第4章_時(shí)間頻率測(cè)量3ppt課件

1、4.5 電子計(jì)數(shù)器的丈量誤差4.5.1 丈量誤差的來(lái)源1量化誤差；2觸發(fā)誤差；3規(guī)范頻率誤差4.5.2 頻率丈量的誤差分析1誤差表達(dá)式；2量化誤差的影響；3實(shí)例分析4.5.3 周期丈量的誤差分析1誤差表達(dá)式；2量化誤差的影響；3中界頻率； 4觸發(fā)誤差4.5.2 頻率丈量的誤差分析頻率丈量的誤差表達(dá)式：測(cè)周的誤差表達(dá)式中界頻率fmTxf011Txf0中界頻率fm確實(shí)定4.5.3 周期丈量的誤差分析1誤差表達(dá)式由測(cè)周的根本表達(dá)式： 根據(jù)誤差合成公式，可得： 式中， 和 分別為量化誤差和時(shí)標(biāo)周期誤差。 由 (Tc為晶振周期，k為倍頻或分頻比)， 有： 而計(jì)數(shù)值N為： 所以，Txf0Txf011Txf

2、04.5.3 周期丈量的誤差分析1誤差表達(dá)式由測(cè)周的根本表達(dá)式： 根據(jù)誤差合成公式，可得： 式中， 和 分別為量化誤差和時(shí)標(biāo)周期誤差。 由 (Tc為晶振周期，k為倍頻或分頻比)， 有： 而計(jì)數(shù)值N為： 所以，Txf0Txf011Txf04.5.3 周期丈量的誤差分析2量化誤差的影響由測(cè)周的誤差表達(dá)式：其中，第一項(xiàng)即為量化誤差。它表示Tx愈大被測(cè)信號(hào)的頻率愈低，那么量化誤差愈小，其意義為T(mén)x愈大那么計(jì)入的時(shí)標(biāo)周期數(shù)N愈大。另外，晶振的分頻系數(shù)k愈小，那么時(shí)標(biāo)周期愈小，在一樣的Tx內(nèi)計(jì)數(shù)值愈大。此外，第二項(xiàng)為規(guī)范頻率誤差，通常也要求小于丈量誤差的一個(gè)數(shù)量級(jí)，這時(shí)就可作為微小誤差不予思索。為減小量化

3、誤差，應(yīng)添加計(jì)數(shù)值N，但也需留意不可使其溢出。例如：一個(gè)6位的計(jì)數(shù)器，最大顯示為999999,當(dāng)用T0=1us的時(shí)標(biāo)丈量Tx=10s(fx=0.1Hz)時(shí),應(yīng)顯示“10000000us或“10.000000s,顯然溢出。Txf011Txf04.5.3 周期丈量的誤差分析3中界頻率測(cè)頻時(shí)，被測(cè)頻率fx愈低，那么量化誤差愈大； 測(cè)周時(shí)，被測(cè)頻率fx愈高，那么量化誤差愈大?？梢?jiàn)，在測(cè)頻與測(cè)周之間，存在一個(gè)中界頻率fm，使得測(cè)頻、測(cè)周誤差相等。當(dāng)fxfm時(shí)，應(yīng)采用測(cè)頻；當(dāng)fxF02 (T01T01，設(shè)經(jīng)過(guò)N1個(gè)計(jì)數(shù)值后,游標(biāo)脈沖與主脈沖重合(圖中符合點(diǎn)1)。此時(shí)： 即： 4.6.3 游標(biāo)法同樣，在關(guān)門(mén)

