短期频率稳定度的测量 ——基于频差倍增法的测量系统及其优化

论文摘要

现代科学技术的发展,对于这些频率源的频率稳定度要求越来越高,随着电子技术的迅速发展,雷达、导航、宇宙飞行、导弹以及空间探索工作的开展,需要有高精度高稳定度的频率源如频率合成器、石英晶体振荡器以及原子频标。频率稳定度是现代精密振荡器的重要特性之一,对于频率稳定度的测量,不仅可以确定振荡器性能的优劣,而且还推动了精密振荡器的研制和发展。近三十多年来,频率稳定度指标提高了7个量级,由10-8提高到10-15,甚至更高。频率稳定度的测量有许多方法,本课题采用的是频差倍增法,这是在频率稳定度时域测量领域里广泛应用的一种测量方法。该法是一种比较测量法,采用计数器作为测量显示器,实现取样方差的测量。可以使用通用计数器直接测量频率源信号频率,但是不能高精度的测量频标的频率准确度和稳定度,只能观测10-6至10-7量级的频标信号。为了提高测量精度,可采用“频差-倍增”,将被测信号和频差即不稳定值Δf经倍增器扩大,扩大后的信号再用计数器直接测频,同时利用计数器的闸门时间T来控制取样时间。由于频率源信号的稳定度特性的定义表征,测量技术以及数据处理等方面不统一,尤其在给出的频率源信号特性指标概念的混乱,使得同一测量对象由于测量方法不一样,表征不同,数据处理也不同,其结果也不同。我国在1976年2月和1977年12月分别通过了各类频标的频率稳定度的表征,明确规定采用阿仑方差作为频稳的时域表征量,对原子频标还建议采用相对频率起伏谱密度作为频稳的频域表征量本文对频率稳定度的测量系统进行了设计和实现,全文结构安排如下:1.概述本文的研究背景和课题来源,并简要介绍课题方案的选择和系统框图;2.介绍测量频率稳定度的理论基础,频率表征的两个方面:时域和频域;介绍常用的几种频率稳定度的测量方法及其优缺点;3.简要介绍系统的总体硬件实现方案,根据需要选择合适的芯片,对硬件电路设计进行详细的说明,并给出相应的硬件电路图,以及本系统中的主要芯片模块进行详细阐述,并给出模块的实现结构框图及后期对系统进行的优化;4.简要介绍后继对数据进行测量的软件部分;5.对全文及课题项目进行概括性总结,并明确下一步有待进行的工作和一些改善系统性能的建议;

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 频率稳定度特性表征的发展概况
• 1.3 频率稳定度的划分
• 1.4 课题方案选择及系统框图
• 1.5 本人承担的设计任务
• 第二章 频率稳定度问题的理论基础及其技术研究
• 2.1 频率稳定度问题的理论基础-振荡统计理论
• 2.1.1 随机噪声类型
• 2.1.2 振荡信号的幅度起伏
• 2.1.3 振荡信号的频率和相位起伏
• 2.2 测量方法的理论基础
• 2.3 频率稳定度的表征和定义
• 2.3.1 频率稳定度的定义
• 2.3.2 频率稳定度的表征
• 2.4 频率稳定度测量方法介绍
• 2.4.1 示波器法
• 2.4.2 差拍法
• 2.4.3 双混频法
• 2.4.4 频差倍增法
• 第三章 系统硬件部分设计及实现
• 3.1 频率稳定度测量系统的主要设计原则
• 3.2 硬件系统框图设计
• 3.2.1 频率发生器单元电路设计
• 3.2.2 第一倍频器单元电路设计
• 3.2.3 第二倍频器单元电路设计
• 3.2.4 低频混频器单元电路设计
• 3.2.5 系统原理图设计
• 3.2.6 系统PCB 设计
• 3.3 测量结果分析
• 3.3.1 系统自校测试及结果
• 3.3.2 噪声分析
• 3.3.3 测量误差分析
• 第四章 软件部分
• 第五章 总结
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间的研究成果