專利名稱：頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及頻率標(biāo)準(zhǔn)源，尤其是一種用于頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀。
航天導(dǎo)航、遠(yuǎn)程打靶、大地測(cè)量、時(shí)間保持、時(shí)間播授等部門必須使用高精度頻率與時(shí)間。這些部門一般要同時(shí)使用三臺(tái)頻率標(biāo)準(zhǔn)，在使用過(guò)程中要不斷地測(cè)量頻率和時(shí)間相位。由于使用的頻率很精確幾乎是同步的，所以很難測(cè)量出它的穩(wěn)定度。為了測(cè)量穩(wěn)定度還要增加一臺(tái)和上述三臺(tái)同一量級(jí)的頻率標(biāo)準(zhǔn)并人為地調(diào)偏，使它與正常頻率標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)時(shí)產(chǎn)生差拍，從而方可測(cè)定它的差拍，再計(jì)算差拍的差值，計(jì)算它的穩(wěn)定度。這是傳統(tǒng)測(cè)試方法，要犧牲一個(gè)頻率標(biāo)準(zhǔn)源(一個(gè)頻率標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格為40萬(wàn)人民幣，進(jìn)口的為30萬(wàn)美金)，是很不經(jīng)濟(jì)的。
本實(shí)用新型的目的是提出一種用于頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀，既達(dá)到節(jié)省一臺(tái)頻率標(biāo)準(zhǔn)，又能達(dá)到或超過(guò)傳統(tǒng)方法所能達(dá)到的測(cè)試分辨率和準(zhǔn)確度。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種用于頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀，其特點(diǎn)在于它包括電路和儀器箱，該儀器箱的正面有顯示屏和被測(cè)頻率標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)輸入端插座Fa和Fb，背面有兩輸出端Ta和Tb，可供接入其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所說(shuō)的電子線路由隔離放大器，混頻器、插入振蕩器、放大／整形電路運(yùn)算和顯示電路構(gòu)成；所說(shuō)的隔離放大器是由前置放大器、推挽功率放大器和電子濾波器構(gòu)成的，所說(shuō)的前置放大器由三極管Q1、電阻R1、R2、R3、R14、電容C1、C2、C7、C8、C3和電感L1構(gòu)成，所說(shuō)的電子濾波器由三極管Q6、電容C6和電阻R10構(gòu)成，所說(shuō)的推挽功率放大器由兩個(gè)PNP三極管Q2、Q4、兩個(gè)NPN三極管Q3、Q5及6個(gè)電阻R4、R5、R6、R7、R8、R9組成，三極管Q2和Q5、Q4和Q3分別連接成互補(bǔ)跟隨形式，是這樣連接的三極管Q4和Q2的基極連接到電容C4和電阻R5、R4的節(jié)點(diǎn)C，三極管Q4的集電極接電阻R5、R7和三極管Q5的集電極的節(jié)點(diǎn)-即地，電阻R7的另一端接三極管Q2的發(fā)射極和三極管Q5的基極的節(jié)點(diǎn)f，三極管Q2的集電極接電阻R6、三極管Q3的集電極、三極管Q6的發(fā)射極和電阻R4的節(jié)點(diǎn)，電阻R6的另一端接三極管Q4的發(fā)射極和三極管Q3的基極的節(jié)點(diǎn)e，三極管Q3的發(fā)射極通過(guò)電阻R9與三極管Q5的發(fā)射極的電阻R8相連于U后通過(guò)電容C5接混頻器；所說(shuō)的隔離放大器中的電阻應(yīng)滿足下列關(guān)系為R4=R5，R6=R7，R8=R9；所說(shuō)的三極管Q2、Q3可選用3DG142或9818，所說(shuō)的三極管Q4、Q5可選用3CG14或9012；所說(shuō)的電阻阻值的取值范圍為20KΩ≤R4=R5≤100KΩ2KΩ≤R6=R7≤10KΩ10Ω≤R8=R9≤50Ω本實(shí)用新型工作原理，特點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)我們將結(jié)合實(shí)施例的附圖作進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1是本實(shí)用新型的外觀示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的電路原理框圖。
