專利名稱:周期法頻率穩(wěn)定度和精度測試儀的制作方法
技術領域:
本實用新型涉及頻率穩(wěn)定度和精度測量,特別是一種周期法頻率穩(wěn)定度和精度測試儀。
頻率穩(wěn)定度的測量技術是用來鑒別頻率源的信號質量指標的一種重要技術,針對高精度的頻率源,如原子頻標,其短穩(wěn)在10-13/τ(τ為取樣時間),它的頻率穩(wěn)定度的測量就顯得比較困難。就目前,主要有頻差倍增,相位比較,雙混頻時差等技術,但這些技術往往不是電路較復雜體積較大,就是精度不高,很難滿足現(xiàn)在的頻率穩(wěn)定度的測量工作。
本實用新型的目的就是提供一種周期法頻率穩(wěn)定度和精度測試儀,使測量精度更高,更可靠,更經(jīng)濟。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的一種周期法頻率穩(wěn)定度和精度測試儀,其特點在于它包括儀器箱,該儀器箱上有參考頻標、待測頻標和外頻標輸入口、綜合器開關、電源開關、顯示區(qū)和采樣時間開關;一路頻標10MHz信號經(jīng)低噪聲緩沖放大區(qū)(A1)由變壓器浮地輸出,再連接到9倍頻器的輸入端,得到90MHz信號,該信號一路送直接數(shù)字頻率綜合器(DDS)產(chǎn)生(10M+fb)Hz信號,接混頻器(F2)的射頻端RF),另一路經(jīng)放大器(A2)輸入混頻器(F2)的本振端(L0),混頻器(F2)的中頻端輸出,經(jīng)100MHz帶通濾波器和放大器(A5)的濾波和放大,得到(100M+fb)Hz信號,輸入混頻器(F4)的射頻端(RF);另一路頻標10MHz信號經(jīng)低噪聲緩沖放大器(A3)放大由變壓器浮地輸出,經(jīng)10倍頻器得到100MHz信號,經(jīng)放大器(A4)放大輸入混頻器(F4)的本振端(L0);由混頻器(F4)的中頻端(IR)輸出的信號,經(jīng)低通濾波和直流放大獲得fb Hz差拍信號,經(jīng)超高速過零電壓比較器整成非常陡峭前沿的方波送內(nèi)部時間測量計數(shù)器;外頻標10MHz方波輸入計數(shù)器作頻標;顯示區(qū)采和七位高亮度數(shù)碼管構成。所說的外頻標輸入口至內(nèi)部時間測量計數(shù)器之間還有數(shù)字時延倍頻器,它主要由高速開關管、單穩(wěn)觸發(fā)器、異或門、觸發(fā)器構成;所說的顯示區(qū)采用七位高亮度數(shù)碼管構成,由兩片集鎖存、譯碼、驅動、掃描、時鐘于一體的集成發(fā)光二極管顯示驅動器來驅動;所說的低噪聲緩沖放大器(A1)或(A3)之前還有混頻器(F1)或(F3),當頻標(5MHz)信號連接于該混頻器(F1)或(F3)的中頻端(IF)和射頻端(RF),則從本振端(L0)即可獲得兩倍頻信號(10MHz);所說的內(nèi)部時間測量計數(shù)器的單片微處理器也可通過RS-232串行接口將實時數(shù)據(jù)或結果送到其他微機系統(tǒng)進行計算或對結果進行判斷;所說的一路頻標為待測頻標,則另一路頻標則為參考頻標。
本實用新型的優(yōu)點是1、由于本實用新型采用了直接數(shù)字頻率合成和混頻相結合的技術,因此系統(tǒng)大為簡化,本實用新型的體積僅為已有的普通測量裝置的約1/10,重量輕。
2、測試精度高,穩(wěn)定度的自校精度比國外儀器提高1個數(shù)量級,例如10毫秒的穩(wěn)定度達7E-12,1000秒的穩(wěn)定度為2E-15。
校頻精度達1E-12。
3、儀器配置了良好的軟件,測試過程自動化,也可以通過其他計算機進行遙控測試。
下面結合較佳實施例及其附圖對本實用新型作進一步說明。
圖1是本實用新型實施例的儀器箱的主視圖。
圖2是本實用新型實施例的儀器箱的俯視圖。
圖3是本實用新型實施例的儀器箱的后視圖。
圖4是本實用新型實施例的電路框圖。
