【正文】 ）組成框圖 電子測量原理 第 84頁 微波頻率測量技術(shù) 通用電子計數(shù)器 受內(nèi)部計數(shù)器等電路的工作速度的限制，對輸入信號直接計數(shù)存在 最高計數(shù)頻率的限制 。 中速計數(shù)器采用 “ 預(yù)定標(biāo)器 ” （由 ECL電路構(gòu)成的分頻器），將輸入信號進(jìn)行分頻后，再由計數(shù)器計數(shù)。 對于 幾十 GHz的微波計數(shù)器 ，主要采用 變頻法和置換法將輸入微波頻率信號變換成可直接計數(shù)的中頻。 變頻法 1）變頻法原理 變頻法（或稱外差法）是將被測微波信號經(jīng) 差頻變換 成頻率較低的中頻信號，再由電子計數(shù)器計數(shù)。 ◆變頻法的原理框圖如下。 電子測量原理 第 85頁 電子計數(shù)器主機內(nèi)送出的標(biāo)準(zhǔn)頻率 fs，經(jīng)過諧波發(fā)生器產(chǎn)生高次諧波，再由諧波濾波器選出所需的諧波分量 Nfs，它與被測信號 fx混頻出差頻 fI。 若由電子計數(shù)器測出 fI，則被測頻率 fx為 ： 為適應(yīng) fx的變化，諧波濾波器應(yīng)能夠選出合適的諧波分量 Nfs。 x s If N f f??混頻器 差頻放大器 電子計數(shù)器 諧波濾波器 諧波發(fā)生器 輸入 fx fI fs 變頻法 電子測量原理 第 86頁 變頻法 2）組成框圖 自動變頻式微波計數(shù)器的原理方框圖如下圖所示。 混頻器 差頻放大器 電子計數(shù)器 諧波濾波器 （ YIG電調(diào)濾波器 ） 諧波發(fā)生器 （ 階躍恢復(fù)二極管 ） 輸入 fx fI 輸入 fs 輸出 Nfs 掃描捕獲電路 檢波器 fI （ ＝ fxNfs） 電子測量原理 第 87頁 變頻法 ? 工作原理 ? 諧波發(fā)生器 ：輸入為計數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)頻率信號 fs。采用階躍恢復(fù)二極管，以產(chǎn)生豐富的諧波 Nfs。 ? 諧波濾波器 ： 采用 YIG（單晶鐵氧體材料）電調(diào)諧濾波器，其諧振頻率可在很寬范圍實現(xiàn)電調(diào)。 ? 掃描捕獲電路 ：產(chǎn)生階梯波電流，控制 YIG的外加磁場，使 YIG的 諧振頻率從低到高步進(jìn)式地改變 ，從而可逐次選出不同的各次諧波。 ? 差頻放大器、檢波器 ：當(dāng)諧波濾波器輸出的某次諧波Nfs與待測頻率 fx的差頻 fI（＝ fx－ Nfs）落在差頻放大器的帶寬（ 1～ 101MHz）范圍內(nèi)時， fI經(jīng)放大、檢波后輸出一直流電壓，使掃描捕獲電路停止掃描，因而YIG固定地調(diào)諧在 N次諧波上 。 電子測量原理 第 88頁 變頻法 ? 微波計數(shù)器的顯示 ? 當(dāng) YIG調(diào)諧成功（選擇的諧波分量 Nfs被確定）后，控制電路 直接將 Nfs在高位上顯示 。 ? 而 fI=fxNfs則由計數(shù)器計數(shù)并顯示在 Nfs位之后。 這樣，便得到 fx=Nfs+fI。 ? 例如：若 fx=，標(biāo)準(zhǔn)頻率 fs=100MHz。 則 YIG應(yīng)調(diào)諧在 N=12次諧波上，即 Nfs=1200MHz，高位直接顯示 “ 12”。 計數(shù)器再對差頻信號 fI=fx Nfs=34 .567890MHz計數(shù)， 最后顯示為“ 12 ”MHz。 ? 變頻法特點： 諧波 Nfs幅度低， 靈敏度低，但分辨力高 。 電子測量原理 第 89頁 置換法 1）置換法原理 利用一個頻率較低的置換振蕩器的 N次諧波，與被測微波頻率fx進(jìn)行分頻式鎖相，從而把 fx轉(zhuǎn)換到較低的頻率 fL（通常為 100MHz以下）。 原理框圖如下： 當(dāng)環(huán)路鎖定時，有： 式中， fs為已知的標(biāo)準(zhǔn)頻率，計數(shù)器直接對 fL計數(shù)，但為得到fx，還需 確定 N值 。 混頻器 壓控振蕩器 電子計數(shù)器 鑒相器 fxNfL fs fL NfL x L sf N f f??電子測量原理 第 90頁 置換法 2）組成方框圖 全自動置換法微波計數(shù)器的方框圖如下圖所示。 