圖3是本實(shí)用新型隔離放大器1的電路原理圖。
圖4是本實(shí)用新型隔離放大器實(shí)施例2電路原理圖。
圖5是本實(shí)用新型隔離放大器實(shí)施例3的電路原理圖。
圖6是本實(shí)用新型混頻器3的實(shí)施例電路連接圖。
圖7是本實(shí)用新型濾波器4電路圖。
圖8是本實(shí)用新型運(yùn)算放大5電路圖。
圖9是本實(shí)用新型整形電路6原理圖。
本實(shí)用新型是一種用于頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀，包括電路和儀器箱體，圖1是儀器箱的外觀圖，該儀器箱的正面有顯示屏1和被測(cè)頻率標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)輸入端插座Fa、Fb，背面還有兩個(gè)輸出端Ta和Tb，也可利用這兩個(gè)輸出端Ta和Tb將差拍放大后的信號(hào)輸入其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算顯示。
圖2是本實(shí)用新型的電路原理框圖。
所說(shuō)的電路由插入振蕩器Fc、隔離放大器1和隔離放大器2、混頻器3和混頻器3’、放大／整形電路(即濾波器4、運(yùn)算放大電路5、整形電路6)和放大／整形電路(即濾波器4’，運(yùn)算放大器5’、整形電路6’)、運(yùn)算和顯示電路7組成。fa和fb分別是頻率為5兆赫茲MHz的被測(cè)的兩個(gè)信號(hào)源，fc是外插振蕩器，頻率為5000001Hz，比被測(cè)的振蕩器高1赫茲(Hz)。fa5MHz信號(hào)經(jīng)隔離放大器1送混頻器3，fc頻率信號(hào)送混頻器3，混頻器3輸出一個(gè)拍頻信號(hào)由放大整形電路(4、5、6)中產(chǎn)生一個(gè)1Hz方波信號(hào)，這個(gè)信號(hào)叫做Ta。同樣方法Tb信號(hào)是由fb5MHz信號(hào)經(jīng)隔離放大器2送混頻器3’，fc也送混頻器3’，進(jìn)行混頻，在放大整形電路(4’、5’、6’)中產(chǎn)生一個(gè)1Hz方波信號(hào)，兩個(gè)放大整形電路(4、5、6、4’、5’、6’)的輸出兩個(gè)信號(hào)幅度相同，上升沿相同(上升沿為小于10ns，幅度3Vp-p方波信號(hào))，僅輸出的相位是fa和fb變量的函數(shù)，供運(yùn)算顯示電路7運(yùn)算并在顯示屏1顯示結(jié)果。為了便于分析數(shù)據(jù)，也可將放大整形電路放大整形后的信號(hào)用Ta和Tb兩端子輸出，Ta和Tb和外接計(jì)算機(jī)相連后，用Ta、Tb信號(hào)分別去觸發(fā)頻率計(jì)數(shù)器的時(shí)間間隔的開門和關(guān)門就可以得到下面的結(jié)果。
由上述Ta=fa-fc
Tb=fb-fcTa-Tb=(fa-fc)-(fb-fc)=fa-fb在雙相混頻時(shí)，中間振蕩頻率fc，在Ta-Tb很小時(shí)，fc提供了兩個(gè)差拍信號(hào)，fc的瞬穩(wěn)很好的話，它的誤差帶進(jìn)去很小。根據(jù)這個(gè)原理，插入振蕩器fc的短期穩(wěn)定度，可以比欲要測(cè)量的短期穩(wěn)定度低，測(cè)量?jī)蓚€(gè)頻率源時(shí)，不用調(diào)偏其中的一頻率源，拍頻信號(hào)由插入振蕩器fc產(chǎn)生。誤差計(jì)算X(i)=(Ta-Tb)νbν0+φ2πν0]]>式中，Ta計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)時(shí)間Tb計(jì)數(shù)器的關(guān)閉時(shí)間Vbfc與被測(cè)頻率源的標(biāo)稱差頻的倒數(shù)V0fc插入振蕩器的標(biāo)稱頻率5000001Hzφ是雙混頻系統(tǒng)的兩部分之間總相位差，測(cè)量?jī)社姷姆€(wěn)定度，則可以不考慮。如果是用來(lái)測(cè)量時(shí)差，這一項(xiàng)必須扣除。自校時(shí)的時(shí)差為φ2π]]>。
