CN102435842A - 双模式频标比对与频率稳定度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明是双模式频标比对与频率稳定度测量装置，主要由频差倍增、差拍、直接数字频率合成器、1PPS处理及嵌入式频标比对与测量模块组成，当采用频差倍增法时，通过选择倍频次数，对多标准频点的频标源进行时域稳定度比对；当采用差拍法时，参考标准频率源通过直接数字频率合成器，再与输入

频率范围内的任意频点进行差拍及滤波整形处理，完成时域频率稳定度测量；还带有1PPS处理模块，输出1PPS信号，或实现对1PPS输入信号的同步；频标比对与测量由嵌入式完成，可与PC机互连，由微型计算机实现数据处理与测试。本发明测量精度高，可满足对高精度频标源的比对测量，适合于对普通晶体谐振器、有源晶体振荡器频率稳定度指标的测量。

Description

双模式频标比对与频率稳定度测量装置

技术领域

本发明属于高精度频率源的比对与测试技术领域，具体涉及到一种双模式频标比对频率稳定度测量装置。

背景技术

时间频率源广泛应用于国民经济各部门中，例如在通信设备中，大都采用频率准确度和稳定度比较高的晶体振荡器，作为设备中频率合成器的参考源。它们的短期频率稳定度可在                                               

的范围，曰漂移在

范围。同时随着时间的推移，石英晶体振荡器具有的老化特性，会使其频率准确度逐渐变差，从而影响到通信设备的性能指标，甚至通信设备的可靠工作。又如原子频标，其频率稳定度指标更高，它的频率稳定度指标的测量就显得非常重要。

伴随高精时间频率标准源产品研制、生产、维护过程中时刻，需要定期对时间频率标准源进行测量和校准，这也是用来鉴别高精时间频率标准源质量指标的一种重要技术，成为需要迫切解决的问题，也对时间频率标准的统一测量和校准提出了更高的要求。因此，必须研制相应的频率比对与测量系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种双模式频标比对与频率稳定度测量装置，该装置能够实现频差倍增法和差拍法两种模式测量高精度频标和晶体谐振器及晶体振荡源的时域频率稳定度。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的双模式频标比对与频率稳定度测量装置，其采用铷原子钟及高精度恒温晶体振荡器作输入参考频率标准，主要由频差倍增、差拍、直接数字频率合成器、1PPS处理及嵌入式频标比对与测量模块组成，当采用频差倍增法时，通过选择倍频次数，对多标准频点的频标源进行时域稳定度比对；当采用差拍法时，参考标准频率源通过直接数字频率合成器，再与输入

频率范围内的任意频点进行差拍及滤波整形处理，完成时域频率稳定度测量；还带有1PPS处理模块，输出1PPS信号，或实现对1PPS输入信号的同步；频标比对与测量由嵌入式完成，还可与PC机互连，由微型计算机实现数据处理与测试。 