電子測量原理 第 91頁 置換法 ? 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=fxNfL，當(dāng)環(huán)路鎖定時： fI=fxNfL=fs。即有：fx=NfL+fs。 fL由計數(shù)器直接計數(shù)。 ? 輔助通道 ： 用于確定 N。 fL與標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器 (F0=1kHz)經(jīng)混頻器 C得到差頻： fLF0，其 N次諧波與 fx經(jīng)混頻器B，由差頻放大器取出 f’I=fxN(fL F0)=fsNF0。再經(jīng)過混頻器 D得到 NF0 ，它與 F0經(jīng)“與門”后得到 N。 ? 時基擴(kuò)展器 ：為得到 NfL的計數(shù)值，將 閘門時間擴(kuò)展 N倍 后對 fL計數(shù)，其計數(shù)值相當(dāng)于原閘門內(nèi)對 NfL計數(shù)。 ? fx的顯示 ： 由 fx=NfL+fs，將 fs預(yù)置后與 NfL計數(shù)值顯示。 ? 置換法特點 ：鎖相環(huán)路增益高，靈敏度高，分辨力較差。 電子測量原理 第 92頁 頻率穩(wěn)定度測量和頻率比對 頻率穩(wěn)定度的表征 1）頻率穩(wěn)定度 2）長期頻率穩(wěn)定度的表征 3）短期頻率穩(wěn)定度的表征 阿侖方差的測量 電子測量原理 第 93頁 頻率穩(wěn)定度的表征 電子計數(shù)器基于 比較測量法原理 ，其時間、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 頻率源輸出的實際頻率值 fx對其標(biāo)稱值 f0的相對頻率偏差。 即： 00, xf f f ff? ?? ? ? ?電子測量原理 第 94頁 1）頻率穩(wěn)定度 ? 頻率穩(wěn)定度概念 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)非確定性的或隨機性的變化（頻率隨機起伏） 。 因此，頻率準(zhǔn)確度只能表示當(dāng)前測量（取樣時間）的準(zhǔn)確度，它是時間 t的函數(shù)。 頻率準(zhǔn)確度隨時間的變化即為 頻率穩(wěn)定度 。它表征頻率源維持其工作于恒定頻率上的能力。 ◆ 長期、短期穩(wěn)定度 對頻率穩(wěn)定度的描述引入時間概念，即在一定時間間隔內(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。 電子測量原理 第 95頁 頻率穩(wěn)定度的表征 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 。 多數(shù)高穩(wěn)定的石英振蕩器，經(jīng)過足夠時間的預(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 )。如下圖。 圖中表示了實際頻率 隨時間的變化，由圖 可得頻率穩(wěn)定度 K： K表示了在 t1~t2時間內(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 ffK f f f f f? ? ? ???? ??? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?電子測量原理 第 96頁 頻率穩(wěn)定度的表征 ◆ 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 ” 。（上圖中的時間取為一天） ? 日老化率的測量 顯然， 每天的 “ 日老化率 ” 會有所變化 ，實際中連續(xù)測一周或一個月。設(shè)每天測一個數(shù)據(jù)，共測 n天，得f1,f2,… , fi,… fn, 利用最小二乘法擬合得到老化曲線 : 則其斜率 (估計值 )相對 f0比值即為日老化率（下圖 a）。 ft?????0K f??電子測量原理 第 97頁 頻率穩(wěn)定度的表征 由最小二乘法公式，可求得： 式中， ? 日波動 晶體振蕩器除老化 漂移外，一天內(nèi)還 將產(chǎn)生 頻率的隨機 起伏 ， 如圖（ b） 所 示。 