4、時(shí)(主時(shí)鐘計(jì)數(shù)停頓)啟動(dòng)游標(biāo)脈沖2開(kāi)場(chǎng)計(jì)數(shù)，由于T02T01，設(shè)經(jīng)過(guò)N2個(gè)計(jì)數(shù)值后，游標(biāo)脈沖與主脈沖重合(圖中符合點(diǎn)2)。此時(shí)，有：那么，被測(cè)時(shí)間間隔為：定義擴(kuò)展系數(shù)K， 那么游標(biāo)時(shí)鐘周期用K可表示為：而于是，被測(cè)時(shí)間間隔可寫(xiě)成：可見(jiàn)，數(shù)字游標(biāo)法將測(cè)時(shí)分辨力由T01提高到了T01/K。4.6.4 平均法1平均法原理硬件平均法丈量測(cè)頻：在根本頻率丈量中，取樣時(shí)間即閘門(mén)時(shí)間內(nèi)對(duì)N個(gè)周期脈沖進(jìn)展累加計(jì)數(shù)，實(shí)踐上已是對(duì)N個(gè)周期進(jìn)展了平均。 測(cè)周：多周期丈量即是硬件上的平均丈量。 硬件平均法的局限：?jiǎn)未握闪康臅r(shí)間有限；計(jì)數(shù)容量有限。軟件平均法 單次丈量測(cè)頻和測(cè)周總是存在量化誤差，這是一種隨機(jī)誤差,它在1

5、/N1/N范圍內(nèi)(誤差限1/N)均勻分布。 多次丈量取平均。利用隨機(jī)誤差的抵償性，可采取多次丈量取平均的方法，減小丈量誤差。 設(shè)延續(xù)進(jìn)展有限次n次丈量，計(jì)數(shù)值分別為N1、N2、Nn，其算術(shù)平均值為： 由于N1N2 Nn N，各次的量化誤差為：對(duì)各單次丈量的量化誤差采用均方根合成，根據(jù)算術(shù)平均值的性質(zhì)，其誤差將減小到單次丈量的即：4.6.4 平均法4.6.4 平均法2時(shí)基脈沖的隨機(jī)調(diào)相技術(shù) 軟件平均法依賴(lài)于各單次丈量的量化誤差的隨機(jī)性，即要求閘門(mén)開(kāi)啟/封鎖時(shí)辰和被測(cè)信號(hào)脈沖之間具有真正的隨機(jī)性。否那么，各單次丈量的量化誤差就不具有隨機(jī)誤差的抵償性。實(shí)現(xiàn)原理采用齊納二極管產(chǎn)生的噪聲對(duì)時(shí)基脈沖進(jìn)展隨

6、機(jī)相位調(diào)制，使時(shí)基脈沖具有隨機(jī)的相位抖動(dòng)。 原理圖以下圖是一個(gè)適用的丈量方案。4.6.4 平均法4.7 微波頻率丈量技術(shù)4.7.1 變頻法 1變頻法原理 2組成框圖4.7.2 置換法 1置換法原理 2組成框圖4.7 微波頻率丈量技術(shù)通用電子計(jì)數(shù)器受內(nèi)部計(jì)數(shù)器等電路的任務(wù)速度的限制，對(duì)輸入信號(hào)直接計(jì)數(shù)存在最高計(jì)數(shù)頻率的限制。中速計(jì)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(hào)進(jìn)展分頻后，再由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。對(duì)于幾十GHz的微波計(jì)數(shù)器，主要采用變頻法和置換法將輸入微波頻率信號(hào)變換成可直接計(jì)數(shù)的中頻。4.7.1 變頻法1變頻法原理變頻法或稱(chēng)外差法是將被測(cè)微波信號(hào)經(jīng)差頻變換成頻率較低的中頻信號(hào)，再

7、由電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。變頻法的原理框圖如下。 電子計(jì)數(shù)器主機(jī)內(nèi)送出的規(guī)范頻率fs，經(jīng)過(guò)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(cè)信號(hào)fx混頻出差頻fI。假設(shè)由電子計(jì)數(shù)器測(cè)出fI，那么被測(cè)頻率fx為 ：為順應(yīng)fx的變化，諧波濾波器應(yīng)可以選出適宜的諧波分量Nfs?；祛l器差頻放大器電子計(jì)數(shù)器諧波濾波器諧波發(fā)生器輸入fxfIfs4.7.1 變頻法4.7.1 變頻法2組成框圖自動(dòng)變頻式微波計(jì)數(shù)器的原理方框圖如以下圖所示。 混頻器差頻放大器電子計(jì)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fxfI 輸入fs 輸出Nfs掃描捕獲電路檢波器fI fx-Nfs4.7.1

