法 差拍法方案简单，精度很高，这是由于近年来对混频器的噪声测试和应用， 发现混频器具有极低噪声的特点。 差拍法测量频率稳定度基本出发点是将参考和待测振荡器的信号，经低噪声 混频器差拍，差拍后的信号经低通滤波器后用计数器测其多个周期。这种方法又 叫差频多周期法。差拍法原理如图2 2 所示。 计数器测周期 圈2 2 差拍法原理图 差频周期法的实际测量原理方框图如图2 3 所示。 用5 0 0 0 1 m h z 的晶体振荡器与5 m h z 被测振荡器，经过鉴相得到1 0 0 h z 的拍 频信号，再经过滤波器和限幅放大器来进行多周期测量。周期测量实质上是将相 位起伏，变换为时间或周期的变化来测量。评定这种方法测量的系统噪声虽然比 较困难，但由于系统简单，所以产生的噪声也很小。 由于稳定度的测量是通过两个振荡器之间的相互比对法进行的，因此参考振 荡器的频率稳定度、拍频频率的选择、鉴相器的噪声，都会使测量精度受到限制。 经推导，可得到周期测量时的阿仑方差： 盯：芷 v 1 、p ( 2 5 ) 其中，五为5 m h z ，厶为拍频频率( t l p1 0 0 h z ) ，p 为计数器的周期倍乘。 由以上分析可知，用差拍法测量频率稳定度，具有很高的分辨率。但是实际 第二章常用的频率标准的测量方法 中由于测量的上限主要取决于低噪声混频器。 2 4 频差倍增一多周期法 这种方法是一种将频差倍增法和差拍法相结合的测量方法。它是将被测信号 和参考信号经频差倍增，将被测信号的相位起伏扩大，再通过混频器获得差拍信 号厶，用电子计数器在低频下测多周期，能在较少的倍增次数和同样的取样时间 情况下，得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度。 目前常用的频差倍增一多周期法的测量原理方框图，如图2 4 所示。 l 哥早 图2 4 频差倍增一多周期法测量原理方框图 图中两种方法基本原理相同，不同的是采用不同的方法综合出所需要的差拍 信号，而且无论那种方法，均包括混频和脉冲形成。混频是为了得到差拍频率厶， 该差拍频率是正弦波信号，直接到计数器测周期触发误差较大，所以要使其差拍 信号厶可表示为： ( f ) = a 口c o s 陋，+ 妒( f ) 】( 2 - 6 ) 式中，c o 。为拍频角频率； 烈f ) 为相位差。 多周期法实质上是将相位起伏变换为测量时间或周期变化，所以用计数器测 量拍频信号v b ( t ) 的时间或周期，计数器测得的时间f 与相位闻的关系为： 2 ，p = 口f j + ( f ) 一9 ( o ) ( 2 - 7 ) 这里，p 为周期倍乘次数。 1 2 基于比相法的高分辨率频标比对技术的研究 时间r ，是一个变量，它包含着相位变化的信息。 用计数器测得的r 。的变化量r ，为： a r ，= 7 一r ， ( 2 - 8 ) 由于多周期法主要是测妒o + r ，) 一妒( f ) ，可得： 坐生匕盟： b ( 反之，即a o ，且 一1 ) k ( 4 3 ) 乜f ；一t i k 式中两次相位门时关闭时刻的时间间隔f 为一一。，而f 之始末两频率源相 位差的变化量是p 一p 一。，式中其他量的意义与i ； 文介绍的一样。由上式可以得 到被测频率信号在此段时日j 旱的平均频率值是： z ：五v ：f o ( 1 + 些) ( 钳) r i r ， 式中的正负号是根据相位曲线的倾斜方向束决定的。若被测频率比参考频率低时 ，贝f j 为负，反之为正。 在测量较长时间稳定度时，连续记录两比相信号的相位差随时间变化的曲线， 同时按需要的平均采样时间迁标志点来分割相位差曲线。计算各段采样时白j 内累 积的相位差，然后按阿仑方差的下述形式进行计算： l 巳2 了 ( 4 - 5 ) 式( 4 - 5 ) 中，f 为采样的重复周期，p + ，一只分别是第i + 1 次和第i 次采样周期 时间前后采样时刻的两比相信号相位差值之差。测试时，连续的采样间隔次数为 m + 1 次，而实际采样次数为m + 2 次。由于采样周期全部是无间隔连续的，所以用比 相法测量频率稳定度，可以得到全部无间隔测试的频率稳定度值。 利用比相曲线不仅可以计算被比对信号的频率值，频率稳定度，并且还可以 求得被比对信号的日老化率，日波动等指标。 为了能更精细地得到两比对信号相位的变化情况，可使取样控制时间短一些， 即两次测量时间尽量靠得近一些，这样在两比对信号相位从0 0 到3 6 0 0 变化的过程 中，就可以得到更多的采样点，得到的相位比对的信息也就更精细了。 4 3 2 硬件电路的原理设计 基于上面的分析，一个高分辨率的基于双相位重合检测的比相法频标比对器 被设计和完成。其仪器的方框图如图4 6 所示。 3 8 基于比相法的高分辨率频标比对技术的研究 图4 6 基于双相位重合检测的比相法频标比对的仪器框图 图4 6 所示的原理硬件电路大部分是由f p g a 实现的，包括两路的相位重合检 测电路、取样控制信号的形成、相位门时的形成、计数器等。根据式( 4 2 )