所述频差倍增法，通过选择倍频次数，可以对、

、

、

及

多标准频点的频标进行时域稳定度比对测量。

所述频差倍增法，可以由倍频、混频及放大电路组成，其中：倍频与放大由双栅场效应管完成，选频回路采用双调谐，其倍频次数采用

、

、

及

，由环形混频器完成混频。

所述频差倍增法，频差倍增后的被测信号与高精度频标混频后，经低通滤波及整形后的数据由嵌入式处理，完成频差倍增比对测量。

所述差拍法可以对所采用的高精度参考频标源先经倍频器倍频后，再通过由CPLD设计的直接数字频率合成电路，将其变换为

范围内连续可调的输出信号，并由窄带跟踪选频放大电路滤除谐波及杂散分量后，再与被测晶振源进行差拍，而待测

频率范围内的信号则经

分频后差拍，经低通滤波及整形后的数据由嵌入式处理，完成差拍测量。

所述1PPS处理由CPLD设计，可将高精度参考频标信号转换为1PPS信号输出，也可对外输入1PPS信号对高精度参考频标信号进行1PPS同步处理。

所述输入待测信号通过嵌入式系统捕获中断功能，捕获信号的跳变沿，从而测得误差频率；通过其定时中断功能，实现定时采集数据，采样时间可以设定，实现信号的长短稳测量。

所述嵌入式系统采用阿伦方差和哈达玛方差的统计算法，实现频率长、短稳的比对测量，采用软件数字滤波处理方法，提高测量精度。

所述上位机测量功能，通过嵌入式系统与微机的通信，将嵌入式系统采集的数据上传给PC机处理，图形化显示出所采集的实时频率值、频率不稳定度的统计值，并方便网络传输与远程监控与处理。

本发明提供的上述的双模式频标比对频率稳定度测量装置，其用于频标比对频率稳定度测量仪器与设备的设计中，或者用于改造现有频标比对与频率稳定度测量仪器。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.频率倍增模块由

、

、

倍频单元组成，可构成

、

、

及

，或、

等倍频次数，可对

、

、

、

及

等多标准频点的铷频标及高稳晶振进行时域频率稳定度比对测量。

2.频率倍增电路由低噪声双栅场效应管组成，采用双调谐倍频电路，使其处于最佳的谐振状态，矩形系数理想。显著的消除谐波分量。且具有自动增益控制功能，使倍频电路输出幅度稳定。倍增模块中的混频电路全部由二极管双平衡混频器组成，它们输出的杂散成分更小，具有优良的混频特性。

3.所有频率倍增模块的倍频系数及待测频率标准的选择采用嵌入式数控方式，具有转换方便的特点。且具有1PPS处理模块，方便外频标的同步输入及内频标对外频标的同步。

4.自带晶体振荡器电路，机内或外接高稳频标源采用直接数字频率合成和混频相结合的技术，经直接数字频率合成器合成以后，可对

频率范围内的任意晶体谐振器、有源晶振进行差拍比对测量。

5.可通过接口电路与微型计算机互联，进行波段和频率的设置，并可监测中频输出的大小，良好的上位机软件，可实现测试过程的自动化，且方便网络互联和无人值守。

总之，本发明适用面广，测量精度高，测量系统即可满足对高精度频标源的比对测量，也适合于对普通晶体谐振器、有源晶体振荡器频率稳定度指标的测量。

附图说明

图1是双模式频标比对与频率稳定度测量装置总体简化框图。

图2是频差倍增法原理组成结构框图。

图3是频差倍增前端倍频与10MHz倍频电路原理结构框图

图4是差拍法原理组成结构图框图。

图5是系统软件的主流程图。

图6是定时器B的程序流程图。

图7是键盘中断函数流程图。

图8是串口中断函数流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。 

具体实施方式

本发明提供的双模式频标比对与频率稳定度测量装置，采用铷原子钟及高精度恒温晶体振荡器作输入参考频率标准，主要由频差倍增、差拍、直接数字频率合成器、1PPS处理及嵌入式频标比对与测量模块组成，当采用频差倍增法时，通过选择倍频次数，对多标准频点的频标源进行时域稳定度比对；当采用差拍法时，参考标准频率源通过直接数字频率合成器，再与输入

频率范围内的任意频点进行差拍及滤波整形处理，完成时域频率稳定度测量；还带有1PPS处理模块，输出1PPS信号，或实现对1PPS输入信号的同步；频标比对与测量由嵌入式完成，还可与PC机互连，由微型计算机实现数据处理与测试。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不限定本发明。

本发明提供的双模式频标比对与频率稳定度测量装置，其结构如图1所示：主要由频标选择，频率倍增模块，混频、低通滤波与整形模块，嵌入式频率比对与测量模块组成。由对参考频标的

倍频器，直接数字频率合成器，差拍模块，混频、低通滤波与整形模块，嵌入式频率比对与测量模块等组成差拍法频率稳定度测量装置。此外，还有1PPS处理模块，实现外频标的同步输入及内频标对外频标的同步。