8、變頻法任務(wù)原理諧波發(fā)生器：輸入為計(jì)數(shù)器規(guī)范頻率信號(hào)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單晶鐵氧體資料電調(diào)諧濾波器，其諧振頻率可在很寬范圍實(shí)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(chǎng)，使YIG的諧振頻率從低到高步進(jìn)式地改動(dòng)，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(cè)頻率fx的差頻fIfxNfs落在差頻放大器的帶寬1101MHz范圍內(nèi)時(shí)， fI經(jīng)放大、檢波后輸出不斷流電壓，使掃描捕獲電路停頓掃描，因此YIG固定地調(diào)諧在N次諧波上。 4.7.1 變頻法微波計(jì)數(shù)器的顯示當(dāng)YIG調(diào)諧勝利選擇的諧波分量Nf

9、s被確定后，控制電路直接將Nfs在高位上顯示。而fI=fx-Nfs那么由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并顯示在Nfs位之后。這樣，便得到fx=Nfs+fI。例如：假設(shè)fx=1234.567890MHz，規(guī)范頻率fs=100MHz。那么YIG應(yīng)調(diào)諧在N=12次諧波上，即Nfs=1200MHz，高位直接顯示“12。計(jì)數(shù)器再對(duì)差頻信號(hào)fI=fx -Nfs=34 .567890MHz計(jì)數(shù)，最后顯示為“12 34.567890MHz。變頻法特點(diǎn)：諧波Nfs幅度低，靈敏度低，但分辨力高。4.7.2 置換法1置換法原理利用一個(gè)頻率較低的置換振蕩器的N次諧波，與被測(cè)微波頻率fx進(jìn)展分頻式鎖相，從而把fx轉(zhuǎn)換到較低的頻率fL通常為

10、100MHz以下。原理框圖如下：當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，有： 式中，fs為知的規(guī)范頻率，計(jì)數(shù)器直接對(duì)fL計(jì)數(shù)，但為得到fx，還需確定N值?；祛l器壓控振蕩器電子計(jì)數(shù)器鑒相器fx-NfLfsfLNfL4.7.2 置換法2組成方框圖全自動(dòng)置換法微波計(jì)數(shù)器的方框圖如以下圖所示。 4.7.2 置換法任務(wù)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=fx-NfL，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)：fI=fx-NfL=fs。即有：fx=NfL+fs。fL由計(jì)數(shù)器直接計(jì)數(shù)。輔助通道：用于確定N。fL與規(guī)范頻率發(fā)生器(F0=1kHz)經(jīng)混頻器C得到差頻：fL-F0，其N(xiāo)次諧波與fx經(jīng)混頻器B，由差頻放大器取出fI=

11、fx-N(fL- F0)=fs-NF0。再經(jīng)過(guò)混頻器D得到NF0 ，它與F0經(jīng)“與門(mén)后得到N。時(shí)基擴(kuò)展器：為得到NfL的計(jì)數(shù)值，將閘門(mén)時(shí)間擴(kuò)展N倍后對(duì)fL計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值相當(dāng)于原閘門(mén)內(nèi)對(duì)NfL計(jì)數(shù)。fx的顯示： 由fx=NfL+fs，將fs預(yù)置后與NfL計(jì)數(shù)值顯示。置換法特點(diǎn)：鎖相環(huán)路增益高，靈敏度高，分辨力較差。4.8 頻率穩(wěn)定度丈量和頻率比對(duì)4.8.1 頻率穩(wěn)定度的表征 1頻率穩(wěn)定度 2長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度的表征 3短期頻率穩(wěn)定度的表征4.8.2 阿侖方差的丈量4.8.1 頻率穩(wěn)定度的表征電子計(jì)數(shù)器基于比較丈量法原理，其時(shí)間、頻率的參考規(guī)范為內(nèi)部晶體振蕩器。晶體振蕩器存在老化與漂移，因此，需求進(jìn)展