圖5是本實用新型實施例的數(shù)字倍頻電路圖。
圖6是本實用新型實施例的測試流程圖。
圖中1-電源開關及指 2-顯示區(qū)3-綜合器開關4-采樣時間開關5-電源輸入端6-外頻標輸入端7-差拍信號輸出端8-通訊備口9-通訊主口被測頻標與參考頻標,為了進行高精度的頻率穩(wěn)定度測量,我們將其倍增到100MHz上進行比對。為了得到差拍,又需將一路頻標調(diào)偏,目前調(diào)偏主要有兩種方式,一種為通過多級混頻與分頻的方式得到所需的拍頻信號,這種方式往往電路較復雜以至成本較高,另一種則采用綜合器來調(diào)偏,但這種系統(tǒng)的精度取決于綜合器的好壞。這里我們采用了直接數(shù)字頻率合成(DDS)和混頻相結合的技術,使系統(tǒng)大為簡化且保證了測試的高精度。
圖1、圖2、圖3分別是本實用新型實施例,即周期法頻率穩(wěn)定度和精度測試儀的主視圖,俯視圖和后視圖,而圖4是參考頻標和待測頻標及外頻標均是5兆赫茲(5MHz)的本實用新型測試儀的電路框圖,它是將其中一路輸入信號(5MHz)連接于混頻器(F1)的中頻端(IF)與射頻端(RF),通過這種混頻器的變通使用便可于本振端(L0)得到無插損的兩倍頻信號(10MHz)。然后將該信號連接到一個低噪聲緩沖放大器,該放大器主要由高速跟隨器(A1)組成,該放大器的輸出形式為變壓器浮地輸出,以防止被測信號源與本測試系統(tǒng)的地電位不同而引起10ms的穩(wěn)定度失真。再將輸出連接到9倍頻器的輸入端,這樣得到90MHz信號。該信號一路送至DDS的時鐘端(CLKIN),經(jīng)綜合后產(chǎn)生10M+fbHz的信號,另一路輸入到放大器(A2),該放大器的作用起放大及隔離的作用(增益為15dB,反向隔離度為25dB)。然后再將這兩路信號混頻(綜合器輸出連接于混頻器RF端,放大器輸出接于混頻器L0端),這樣便可于IF端得到90M±(10MHz+fb)Hz的信號,再經(jīng)濾波和放大(帶通濾波器的Q值為10,中心頻率為100MHz。帶通濾波器[filter]輸出接于放大器A5,A5的作用為增益提升及輸入與輸出隔離作用),這樣便完成了一路頻標的調(diào)偏與倍頻。DDS部分采用美國模擬器件公司的AD9850芯片,其最高時鐘頻率可達125MHz,DDS的控制由一片CPU來完成,使得fb的大小可調(diào)。另一路則直接倍到100MHz。這樣得到了兩路信號后送入混頻器F4,得相對頻偏為fb,再經(jīng)由低噪聲運算放大器構成的簡單的低通濾波與直流放大電路后得到兩個頻標的差拍信號fb。該信號再經(jīng)超高速過零電壓比較器整成非常陡峭前沿的方波,這樣可使計數(shù)器觸發(fā)誤差降至最小(該比較器觸發(fā)靈敏度為2mv),同時也使差拍信號轉換為TTL(晶體管晶體管邏輯)電平,由它去激勵自帶的時間測量計數(shù)器。
計數(shù)器部分主要由7位十進制同步計數(shù)器(74LS160)構成的分頻鏈結合4位八上升沿D觸發(fā)器(74LS374)組成一簡單的10MHz計數(shù)器,前者起計數(shù)作用,后者則起鎖存計數(shù)結果的作用,且其受控于一單片微處理器(89C52),使計數(shù)操作可控。該計數(shù)器閘門部分由帶預置和清除端的D觸發(fā)器(74LS74)和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(74LS221)構成,前者起觸發(fā)即計數(shù)閘門開啟的作用,后者起調(diào)整脈寬的作用,它也接于89C52上。