专利名称：周期法频率稳定度和精度测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及频率稳定度和精度测量，特别是一种周期法频率稳定度和精度测试仪。
频率稳定度的测量技术是用来鉴别频率源的信号质量指标的一种重要技术，针对高精度的频率源，如原子频标，其短稳在10-13/τ(τ为取样时间)，它的频率稳定度的测量就显得比较困难。就目前，主要有频差倍增，相位比较，双混频时差等技术，但这些技术往往不是电路较复杂体积较大，就是精度不高，很难满足现在的频率稳定度的测量工作。
本实用新型的目的就是提供一种周期法频率稳定度和精度测试仪，使测量精度更高，更可靠，更经济。
本实用新型的目的是这样实现的一种周期法频率稳定度和精度测试仪，其特点在于它包括仪器箱，该仪器箱上有参考频标、待测频标和外频标输入口、综合器开关、电源开关、显示区和采样时间开关；一路频标10MHz信号经低噪声缓冲放大区(A1)由变压器浮地输出，再连接到9倍频器的输入端，得到90MHz信号，该信号一路送直接数字频率综合器(DDS)产生(10M+fb)Hz信号，接混频器(F2)的射频端RF)，另一路经放大器(A2)输入混频器(F2)的本振端(L0)，混频器(F2)的中频端输出，经100MHz带通滤波器和放大器(A5)的滤波和放大，得到(100M+fb)Hz信号，输入混频器(F4)的射频端(RF)；另一路频标10MHz信号经低噪声缓冲放大器(A3)放大由变压器浮地输出，经10倍频器得到100MHz信号，经放大器(A4)放大输入混频器(F4)的本振端(L0)；由混频器(F4)的中频端(IR)输出的信号，经低通滤波和直流放大获得fb Hz差拍信号，经超高速过零电压比较器整成非常陡峭前沿的方波送内部时间测量计数器；外频标10MHz方波输入计数器作频标；显示区采和七位高亮度数码管构成。所说的外频标输入口至内部时间测量计数器之间还有数字时延倍频器，它主要由高速开关管、单稳触发器、异或门、触发器构成；所说的显示区采用七位高亮度数码管构成，由两片集锁存、译码、驱动、扫描、时钟于一体的集成发光二极管显示驱动器来驱动；所说的低噪声缓冲放大器(A1)或(A3)之前还有混频器(F1)或(F3)，当频标(5MHz)信号连接于该混频器(F1)或(F3)的中频端(IF)和射频端(RF)，则从本振端(L0)即可获得两倍频信号(10MHz)；所说的内部时间测量计数器的单片微处理器也可通过RS-232串行接口将实时数据或结果送到其他微机系统进行计算或对结果进行判断；所说的一路频标为待测频标，则另一路频标则为参考频标。
本实用新型的优点是1、由于本实用新型采用了直接数字频率合成和混频相结合的技术，因此系统大为简化，本实用新型的体积仅为已有的普通测量装置的约1/10，重量轻。
2、测试精度高，稳定度的自校精度比国外仪器提高1个数量级，例如10毫秒的稳定度达7E-12，1000秒的稳定度为2E-15。
校频精度达1E-12。
3、仪器配置了良好的软件，测试过程自动化，也可以通过其他计算机进行遥控测试。
下面结合较佳实施例及其附图对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型实施例的仪器箱的主视图。
图2是本实用新型实施例的仪器箱的俯视图。
图3是本实用新型实施例的仪器箱的后视图。
图4是本实用新型实施例的电路框图。
图5是本实用新型实施例的数字倍频电路图。
图6是本实用新型实施例的测试流程图。
图中1-电源开关及指 2-显示区3-综合器开关4-采样时间开关5-电源输入端6-外频标输入端7-差拍信号输出端8-通讯备口9-通讯主口被测频标与参考频标，为了进行高精度的频率稳定度测量，我们将其倍增到100MHz上进行比对。为了得到差拍，又需将一路频标调偏，目前调偏主要有两种方式，一种为通过多级混频与分频的方式得到所需的拍频信号，这种方式往往电路较复杂以至成本较高，另一种则采用综合器来调偏，但这种系统的精度取决于综合器的好坏。这里我们采用了直接数字频率合成(DDS)和混频相结合的技术，使系统大为简化且保证了测试的高精度。