12、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(cè)信號(hào)，用上一級(jí)更準(zhǔn)確的頻率規(guī)范為參考，進(jìn)展丈量稱(chēng)為“頻率計(jì)量。丈量的主要內(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)踐頻率值fx對(duì)其標(biāo)稱(chēng)值f0的相對(duì)頻率偏向。即：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)外要素的影響，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)性的變化頻率隨機(jī)起伏。因此，頻率準(zhǔn)確度只能表示當(dāng)前丈量取樣時(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。它表征頻率源維持其任務(wù)于恒定頻率上的才干。長(zhǎng)期、短期穩(wěn)定度對(duì)頻率穩(wěn)定度的描畫(huà)引入時(shí)間概念，即在一

13、定時(shí)間間隔內(nèi)的頻率穩(wěn)定度，那么有長(zhǎng)期穩(wěn)定度與短期穩(wěn)定度。長(zhǎng)期年、月、日；短期秒級(jí)。4.8.1 頻率穩(wěn)定度的表征2長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度的表征長(zhǎng)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(guò)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(添加或減少)。如以下圖。圖中表示了實(shí)踐頻率隨時(shí)間的變化，由圖可得頻率穩(wěn)定度K：K表示了在t1t2時(shí)間內(nèi)的相對(duì)頻率漂移即頻率準(zhǔn)確度的變化。4.8.1 頻率穩(wěn)定度的表征日老化率對(duì)石英振蕩器，通常用一天內(nèi)的頻率平均漂移作為長(zhǎng)期穩(wěn)定度的表征，叫做“日老化率。上圖中的時(shí)間取為一天日老化率的丈量 顯然，每天的“

14、日老化率會(huì)有所變化，實(shí)踐中延續(xù)測(cè)一周或一個(gè)月。設(shè)每天測(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)，共測(cè)n天，得f1,f2, fi,fn, 利用最小二乘法擬合得到老化曲線:那么其斜率 (估計(jì)值)相對(duì)f0比值即為日老化率以下圖a。4.8.1 頻率穩(wěn)定度的表征由最小二乘法公式，可求得：式中，日動(dòng)搖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(jī)起伏，如圖b所示。日動(dòng)搖綜合表征了老化漂移和隨機(jī)起伏。日動(dòng)搖定義日動(dòng)搖是指頻率源經(jīng)規(guī)定時(shí)間的預(yù)熱以后在24小時(shí)內(nèi)最大相對(duì)頻率變化。日動(dòng)搖的丈量根據(jù)檢定規(guī)程，丈量日動(dòng)搖時(shí)可每隔1小時(shí)丈量一個(gè)數(shù)據(jù)(每次丈量的取樣時(shí)間T=10s),延續(xù)測(cè)24小時(shí)，共得25個(gè)數(shù)據(jù)，取出fmax和fmin，用下式計(jì)算。

15、 4.8.1 頻率穩(wěn)定度的表征4.8.1 頻率穩(wěn)定度的表征3短期頻率穩(wěn)定度的表征相對(duì)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)，那么頻率準(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(hào)作為隨機(jī)過(guò)程，用下式表示：式中，將幅度A0視為恒定不思索幅度起伏變化； f0為標(biāo)稱(chēng)頻率； 為瞬時(shí)相位起伏變化。那么瞬時(shí)頻率可表示為：相對(duì)頻率起伏為：4.8.1 頻率穩(wěn)定度的表征時(shí)域與頻域的表征1時(shí)域表征：相對(duì)頻率起伏 為隨機(jī)變量，因此可用其取樣方差來(lái)表示。規(guī)范偏向：由于 即，相對(duì)頻率起伏的規(guī)范偏向等于f(t)的規(guī)范偏向。對(duì)f(t)作有限次n次丈量，得到f1、f2、fn，用貝塞爾公式計(jì)算其估計(jì)值。平均值為：留意：各次丈量值f1、f2、fn為取樣時(shí)間閘門(mén)時(shí)間內(nèi)的平均。 的意義： f1、f2、fn圍繞 的起伏變化。4.8.1 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(shí)，上述規(guī)范偏向?qū)l(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(wú)間隙兩次丈量值，并將其作為一組，共進(jìn)展m組丈量得到2m個(gè)數(shù)