【正文】 2）組成方框圖 全自動置換法微波計(jì)數(shù)器的方框圖如圖。 ?工作原理 主通道 ： fx與 fL的 N次諧波 NfL經(jīng)混頻器 A，由差頻放大器取出 fI=fxNfLfL由計(jì)數(shù)器直接計(jì)數(shù)。 輔助通道 ： 用于確定 N。 fL與標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器經(jīng)混頻器C得到差頻： fLF0，再經(jīng)過混頻器 D得到 NF0 ，它與 F0經(jīng) “ 與門 ” 后得到 N。 時(shí)基擴(kuò)展器 ：為得到 NfL的計(jì)數(shù)值，將 閘門時(shí)間擴(kuò)展 N倍 后對 fL計(jì)數(shù)。 fx的顯示 ： fx=NfL+fs， fs預(yù)置后與 NfL計(jì)數(shù)值顯示。 ?置換法特點(diǎn)：鎖相環(huán)路靈敏度高，分辨力較差。 頻率穩(wěn)定度測量和頻率比對 頻率穩(wěn)定度的表征 電子計(jì)數(shù)器基于 比較測量法原理 ，其時(shí)間、頻率的參考標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)部晶體振蕩器。 晶體振蕩器存在 老化與漂移 ，因此，需要進(jìn)行 定期校準(zhǔn) （微調(diào)）。校準(zhǔn)方法為將晶體振蕩器輸出作為被測信號，用上一級更準(zhǔn)確的頻率標(biāo)準(zhǔn)為參考，進(jìn)行測量 —— 稱為 “頻率計(jì)量” 。測量的主要內(nèi)容為 “頻率穩(wěn)定度” 。 1）頻率穩(wěn)定度 ◆頻率準(zhǔn)確度： 頻率源輸出的實(shí)際頻率值 fx對其標(biāo)稱值 f0的相對頻率偏差。即： 頻率源的頻率值由于受內(nèi)外因素的影響，總是在不斷地變化著，大體上可分為： (1)系統(tǒng)性的或確定性的變化（如老化） ； (2)非確定性的或隨機(jī)性變化（頻率隨機(jī)起伏） 。 因此，頻率準(zhǔn)確度只能表示當(dāng)前測量（取樣時(shí)間）的準(zhǔn)確度，它是時(shí)間 t的函數(shù)。 頻率準(zhǔn)確度隨時(shí)間的變化即為 頻率穩(wěn)定度 。 00, xf f f ff? ?? ? ? ?◆ 長期、短期穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度的描述引入時(shí)間概念，即在一定時(shí)間間隔內(nèi)的頻率穩(wěn)定度，則有 長期穩(wěn)定度與短期穩(wěn)定度 。 長期 —— 年、月、日；短期 —— 秒級。 2）長期頻率穩(wěn)定度的表征 長期穩(wěn)定度是指石英諧振器老化而引起的振蕩頻率在其平均值上的緩慢變化，即 頻率的老化漂移 。 高穩(wěn)定的石英振蕩器，經(jīng)過足夠時(shí)間的預(yù)熱后，其頻率的 老化漂移往往呈現(xiàn)良好的線性 (增加或減少 )。 圖中表示了實(shí)際頻率隨時(shí)間的變化，由圖可得頻率穩(wěn)定度 K： K表示了在 t1~t2時(shí)間內(nèi)的相對頻率漂移（即頻率準(zhǔn)確度的變化）。 2 0 1 0210 0 0 0 021f f f fff ffKf f f f f? ? ? ???? ??? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?◆ 日老化率 對石英振蕩器，通常用 一天內(nèi) 的頻率平均漂移作為長期穩(wěn)定度的表征 ，叫做 “ 日老化率 ” 。 日老化率的測量 顯然， 每天的 “ 日老化率 ” 會有所變化 ，利用最小二乘法擬合得到老化曲線 : 則其斜率 (估計(jì)值 )相對 f0比值即為日老化率。 ft?????0K f??3）短期頻率穩(wěn)定度的表征 ◆相對頻率起伏 根據(jù)頻率準(zhǔn)確度定義： 式中 fx由于噪聲引起寄生調(diào)頻、調(diào)相， fx應(yīng)為時(shí)間 t的函數(shù)， 頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度均為時(shí)間 t的函數(shù) 。 將頻率源輸出信號作為隨機(jī)過程，用下式表示： 式中，將幅度 A0視為恒定（不考慮幅度起伏變化）； f0為標(biāo)稱頻率； 為瞬時(shí)相位（起伏變化）?？杀硎緸椋? 相對頻率起伏為： 00 , xf f f ff??? ? ? ?00( ) s in [ 2 ( ) ]v t A f t t????()t?0( ) ( )( ) , , ( )2t d tf t f f f tdt????? ? ? ? ? ?00( )/ 2ftff??? ?– 阿侖方差 ：當(dāng)存在閃爍相位噪聲（低頻噪聲即 1/f噪聲）時(shí)，上述標(biāo)準(zhǔn)偏差將發(fā)散，采用 阿侖方差 。 – 阿侖方差 定義 為： 式中， fi’和 fi為 相鄰（ 無間隙 ）兩次測量值 ，并將其作為一組，共進(jìn)行 m組測量 得到 2m個(gè)數(shù)據(jù)。 – 阿侖方差的意義 ： 描述了相鄰兩次頻率值的起伏變化 。 1/f噪聲在相鄰兩次測量中無影響。 – 秒級穩(wěn)定度 的阿侖方差檢定規(guī)程： 取樣時(shí)間 1s，組數(shù) 100。 ? ? 21039。12miiiafffm? ???? 阿侖方差的測量 ◆ 測量方案 阿侖方差的測量，需要進(jìn)行相鄰兩次連續(xù)取樣。可用兩臺計(jì)數(shù)器交替工作實(shí)現(xiàn)。測量方案如下圖。 計(jì)數(shù)器（1 ）門控2B計(jì)數(shù)器（2 ）A 通道閘門時(shí)間晶振時(shí)標(biāo)B 通道門控 1AabK1abK21234? 工作原理 開關(guān) K K2接 a，即計(jì)數(shù)器工作在測頻方式，信號由 A通道輸入。第一個(gè)閘門時(shí)間內(nèi)主門 A開通，計(jì)數(shù)器 1工作，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)閘門時(shí)間結(jié)束時(shí)，主門 A關(guān)閉，計(jì)數(shù)器 1停止計(jì)數(shù)，而主門 B開通，計(jì)數(shù)器 2開始工作（即 計(jì)數(shù)器 2的開門信號為計(jì)數(shù)器 1的關(guān)門信號，可認(rèn)為無間隙 ），此時(shí) 由計(jì)數(shù)器 1即可測得 f1’；在下一個(gè)時(shí)基周期關(guān)閉計(jì)數(shù)器 2，此時(shí) 由計(jì)數(shù)器 2即可測得 f1。經(jīng)過若干個(gè)時(shí)基周期（顯示、復(fù)位，組間間隔時(shí)間）后繼續(xù)。 當(dāng)開關(guān) K K2接 b，計(jì)數(shù)器即工作在測周方式，信號由 B通道輸入。 其波形如下圖所示： 調(diào)制域測量 1）調(diào)制域測量 ◆時(shí)域與頻域分析的局限性： 時(shí)域分析可以了解信號波形（幅值）隨時(shí)間的直觀變化；頻域分析則可以了解信號中所含頻譜分量，但是，卻不能把握 各頻譜分量在何時(shí)出現(xiàn) 。 ◆調(diào)制域概念： 在通信等領(lǐng)域中，各種復(fù)雜的 調(diào)制信號 越來越多地被人們使用，因而， 了解信號頻率隨時(shí)間的變化，以便對調(diào)制信號等進(jìn)行有效分析， 即調(diào)制域分析。 調(diào)制域 指由頻率軸和時(shí)間軸共同構(gòu)成的平面域 。 時(shí)頻測量技術(shù) ◆ 調(diào)制域分析儀 能夠 完成調(diào)制域分析的測量儀器 稱為調(diào)制域分析儀。調(diào)制域測量技術(shù)是對時(shí)域和頻域測量技術(shù)的補(bǔ)充和完善。 圖描述了同一信號在時(shí)域（ VT）、頻域（ VF）、調(diào)制域（ FT）的特性。 2） 調(diào)制域測量的意義 調(diào)制域描繪出了頻率 、 時(shí)間間隔或相位等隨時(shí)間的變化曲線 。 方便地表達(dá)出頻域和時(shí)域中難以描述的信號參數(shù)和信號特性 。 為人們對復(fù)雜信號的測試和分析提供了方便直觀的方法 ， 解決了一些難以用傳統(tǒng)方法或不可能用傳統(tǒng)方法解決的難題 。 1）瞬時(shí)頻率測量原理 ◆瞬時(shí)頻率的概念 信號頻率隨時(shí)間的變化，將頻率量視為時(shí)間 t的連續(xù)函數(shù)，用 f(t)表示。它代表了 t時(shí)的 瞬時(shí)頻率 。 ◆平均頻率 由于測量的困難，瞬時(shí)頻率只是一種理論上的概念。所有測量都需要一定的采樣時(shí)間（閘門時(shí)間），測量結(jié)果則為該 采樣時(shí)間內(nèi)的平均頻率 。 ◆用平均頻率逼近瞬時(shí)頻率 在時(shí)間軸上以某個(gè)時(shí)刻 t0為起始點(diǎn)，連續(xù)地對被測信號進(jìn)行采樣，則： 時(shí)間趨于無限小時(shí)即可得到各時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)頻率值 如下圖 ， 采樣點(diǎn) A作為時(shí)間起始點(diǎn) t0， 則： 在采樣點(diǎn) B得到事件周期值 M1和時(shí)間標(biāo)記： 在采樣點(diǎn) C得到事件周期值 M2和時(shí)間標(biāo)記： B點(diǎn)的頻率為： C點(diǎn)的頻率為 如此連續(xù)不斷地測量下去就得到了 時(shí)頻曲線 。 