图1、图2、图3分别是本实用新型实施例，即周期法频率稳定度和精度测试仪的主视图，俯视图和后视图，而图4是参考频标和待测频标及外频标均是5兆赫兹(5MHz)的本实用新型测试仪的电路框图，它是将其中一路输入信号(5MHz)连接于混频器(F1)的中频端(IF)与射频端(RF)，通过这种混频器的变通使用便可于本振端(L0)得到无插损的两倍频信号(10MHz)。然后将该信号连接到一个低噪声缓冲放大器，该放大器主要由高速跟随器(A1)组成，该放大器的输出形式为变压器浮地输出，以防止被测信号源与本测试系统的地电位不同而引起10ms的稳定度失真。再将输出连接到9倍频器的输入端，这样得到90MHz信号。该信号一路送至DDS的时钟端(CLKIN)，经综合后产生10M+fbHz的信号，另一路输入到放大器(A2)，该放大器的作用起放大及隔离的作用(增益为15dB，反向隔离度为25dB)。然后再将这两路信号混频(综合器输出连接于混频器RF端，放大器输出接于混频器L0端)，这样便可于IF端得到90M±(10MHz+fb)Hz的信号，再经滤波和放大(带通滤波器的Q值为10，中心频率为100MHz。带通滤波器[filter]输出接于放大器A5，A5的作用为增益提升及输入与输出隔离作用)，这样便完成了一路频标的调偏与倍频。DDS部分采用美国模拟器件公司的AD9850芯片，其最高时钟频率可达125MHz，DDS的控制由一片CPU来完成，使得fb的大小可调。另一路则直接倍到100MHz。这样得到了两路信号后送入混频器F4，得相对频偏为fb，再经由低噪声运算放大器构成的简单的低通滤波与直流放大电路后得到两个频标的差拍信号fb。该信号再经超高速过零电压比较器整成非常陡峭前沿的方波，这样可使计数器触发误差降至最小(该比较器触发灵敏度为2mv)，同时也使差拍信号转换为TTL(晶体管晶体管逻辑)电平，由它去激励自带的时间测量计数器。
计数器部分主要由7位十进制同步计数器(74LS160)构成的分频链结合4位八上升沿D触发器(74LS374)组成一简单的10MHz计数器，前者起计数作用，后者则起锁存计数结果的作用，且其受控于一单片微处理器(89C52)，使计数操作可控。该计数器闸门部分由带预置和清除端的D触发器(74LS74)和单稳态触发器(74LS221)构成，前者起触发即计数闸门开启的作用，后者起调整脉宽的作用，它也接于89C52上。计数器时钟为10MHz，需将5MHz外标两倍频得到，此处采用简单的数字时延倍频法(电路如图5所示)，将5MHz外标经一由高速开关管(3DK7)整形后，由集电极(C)端送至一单稳触发器(74LS221)的A端(下降沿触发端)进行脉宽调整，其调整范围由Rcext(外部电阻端)和Cext(外部电容端)两端的电容C7与电位器W1决定(τ=0.7RC)，具体调整多少还要以最后输出的波形是否对称来决定，触发器输出(Q)一路直接送至一异或门(74LS86)的输入端，另一路经三个异或门和电容(C8)延时后送至该门的另一输入端，这样通过调整脉宽便可得到两倍于原信号的脉冲个数，输出再经一触发器整形，倍频便完成。显示部分采用七位高亮数码管构成，其由两片集锁存、译码、驱动、扫描、时钟于一体的集成LED显示驱动器件(MC14489)来驱动。内部CPU(单片微处理器89C52)除处理计算出实时稳定度并显示外，同时也可通过RS-232串行接口(8251与MAX232构成，有主备两口)将实时数据或结果送到微机系统，微机则可根据需要对数据进行实时采集计算或对结果进行判断。
本实施例的测量过程如下将被测的信号与参考信号接入测试仪前面板的‘fa’与‘fb’，外标5M信号接到后面板的‘外频标5MHz’6上。