用雙混頻方法直接測(cè)量頻率相差(直接測(cè)量?jī)蓚€(gè)5MHz之間的相位)由上面的公式所示，以一個(gè)普通的計(jì)數(shù)器就能得出很高的頻率的相位差，它的秒脈沖信號(hào)是由混頻產(chǎn)生的，對(duì)于5MHz的頻率而言，要乘上2×10-7系數(shù)?，F(xiàn)在我們采用10MHz的頻率計(jì)數(shù)器，所以它的分辨率為最后一位正負(fù)一個(gè)數(shù)字(2個(gè)數(shù)字)，為了保險(xiǎn)一些，我們給它5個(gè)數(shù)字，這樣它的分辨率為0．5μS×2×10-7系數(shù)為0．1pS。該儀器在自校時(shí)波動(dòng)在μS級(jí)5個(gè)數(shù)字，最大不到10μS，但是又考慮內(nèi)部晶振的漂移，所以放寬到100μS位5個(gè)數(shù)字為10pS以上所指是實(shí)際測(cè)量的結(jié)果。
用雙混頻方法測(cè)量頻率穩(wěn)定度a．被測(cè)兩個(gè)信號(hào)分別送fa、fb，Ta信號(hào)開計(jì)數(shù)器的閘門，開始計(jì)數(shù)。Tb信號(hào)關(guān)計(jì)數(shù)器的閘門，停止計(jì)數(shù)。得出(Ta-Tb)，計(jì)數(shù)頻率為10MHz。采集(Ta-Tb)1；(Ta-Tb)2；(Ta-Tb)3；(Ta-Tb)4；(Ta-Tb)5…………(Ta-Tb)101為一組。
b．根據(jù)(1)式計(jì)算，我們可以得時(shí)差X(i)1、X(i)2、X(i)4、X(i)5、……X(i)nc．計(jì)算間隔內(nèi)的相對(duì)頻差為y(i)=x(i+1)-x(i)τ]]>式中τ為兩次取數(shù)的時(shí)間間隔，為了測(cè)量不同時(shí)段的穩(wěn)定度τ分別為1秒、10秒、100秒、1000秒d．計(jì)算穩(wěn)定度δY(τ)=12(M-1)·Σi=1N-1[Y(i+1)-Y(i)]2··(2)]]>或δY(ι)=vb2(M-1)·τ2·v02·Σi=1N-1[Δ&Tgr;(i+2)-2Δ&Tgr;(i+1)+Δ&Tgr;(i)]2··(3)]]>按公式(2)或公式(3)就可以算出101個(gè)數(shù)據(jù)的結(jié)果。
隔離放大器1和隔離放大器2是結(jié)構(gòu)完全相同的，下面就其中之一加以描述。圖3是隔離放大器實(shí)施例1的電路圖，由前置放大和功率放大兩級(jí)組成，三極管T1、T3為3DG142，三極管T2和T4為3CG120，各元件參數(shù)如圖所示，能滿足測(cè)量要求。
該實(shí)施例1的隔離放大器不太理想，尤其是環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生交越失真，為此提出改進(jìn)，如圖4所示，是隔離放大器實(shí)施例2，實(shí)施例2由放大器、推挽功率放大器，電子濾波器構(gòu)成，由三極管Q1、電阻R1、R2、R3、R14、電容C1、C2、C7、C8、C3和電感L1構(gòu)成所說(shuō)的前置放大器，所說(shuō)的電子濾波器由三極管Q6、電容C6和電阻R10構(gòu)成，所說(shuō)的互補(bǔ)推挽功率放大器由PNP三極管Q4、Q5、NPN三極管Q2、Q3、電阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、電位器R11、電容C9構(gòu)成，三極管Q2、Q3是NPN型的，接成兩級(jí)串聯(lián)的射極跟隨器電路，Q4、Q5是PNP型三極管接成兩級(jí)串聯(lián)的射極跟隨器電路。這種電路的輸出阻抗可以做得很小，負(fù)載能力很強(qiáng)，但是這種電路容易產(chǎn)生交流放大電路經(jīng)常發(fā)生的交越失真，在電路中加了可變電阻R11來(lái)調(diào)節(jié)工作點(diǎn)，或是將電阻R11換成二極管，環(huán)境溫度變化，可用手工調(diào)整R11適應(yīng)之，但仍有缺點(diǎn)，即仍隨工作的環(huán)境溫度變化而改變其工作點(diǎn)，因而在一定溫度范圍內(nèi)要發(fā)生交越失真，由手工調(diào)整，由于滯后效應(yīng)，總不能保證在一個(gè)較寬的溫度范圍內(nèi)做到不失真。