1 1 0 0t N T t??2 2 0 1t N T t??tvA B C ……t0 t 1t211101 0 1MMfFN T N? ? ?2202MfFN??2）無間隙計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn) ◆無間隙計(jì)數(shù)器 通用計(jì)數(shù)器的頻率測量，其前后兩次閘門之間必然存在一段間隙時(shí)間（顯示、存儲、下一次測量準(zhǔn)備），使有用信息被丟失，導(dǎo)致時(shí)間軸上的不連續(xù)性。為此，就要使用 無間隙計(jì)數(shù)器方案 。 ◆實(shí)現(xiàn)原理 使用兩組計(jì)數(shù)器 交替工作，每一組都包括 時(shí)間計(jì)數(shù)器和 事件計(jì)數(shù)器 。一組計(jì)數(shù)器工作時(shí)，另一組進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示等工作。交替完成時(shí)間軸上無間隙的測量 。 事件信號門控信號正反同步信號M1M2時(shí)間信號N1N2計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)1t? 2t?讀、清零讀、清零讀、清零讀、清零 ?工作原理波形圖 ◆ 原理框圖 D觸發(fā)器C L KD可程控分頻器時(shí)基事件計(jì)數(shù)器M1事件計(jì)數(shù)器M2時(shí)間計(jì)數(shù)器N2時(shí)間計(jì)數(shù)器N1存儲器1讀寫控制電路1讀寫控制電路2存儲器2門控事件控制信號T03） 提高測量速度與分辨力的方法 ◆ 采用同步和內(nèi)插技術(shù)提高分辨力 兩組計(jì)數(shù)器采用雙計(jì)數(shù)器 (事件和時(shí)間計(jì)數(shù)器 )且閘門由輸入信號同步 ， 采用內(nèi)插技術(shù)進(jìn)一步提高分辨力 。 ◆ 最小采樣時(shí)間 兩組計(jì)數(shù)器交替計(jì)數(shù) ， 當(dāng)一組計(jì)數(shù)器在采樣計(jì)數(shù)時(shí) ，另一組基本計(jì)數(shù)器正在進(jìn)行內(nèi)插 、 讀數(shù) 、 清零等操作 ，因此最小采樣時(shí)間滿足下式： m inTT ? 內(nèi) 插 計(jì) 數(shù) 器 穩(wěn) 定 數(shù) 據(jù) 存 儲 計(jì) 數(shù) 器 清 零＋ T ＋ T ＋ T◆ 內(nèi)插時(shí)間 在使用模擬內(nèi)插法時(shí)，設(shè)開門和關(guān)門脈沖的最大寬度為 Tm(兩個(gè)零頭時(shí)間 )，放大倍數(shù)為 K，則內(nèi)插時(shí)間為：KTm。 為減小內(nèi)插時(shí)間，可 提高時(shí)基頻率 （如采用更高頻率的晶振）以減小 Tm的值。但時(shí)基頻率的提高將給器件的選擇和電路設(shè)計(jì)帶來困難。 減小內(nèi)插時(shí)間還可 減小 內(nèi)插系數(shù) K，但 K值太小測時(shí)分辨力降低，為適應(yīng)某些高測時(shí)分辨力要求，必須協(xié)調(diào)好采樣速度和高測時(shí)分辨力的矛盾。 ◆ 采用流水作業(yè)法提高測量速度 流水作業(yè)法：即用幾套相同的硬件順序、連貫地工作，從而提高整體的采樣速率。工作時(shí)序如下圖所示 。 當(dāng)采用 4套硬件時(shí)，整機(jī)工作速度將提高 4倍。 其 速度的提高以硬件的復(fù)雜性和成本的提高為代價(jià) 。 T Line21 Line11 Line31 Line41 Line11 4）調(diào)制域分析的應(yīng)用 ◆典型應(yīng)用 —— 調(diào)制參數(shù)的測試： 頻率調(diào)制是通信系統(tǒng)所用調(diào)制電路的基礎(chǔ)。通過調(diào)制域分析，可顯示調(diào)制波形，提供載波頻率、峰 峰值頻偏、調(diào)制率等關(guān)鍵參數(shù)。 5）發(fā)展動態(tài) 隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，調(diào)制域分析技術(shù)和儀器產(chǎn)品在高新技術(shù)領(lǐng)域 得到廣泛應(yīng)用并發(fā)揮重要作用 。國外從 80年代起 開始調(diào)制域分析儀研制。目前已有HP5372A、 HP5373A、 HP53310A及 VXI模塊 HP E1740A、HP E1725A等。 其先進(jìn) 的調(diào)制域分析儀達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)為： 直接測量頻率： 10Hz~500MHz。 測時(shí)分辨率： 200ps。 連續(xù)采樣速率： 10MHz。