計數(shù)器時鐘為10MHz,需將5MHz外標兩倍頻得到,此處采用簡單的數(shù)字時延倍頻法(電路如圖5所示),將5MHz外標經(jīng)一由高速開關管(3DK7)整形后,由集電極(C)端送至一單穩(wěn)觸發(fā)器(74LS221)的A端(下降沿觸發(fā)端)進行脈寬調(diào)整,其調(diào)整范圍由Rcext(外部電阻端)和Cext(外部電容端)兩端的電容C7與電位器W1決定(τ=0.7RC),具體調(diào)整多少還要以最后輸出的波形是否對稱來決定,觸發(fā)器輸出(Q)一路直接送至一異或門(74LS86)的輸入端,另一路經(jīng)三個異或門和電容(C8)延時后送至該門的另一輸入端,這樣通過調(diào)整脈寬便可得到兩倍于原信號的脈沖個數(shù),輸出再經(jīng)一觸發(fā)器整形,倍頻便完成。顯示部分采用七位高亮數(shù)碼管構成,其由兩片集鎖存、譯碼、驅動、掃描、時鐘于一體的集成LED顯示驅動器件(MC14489)來驅動。內(nèi)部CPU(單片微處理器89C52)除處理計算出實時穩(wěn)定度并顯示外,同時也可通過RS-232串行接口(8251與MAX232構成,有主備兩口)將實時數(shù)據(jù)或結果送到微機系統(tǒng),微機則可根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進行實時采集計算或對結果進行判斷。
本實施例的測量過程如下將被測的信號與參考信號接入測試儀前面板的‘fa’與‘fb’,外標5M信號接到后面板的‘外頻標5MHz’6上。
信號接好后,通電,系統(tǒng)先進行初始化(軟件詳細流程如圖6所示),前面板顯示區(qū)2的8位高亮數(shù)碼管經(jīng)顯示初始化后即顯示當前倍率,這一過程中單片機不停地掃描前面板采樣時間開關4,若無鍵按下則顯示‘no。。bL。。’,否則顯示‘bL IS 01’(假設當前倍率為10ms)。綜合器部分的單片機則先初始化DDS,然后掃描前面板綜合器撥盤,根據(jù)撥盤值算出DDS的頻率控制字,然后置各控制字到DDS內(nèi)部寄存器,DDS隨即根據(jù)控制字輸出所需頻率(10MHz+fb)。這一頻率再與90MHz混頻后,得到(100MHz+fb)的頻率。它再與另一路被倍到100MHz的信號混頻得到fb,該差拍信號經(jīng)低通濾波、整形后變成方波,由它的上升沿去觸發(fā)計數(shù)器,同時產(chǎn)生一開門中斷送至單片機,單片機則根據(jù)采樣時間值確定中斷計數(shù)的個數(shù),若采樣時間為1、2或3,即測10ms、100ms或1s的穩(wěn)定度,則單片機會放開關門控制,這樣當下一個上升沿來時計數(shù)器將停止計數(shù)并將當前計得值鎖存,同時產(chǎn)生一取數(shù)中斷至單片機,單片機則中斷取數(shù)(τ1),同時取數(shù)計數(shù)器加1,如此直至取得101個數(shù)后單片機將這些數(shù)按公式σy(τ)≡10-8×1Tb212(m-1)Σi=1m-1(TI+1-T1)2]]>計算得到一穩(wěn)定度并顯示,(其中Ti+1-Ti=τi+1-τiN,]]>N為周期倍乘次數(shù),此處為1,若采樣時間為4、5或6,即測10s、100s或1000s的穩(wěn)定度,則N相應為10、100或1000)。單片機在N不為1的情況下,會對開門中斷進行計數(shù),當中斷數(shù)達到N值,即取樣時間到,則單片機發(fā)出關門控制信號,計數(shù)器將停止計數(shù)并將當前計得值鎖存,同時產(chǎn)生一取數(shù)中斷至單片機,后面的過程與前面一樣,這就是多周期測量技術。在測量過程中,正常工作顯示數(shù)碼管會隨前面板閘門燈的閃爍顯示計數(shù)值(7位),待采得101個(1000s為21個)數(shù)據(jù)后,則計算出一個穩(wěn)定度并顯示‘01 3.6E11’,前一個數(shù)為采樣計數(shù)值,后者即為穩(wěn)定度(當前為3.6×10-11),以后則一直顯示該值直到下一組數(shù)據(jù)采集完畢。