信号接好后，通电，系统先进行初始化(软件详细流程如图6所示)，前面板显示区2的8位高亮数码管经显示初始化后即显示当前倍率，这一过程中单片机不停地扫描前面板采样时间开关4，若无键按下则显示‘no。。bL。。’，否则显示‘bL IS 01’(假设当前倍率为10ms)。综合器部分的单片机则先初始化DDS，然后扫描前面板综合器拨盘，根据拨盘值算出DDS的频率控制字，然后置各控制字到DDS内部寄存器，DDS随即根据控制字输出所需频率(10MHz+fb)。这一频率再与90MHz混频后，得到(100MHz+fb)的频率。它再与另一路被倍到100MHz的信号混频得到fb，该差拍信号经低通滤波、整形后变成方波，由它的上升沿去触发计数器，同时产生一开门中断送至单片机，单片机则根据采样时间值确定中断计数的个数，若采样时间为1、2或3，即测10ms、100ms或1s的稳定度，则单片机会放开关门控制，这样当下一个上升沿来时计数器将停止计数并将当前计得值锁存，同时产生一取数中断至单片机，单片机则中断取数(τ1)，同时取数计数器加1，如此直至取得101个数后单片机将这些数按公式σy(τ)≡10-8×1Tb212(m-1)Σi=1m-1(TI+1-T1)2]]>计算得到一稳定度并显示，(其中Ti+1-Ti=τi+1-τiN,]]>N为周期倍乘次数，此处为1，若采样时间为4、5或6，即测10s、100s或1000s的稳定度，则N相应为10、100或1000)。单片机在N不为1的情况下，会对开门中断进行计数，当中断数达到N值，即取样时间到，则单片机发出关门控制信号，计数器将停止计数并将当前计得值锁存，同时产生一取数中断至单片机，后面的过程与前面一样，这就是多周期测量技术。在测量过程中，正常工作显示数码管会随前面板闸门灯的闪烁显示计数值(7位)，待采得101个(1000s为21个)数据后，则计算出一个稳定度并显示‘01 3.6E11’，前一个数为采样计数值，后者即为稳定度(当前为3.6×10-11)，以后则一直显示该值直到下一组数据采集完毕。
计数采集途中若有键按下，即采样时间改变，则计数及数据处理会中断并重新开始另一时段(或倍率)的稳定度测试；后面板的‘差拍T’为测试仪的输出头，即差拍周期(1/fb)的输出，将该信号接到外部计数器则可用外部计数器进行测试；后面板的两个‘RS-232输出’为用于与计算机讯的主、备接口，当由微机发命令控制本测试仪时，则会产生单片机中断，单片机将接收到的命令解码，并判断，若为有效命令，则中断当前测试转而执行该命令，前面板采样时间开关也被封锁，即按任何键都不起作用，进入遥控状态。
测量计算方法一)、稳定度测量计算σy(τ)=fbfo·τΣi=1m-1(τi+1-τi)22(m-1)]]>式中，fb拍频频率fo比对频率，此处为100MHz，即1/fo=1100,000,000=1×10-8]]>m 取样个数τ 取样时间，τ=Nfb=NTb,]]>N为周期倍乘次数1．采用测定信号周期的方法，以信号上升沿开计数器闸门，开始计数。经时间τ后关计数器的闸门，停止计数。得到τ1计数频率为10MHz。
2．采集τ1、τ2、τ4、τ5、………τ101为一组，对于1000s则采集τ1、τ2、τ3……τ21为一组，即m=21。
3．计算间隔内的平均相对频差Ti+1-Ti=τi+1-τiN]]>注N为周期倍乘次数，为了测量不同时段的稳定度，对于10ms、100ms、1s、10s、100s、1000s，N分别为1、1、1、10、100、1000，fb分别为 4．计算稳定度σy(τ)≡10-8×1Tb212(m-1)Σi=1m-1(Ti+1-Ti)2]]>二)、频率精度计算(校频)1、假设 参考频标为标准5MHz信号待测频标为5MHz+Δf最终计数器计得值为τ2、由系统原理可得τ=[(100M+fb)-(100M+20Δf)]-1=(fb-20Δf)-1Δff=fb-1τ20f=τ-τbτbτ20f≡τ-τb20f]]>(其中τb=1fb]]>为拍频周期，即为系统自校时的计数值)由此我们便很易推得被测频标相对于参考频标的频偏(例如假设系统自校时测得τb=1.0034912s，被测频标接入时测得τ=1.0035762s，由此可得 本发明的优点本系统采用了差拍一周期测量技术，并结合最新的直接数字频率合成(DDS)、倍频及单片微机技术，使频率稳定度的测量不仅实现了测量的高精度，而且使结构简化、稳定性提高、操作方便、直观。另外利用本设备还可进行快速的高精度的频率校正工作。据考证，本测试仪的设计方法目前国内是独有的，其测量精度在国内也是最高的，并与国外相当。测量结果如下