為此，發(fā)明人提出了隔離放大器實(shí)施例3如圖5所示，是一種無(wú)交越失真的隔離放大器，它由前置放大器、互補(bǔ)推挽功率放大器，電子濾波器組成，所說(shuō)的前置放大器由三極管Q1、電阻R1、R2、R3、R14、電容C1、C2、C7、C8、C3和電感L1構(gòu)成，所說(shuō)的電子濾波器由三極管Q6、電容C6和電阻R10構(gòu)成，其特點(diǎn)是所說(shuō)的推挽功率放大器由二個(gè)PNP三極管Q2、Q4、兩個(gè)NPN三極管Q3、Q5及6個(gè)電阻R4、R5、R6、R7、R8、R9組成，三極管Q2和Q5、Q4和Q3分別接成互補(bǔ)跟隨推挽功率放大器，具體連接如下三極管Q4和Q2的基極連接到電容C4和電阻R5、R4的節(jié)點(diǎn)C，三極管Q4的集電極接電阻R5、R7和三極管Q5的集電極的節(jié)點(diǎn)一即地，電阻R7的另一端接三極管Q2的發(fā)射極和三極管Q5的基極的節(jié)點(diǎn)f，三極管Q2的集電極接電阻R6、三極管Q3的集電極、三極管Q6的發(fā)射極和電阻R4的節(jié)點(diǎn)，電阻R6的另一端接三極管Q4的發(fā)射極和三極管Q3的基極的節(jié)點(diǎn)e，三極管Q3的發(fā)射極通過(guò)電阻R9與三極管Q5的發(fā)射極的電阻R8相連于U后通過(guò)電容C5接混頻器3的輸入端。
其中三極管Q1、Q2、Q3選用9818型三極管，三極管Q4、Q5選用9012型三極管，三極管Q6選用9013型三極管。
電阻R4=R5=100KΩR6=R7=10KΩR8=R9=50Ω按照上述連接后，三極管Q4、Q3分別是PNP和NPN型三極管互補(bǔ)跟隨，三極管Q2、Q5分別是PNP和NPN型三極管互補(bǔ)跟隨，我們稱三極管Q2基極到Q2發(fā)射極的電壓為Q2Vbe，稱三極管Q3基極到Q3發(fā)射極的電壓為Q3Vbe，稱三極管Q4的基極到Q4發(fā)射極的電壓為Q4Vbe。稱三極管Q5的基極到Q5發(fā)射極的電壓為Q5Vbe。Q4Vbe和Q2Vbe是相同的，電阻R5和電阻R6的輸出端的直流電位和三極管Q4、Q2的U點(diǎn)直流電位是相等的，那么三極管Q4的Vbe正好提供給三極管Q3的Vbe，三極管Q2的Vbe同樣也正好提供給三極管Q5的Vbe，而Q4的Vbe和Q2的Vbe由于是跟隨器接法，Q4和Q2的Vbe處于100％的電壓負(fù)反饋。如果由于環(huán)境溫度的變化，溫度T升高，Q4Vbe、Q2Vbe會(huì)變小，這時(shí)Q3Vbe、Q5Vbe需要降低，而降低的量正好是Q4Vbe、Q2Vbe會(huì)變小的量；反之，由于環(huán)境溫度T下降，溫度T下降，Q4Vbe和Q2Vbe會(huì)變大，這時(shí)Q3Vbe和Q5Vbe則需要升高，而升高的量正好是Q4Vbe和Q2Vbe會(huì)變大的量。當(dāng)電源電壓發(fā)生變化時(shí)，該四個(gè)管子Q2、Q3、Q4、Q5能隨電源電壓的波動(dòng)而自動(dòng)的負(fù)反饋，自動(dòng)地達(dá)到平衡。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本實(shí)用新型，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，Q2、Q3、Q4和Q5四個(gè)管子能自動(dòng)調(diào)整自己的工作點(diǎn)，工作溫度范圍在-10℃至+40℃，而且本實(shí)用新型的輸出功率大，效率高，隔離度極高，120分貝以上，是一種無(wú)交越失真的隔離放大器。
圖6是混頻器3的實(shí)施例，其型號(hào)是VJH6或VJH8B。放大／整形電路包括濾波器4、運(yùn)算放大電路5和整形電路6三部分，圖7是濾波器4電路圖。
圖8是運(yùn)算放大器5電路圖，屬于放大／整形電路的一部分，采用LM324四級(jí)放大。
圖9是整形電路6原理圖，采用四個(gè)74L500集成塊構(gòu)成。
圖2中運(yùn)算和顯示電路7是常用的，在此不贅述。
由上述電路構(gòu)成的頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀，經(jīng)實(shí)測(cè)獲得結(jié)果如下1．測(cè)量相位差a．測(cè)量范圍00000．0μS-99999．9μS該時(shí)間信號(hào)是由5MHz混頻器產(chǎn)生1秒信號(hào)，所以要乘上5MHz的倒數(shù)2×10-7代表值為00000．0μS×(2×10-7)-999999．9μS×(2×10-7)00000．0pS-200nS 10μS=2pS； 10000μS=2nSb．時(shí)差測(cè)量分辯率為0．1pS(0．1μS位5個(gè)數(shù)字)。
c．時(shí)差測(cè)量準(zhǔn)確度為10pS(100μS位5個(gè)數(shù)字)2．自校測(cè)量頻穩(wěn)定度兩個(gè)頻率輸入端fafb同時(shí)接到一個(gè)頻率源上，所看到的就是本機(jī)的噪聲。見下表