日波動 綜合表 征了老化漂移和隨機起伏 。 121( ) ( )?()niiiniif f t ttt? ???????? ? ?111 1 1, 1 2 .. .nniiiif f t t nn n n??? ? ? ? ? ???f1f21天tf210ffKf??fminfmax1天tfm a x m in0ffSf??a圖 b圖電子測量原理 第 98頁 ? 日波動定義 日波動 是指頻率源（經(jīng)規(guī)定時間的預(yù)熱以后） 在 24小時內(nèi)最大相對頻率變化 。 ? 日波動的測量 根據(jù)檢定規(guī)程，測量日波動時可每隔 1小時測量一個數(shù)據(jù)(每次測量的取樣時間 T=10s),連續(xù)測 24小時，共得 25個數(shù)據(jù)，取出 fmax和 fmin，用下式計算。 m ax m i n0ffSf?? 頻率穩(wěn)定度的表征 電子測量原理 第 99頁 頻率穩(wěn)定度的表征 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)為時間 t的函數(shù)，則 頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度均為時間 t的函數(shù) 。 將頻率源輸出信號作為隨機過程，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； 為瞬時相位（起伏變化）。 則瞬時頻率可表示為： 相對頻率起伏為： 00, xf f f ff? ?? ? ? ?00( ) s i n [ 2 ( ) ]v t A f t t????()t?0( ) ( )( ) , , ( )2t d tf t f f f tdt????? ? ? ? ? ?00( )/ 2ftff??? ?電子測量原理 第 100頁 頻率穩(wěn)定度的表征 ? 時域與頻域的表征 （ 1）時域表征：相對頻率起伏 為隨機變量，因此可用其 取樣方差 來表示。 ? 標(biāo)準(zhǔn)偏差：由于 即， 相對頻率起伏的標(biāo)準(zhǔn)偏差等于 f(t)的標(biāo)準(zhǔn)偏差 。 對 f(t)作有限次（ n次）測量，得到 f f … 、 fn，用貝塞爾公式計算其估計值。 平均值為： 注意 ： 各次測量值 f f … 、 fn為取樣時間（閘門時間）內(nèi)的平均。 的意義 ： f f … 、 fn圍繞 的起伏變化。 00( )/ 2ftff??? ?000() [ ( ) ]f t ff ftff? ? ?? ? ? ??? ??? ? ? ?? ? ? ?2210011niif n fff f n????????? ????11 niiffn ?? ?? f電子測量原理 第 101頁 頻率穩(wěn)定度的表征 ? 阿侖方差：當(dāng)存在閃爍相位噪聲（低頻噪聲即 1/f噪聲）時，上述標(biāo)準(zhǔn)偏差將發(fā)散，為此，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：取樣時間 1s，組數(shù)100。 ? ? 21039。12miiiafffm?????電子測量原理 第 102頁 頻率穩(wěn)定度的表征 （ 2）頻域表征 ? 阿侖方差的局限性：阿侖方差能 較好地描述秒級頻率穩(wěn)定度 。但對于 更短時間（如 10ms以內(nèi)） 的短期頻率穩(wěn)定度，由于測量上的困難就失去了意義。 ? 令： y(t)即為時域中的相對頻率起伏隨機變量。 對 y(t)作付氏變換，得到其譜函數(shù) Y(f)： 在 Y(f)基礎(chǔ)上，即可得到 y(t)的功率譜密度、自相關(guān)函數(shù)等，并由此得到方差（維納 欣欽定理）。 00( )/ 2() ftytff?????20( ) ( )j ftY f y t e d t?? ?? ?電子測量原理 第 103頁 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?？?用兩臺計數(shù)器交替工作實現(xiàn)。 測量方案如下圖。 計數(shù)器（1）門控2B計數(shù)器（2）A通 道閘門時間晶振時標(biāo)B通 道門控 1AabK1