計數(shù)采集途中若有鍵按下,即采樣時間改變,則計數(shù)及數(shù)據(jù)處理會中斷并重新開始另一時段(或倍率)的穩(wěn)定度測試;后面板的‘差拍T’為測試儀的輸出頭,即差拍周期(1/fb)的輸出,將該信號接到外部計數(shù)器則可用外部計數(shù)器進行測試;后面板的兩個‘RS-232輸出’為用于與計算機訊的主、備接口,當由微機發(fā)命令控制本測試儀時,則會產(chǎn)生單片機中斷,單片機將接收到的命令解碼,并判斷,若為有效命令,則中斷當前測試轉而執(zhí)行該命令,前面板采樣時間開關也被封鎖,即按任何鍵都不起作用,進入遙控狀態(tài)。
測量計算方法一)、穩(wěn)定度測量計算σy(τ)=fbfo·τΣi=1m-1(τi+1-τi)22(m-1)]]>式中,fb拍頻頻率fo比對頻率,此處為100MHz,即1/fo=1100,000,000=1×10-8]]>m 取樣個數(shù)τ 取樣時間,τ=Nfb=NTb,]]>N為周期倍乘次數(shù)1.采用測定信號周期的方法,以信號上升沿開計數(shù)器閘門,開始計數(shù)。經(jīng)時間τ后關計數(shù)器的閘門,停止計數(shù)。得到τ1計數(shù)頻率為10MHz。
2.采集τ1、τ2、τ4、τ5、………τ101為一組,對于1000s則采集τ1、τ2、τ3……τ21為一組,即m=21。
3.計算間隔內(nèi)的平均相對頻差Ti+1-Ti=τi+1-τiN]]>注N為周期倍乘次數(shù),為了測量不同時段的穩(wěn)定度,對于10ms、100ms、1s、10s、100s、1000s,N分別為1、1、1、10、100、1000,fb分別為 4.計算穩(wěn)定度σy(τ)≡10-8×1Tb212(m-1)Σi=1m-1(Ti+1-Ti)2]]>二)、頻率精度計算(校頻)1、假設 參考頻標為標準5MHz信號待測頻標為5MHz+Δf最終計數(shù)器計得值為τ2、由系統(tǒng)原理可得τ=[(100M+fb)-(100M+20Δf)]-1=(fb-20Δf)-1Δff=fb-1τ20f=τ-τbτbτ20f≡τ-τb20f]]>(其中τb=1fb]]>為拍頻周期,即為系統(tǒng)自校時的計數(shù)值)由此我們便很易推得被測頻標相對于參考頻標的頻偏(例如假設系統(tǒng)自校時測得τb=1.0034912s,被測頻標接入時測得τ=1.0035762s,由此可得 本發(fā)明的優(yōu)點本系統(tǒng)采用了差拍一周期測量技術,并結合最新的直接數(shù)字頻率合成(DDS)、倍頻及單片微機技術,使頻率穩(wěn)定度的測量不僅實現(xiàn)了測量的高精度,而且使結構簡化、穩(wěn)定性提高、操作方便、直觀。另外利用本設備還可進行快速的高精度的頻率校正工作。據(jù)考證,本測試儀的設計方法目前國內(nèi)是獨有的,其測量精度在國內(nèi)也是最高的,并與國外相當。測量結果如下
a、穩(wěn)定度自校精度(輸入5MHz)τ穩(wěn)定度σy(τ)10ms 7E-12100ms5E-131s 6E-1410s 8E-15100s 2E-151000s2E-15從國外進口儀器的自校精度提高1個數(shù)量級b、校頻精度1E-12利用以上原理,研制了FME-3型周期法短穩(wěn)測試儀(外觀如圖1、2、3所示),其主要技術指標如下1)、輸入5MHz 13dbm±1dbm(1V+0.2Vrms[均方根])/50Ω10MHz 7dbm±1dbm(0.5V±0.2Vrms)/50Ω外頻標5MHz正弦波或方波最大頻差(Δf/f)1E-9電源 220V±10%,50Hz 功耗 25W2)、輸出100Hz、10Hz或1Hz方波 ±5Vpp(可送至標準時間間隔計數(shù)器)3)、接口RS-232接口主、備共兩路帶握手控制信號(RTS[請求送數(shù)]、CTS[批準送數(shù)]、DSR[數(shù)據(jù)設備準備好]、DTR[數(shù)據(jù)終端準備好])波特率 9600bps數(shù)據(jù)格式 8位數(shù)據(jù)位 1位停止位 1位偶校驗位ASCⅡ碼功能可控測試儀工作與停止狀態(tài) 可進行采樣時間選擇可控發(fā)送計數(shù)器數(shù)據(jù)與計算的穩(wěn)定度結果