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1、采用本實(shí)用新型進(jìn)行測(cè)試，可為客戶節(jié)省一臺(tái)頻率標(biāo)準(zhǔn)，價(jià)值40萬(wàn)元或30萬(wàn)元美元(進(jìn)口)；2、本實(shí)用新型測(cè)量精度高，可以精確地測(cè)出相位差，分辨率達(dá)0．1毫微秒，準(zhǔn)確度可達(dá)10毫微秒。
3、本實(shí)用新型造價(jià)便宜，運(yùn)用傳統(tǒng)方法的儀器是達(dá)到如此高的分辨率和準(zhǔn)確度，其造價(jià)是本實(shí)用新型的20倍。
權(quán)利要求1.一種用于頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀，其特征在于它包括電路和儀器箱，該儀器箱的正面有顯示屏(10)和被測(cè)頻率標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)輸入端插座(Fa)和(Fb)，背面有兩輸出端(Ta)和(Tb)，可供接入其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所說(shuō)的電子線路由隔離放大器(1、2)，混頻器(3、3’)、插入振蕩器(fc)、放大／整形電路(4、5、6，4’、5’、6)、運(yùn)算和顯示電路(7)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀，其特征在于所說(shuō)的隔離放大器是由前置放大器、推挽功率放大器和電子濾波器構(gòu)成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀，其特征在于，所說(shuō)的前置放大器由三極管Q1、電阻R1、R2、R3、R14、電容C1、C2、C7、C8、C3和電感L1構(gòu)成，所說(shuō)的電子濾波器由三極管Q6、電容C6和電阻R10構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀，其特征在于所說(shuō)的推挽功率放大器由兩個(gè)PNP三極管Q2、Q4、兩個(gè)NPN三極管Q3、Q5及6個(gè)電阻R4、R5、R6、R7、R8、R9組成，三極管Q2和Q5、Q4和Q3分別連接成互補(bǔ)跟隨形式，是這樣連接的三極管Q4和Q2的基極連接到電容C4和電阻R5、R4的節(jié)點(diǎn)C，三極管Q4的集電極接電阻R5、R7和三極管Q5的集電極的節(jié)點(diǎn)-即地，電阻R7的另一端接三極管Q2的發(fā)射極和三極管Q5的基極的節(jié)點(diǎn)f，三極管Q2的集電極接電阻R6、三極管Q3的集電極、三極管Q6的發(fā)射極和電阻R4的節(jié)點(diǎn)，電阻R6的另一端接三極管Q4的發(fā)射極和三極管Q3的基極的節(jié)點(diǎn)e，三極管Q3的發(fā)射極通過(guò)電阻R9與三極管Q5的發(fā)射極的電阻R8相連于U后通過(guò)電容C5接混頻器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀，其特征在于所說(shuō)的隔離放大器中的電阻應(yīng)滿足下列關(guān)系為R4=R5R6=R7R8=R9。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀，其特征在于所說(shuō)的三極管Q2、Q3可選用3DG142或9818，所說(shuō)的三極管Q4、Q5可選用3CG14或9012。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀，其特征在于所說(shuō)的電阻阻值的取值范圍為20KΩ≤R4=R5≤100KΩ2KΩ≤R6=R7≤10KΩ10Ω≤R8=R9≤50Ω
專利摘要一種頻率相差和頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀,由插入振蕩器、隔離放大器、混頻器、放大整形電路、運(yùn)算和顯示電路組成,其優(yōu)點(diǎn)是可為用戶測(cè)試節(jié)省一臺(tái)頻率標(biāo)準(zhǔn),并且具有造價(jià)較低和測(cè)量精度高的特點(diǎn),分辨率達(dá)0.1毫微秒,準(zhǔn)確度達(dá)10毫微秒。
文檔編號(hào)G01R23/00GK2428782SQ00216420
公開日2001年5月2日 申請(qǐng)日期2000年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月3日
發(fā)明者沈季良, 蔡勇, 馬南雪 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)