a、稳定度自校精度(输入5MHz)τ稳定度σy(τ)10ms 7E-12100ms5E-131s 6E-1410s 8E-15100s 2E-151000s2E-15从国外进口仪器的自校精度提高1个数量级b、校频精度1E-12利用以上原理，研制了FME-3型周期法短稳测试仪(外观如图1、2、3所示)，其主要技术指标如下1)、输入5MHz 13dbm±1dbm(1V+0.2Vrms[均方根])/50Ω10MHz 7dbm±1dbm(0.5V±0.2Vrms)/50Ω外频标5MHz正弦波或方波最大频差(Δf/f)1E-9电源 220V±10％，50Hz 功耗 25W2)、输出100Hz、10Hz或1Hz方波 ±5Vpp(可送至标准时间间隔计数器)3)、接口RS-232接口主、备共两路带握手控制信号(RTS[请求送数]、CTS[批准送数]、DSR[数据设备准备好]、DTR[数据终端准备好])波特率 9600bps数据格式 8位数据位 1位停止位 1位偶校验位ASCⅡ码功能可控测试仪工作与停止状态 可进行采样时间选择可控发送计数器数据与计算的稳定度结果
4)、测量指标(带宽P=300Hz/10ms，30Hz/100ms，3Hz/1s、10s、100s、1000s输入5MHz)如下图所示
权利要求1.一种周期法频率稳定度和精度测试仪，其特征在于它包括(1)仪器箱，该仪器箱上有参考频标、待测频标和外频标输入口、综合器开关、电源开关、显示区和采样时间开关；(2)一路频标10MHz信号经低噪声缓冲放大区(A1)由变压器浮地输出，再连接到9倍频器的输入端，得到90MHz信号，该信号一路送直接数字频率综合器(DDS)产生(10M+fb)Hz信号，接混频器(F2)的射频端RF)，另一路经放大器(A2)输入混频器(F2)的本振端(L0)，混频器(F2)的中频端输出，经100MHz带通滤波器和放大器(A5)的滤波和放大，得到(100M+fb)Hz信号，输入混频器(F4)的射频端(RF)；(3)另一路频标10MHz信号经低噪声缓冲放大器(A3)放大由变压器浮地输出，经10倍频器得到100MHz信号，经放大器(A4)放大输入混频器(F4)的本振端(L0)；(4)由混频器(F4)的中频端(IR)输出的信号，经低通滤波和直流放大获得fb Hz差拍信号，经超高速过零电压比较器整成非常陡峭前沿的方波送内部时间测量计数器；(5)外频标10MHz方波输入计数器作频标；(6)显示区采和七位高亮度数码管构成。
2.根据权利要求1所述的频率稳定度和精度测试仪，其特征在于所说的外频标输入口至内部时间测量计数器之间还有数字时延倍频器，它主要由高速开关管、单稳触发器、异或门、触发器构成。
3.根据权利要求1所述的频率稳定度和精度测试仪，其特征在于所说的显示区采用七位高亮度数码管构成，由两片集锁存、译码、驱动、扫描、时钟于一体的集成发光二极管显示驱动器来驱动。
4.根据权利要求1所述的频率稳定度和精度测试仪，其特征在于所说的低噪声缓冲放大器(A1)或(A3)之前还有混频器(F1)或(F3)，当频标(5MHz)信号连接于该混频器(F1)或(F3)的中频端(IF)和射频端(RF)，则从本振端(L0)即可获得两倍频信号(10MHz)。
5.根据权利要求1所述的频率稳定度和精度测试仪，其特征在于所说的内部时间测量计数器的单片微处理器也可通过RS-232串行接口将实时数据或结果送到其他微机系统进行计算或对结果进行判断。
6.根据权利要求1所述的频率稳定度和精度测试仪，其特征在于所说的一路频标为待测频标，则另一路频标则为参考频标。
专利摘要一种周期法频率稳定度和精度测试仪,是采用直接数字频率合成、混频和单片机相结合的技术构成的,因此系统大为简化,具有性能可靠、测试精度高、测试程序自动化、体积小、重量轻、成本低、操作方便等优点,具有广泛的使用价值。
文档编号G01D21/00GK2420618SQ0021769
公开日2001年2月21日 申请日期2000年5月19日 优先权日2000年5月19日
发明者林传富, 蔡勇, 张仁焕 申请人:上海天文科技发展有限公司