4)、測量指標(帶寬P=300Hz/10ms,30Hz/100ms,3Hz/1s、10s、100s、1000s輸入5MHz)如下圖所示
權利要求1.一種周期法頻率穩(wěn)定度和精度測試儀,其特征在于它包括(1)儀器箱,該儀器箱上有參考頻標、待測頻標和外頻標輸入口、綜合器開關、電源開關、顯示區(qū)和采樣時間開關;(2)一路頻標10MHz信號經(jīng)低噪聲緩沖放大區(qū)(A1)由變壓器浮地輸出,再連接到9倍頻器的輸入端,得到90MHz信號,該信號一路送直接數(shù)字頻率綜合器(DDS)產(chǎn)生(10M+fb)Hz信號,接混頻器(F2)的射頻端RF),另一路經(jīng)放大器(A2)輸入混頻器(F2)的本振端(L0),混頻器(F2)的中頻端輸出,經(jīng)100MHz帶通濾波器和放大器(A5)的濾波和放大,得到(100M+fb)Hz信號,輸入混頻器(F4)的射頻端(RF);(3)另一路頻標10MHz信號經(jīng)低噪聲緩沖放大器(A3)放大由變壓器浮地輸出,經(jīng)10倍頻器得到100MHz信號,經(jīng)放大器(A4)放大輸入混頻器(F4)的本振端(L0);(4)由混頻器(F4)的中頻端(IR)輸出的信號,經(jīng)低通濾波和直流放大獲得fb Hz差拍信號,經(jīng)超高速過零電壓比較器整成非常陡峭前沿的方波送內(nèi)部時間測量計數(shù)器;(5)外頻標10MHz方波輸入計數(shù)器作頻標;(6)顯示區(qū)采和七位高亮度數(shù)碼管構成。
2.根據(jù)權利要求1所述的頻率穩(wěn)定度和精度測試儀,其特征在于所說的外頻標輸入口至內(nèi)部時間測量計數(shù)器之間還有數(shù)字時延倍頻器,它主要由高速開關管、單穩(wěn)觸發(fā)器、異或門、觸發(fā)器構成。
3.根據(jù)權利要求1所述的頻率穩(wěn)定度和精度測試儀,其特征在于所說的顯示區(qū)采用七位高亮度數(shù)碼管構成,由兩片集鎖存、譯碼、驅動、掃描、時鐘于一體的集成發(fā)光二極管顯示驅動器來驅動。
4.根據(jù)權利要求1所述的頻率穩(wěn)定度和精度測試儀,其特征在于所說的低噪聲緩沖放大器(A1)或(A3)之前還有混頻器(F1)或(F3),當頻標(5MHz)信號連接于該混頻器(F1)或(F3)的中頻端(IF)和射頻端(RF),則從本振端(L0)即可獲得兩倍頻信號(10MHz)。
5.根據(jù)權利要求1所述的頻率穩(wěn)定度和精度測試儀,其特征在于所說的內(nèi)部時間測量計數(shù)器的單片微處理器也可通過RS-232串行接口將實時數(shù)據(jù)或結果送到其他微機系統(tǒng)進行計算或對結果進行判斷。
6.根據(jù)權利要求1所述的頻率穩(wěn)定度和精度測試儀,其特征在于所說的一路頻標為待測頻標,則另一路頻標則為參考頻標。
專利摘要一種周期法頻率穩(wěn)定度和精度測試儀,是采用直接數(shù)字頻率合成、混頻和單片機相結合的技術構成的,因此系統(tǒng)大為簡化,具有性能可靠、測試精度高、測試程序自動化、體積小、重量輕、成本低、操作方便等優(yōu)點,具有廣泛的使用價值。
文檔編號G01D21/00GK2420618SQ0021769
公開日2001年2月21日 申請日期2000年5月19日 優(yōu)先權日2000年5月19日
發(fā)明者林傳富, 蔡勇, 張仁煥 申請人:上海天文科技發(fā)展有限公司