通过嵌入式去控制模拟开关的通断，选择不同的测量方法，输出通过滤波放大整形后接入嵌入式进行测量。测量结果一方面可以在液晶上显示出来，另一方面也可通过串口发送给PC机，并进行处理显示。

所述频差倍增法的结构如图2所示。它给出了

倍的频差倍增原理。通过不断的倍频，混频，缓冲放大等电路从而实现频差的倍增，最后把倍增后的差频取出送至嵌入式处理，从而提高了测量精度。在图2中：待测频标信号

、

、、

及

等多标准频点的铷频标及高稳晶振的待测频标信号。经过不同的倍频组合处理电路，经后的倍频信号是

，标准铷原子

信号经过倍频电路倍频得到90MHz的信号， 90MHz信号为本振信号再与

的输入信号通过混频器混频可以得到差频以及和频

，选出差频再对其进行

倍频得到

的信号，再与90MHz的信号混频可以得到差频

。依次经过4次倍频，混频，缓冲放大后最后便可以得到

的信号，这样通过一系列的倍频，混频。我们可以把频偏扩大

倍，这就是我们的频差倍增法测频，提高了测量精度，输出的

信号再与铷原子的标准

信号进行混频，通过滤波，放大，再整形变为方波，便可以得到低频信号送嵌入式处理。 

所述频差倍增前端倍频与10MHz

倍频电路的结构如图3所示，频差倍增中的前端倍频电路将1MHz的输入待测频标信号经1MHz 缓冲放大器，

倍频器，5MHz缓冲放大器，

倍频器后，输出10MHz待测频标信号。而10MHz待测频标信号再经10MHz 缓冲放大器，倍频器，50MHz缓冲放大器，

倍频器后，输出100MHz待测频标信号。所有的倍频器的输出端和缓冲放大器输入端之间都接有由嵌入式控制的数控开关，既可输入该倍频器的信号，又可以通过数控开关直接输入与倍频器信号频率相同的待测频标信号。因此可以分别选择

、

、

、

及

等多标准频点的铷频标及高稳晶振的待测频标信号进行时域频率稳定度比对测量。其通过嵌入式控制倍增系数选择，分别调整倍频次数至

倍、

倍、

倍及

倍、

、

等。可根据待测频标信号不同的精度要求，设置最恰当的测量精度。

所述倍频器电路均采用双栅场效应管，具有输入阻抗高，增益调节方便的特点。所有倍频电路均采用双调谐选频回路，其对高次谐波具有很强的抑制作用，保证了倍频器电路的低杂散。

所述差拍法的结构如图4所示。把参考铷原子频率标准或高稳晶振源的输出信号，先通过直接数字频率合成器(DDS)模块合成，DDS输出频率是根据被测信号频率而定的，它输出1HZ到20MHz可调频率，经数控跟踪选频放大器放大及经幅度均衡与缓冲放大器放大后，再将被测信号及DDS输出信号送入混频，取出差频信号，混频差拍后的信号经低通滤波与整形模块送至嵌入式处理，测量出被测晶体谐振器或晶体振荡器的时域频率稳定度指标。

本发明提供的差拍法电路简单适用，测量精度一般，而且可以测量频率从1Hz到20MHz的任意频率信号，适用于时域频率稳定度指标要求不高的信号源，例如晶体振荡器等的测量。本频标比对频率稳定度测量装置自带振荡器电路，可测量10KHz到20MHz任意频率范围内的晶体谐振器的频率稳定度指标。

在图1中：采用频差倍增法测量是通过嵌入式键盘的输入设置或PC机输入设置去控制数控开关的选通，从而实现不同的倍增系数或不同频率的待测频标的时域频率稳定度指标。通过嵌入式可计算出阿伦方差及哈达玛方差，并由液晶显示器把频率值、阿伦方差及哈达玛方差等数据显示出来，通过串口把测量结果送PC机，在PC机上可实现图形化显示。还可以通过PC机实现对嵌入式系统的控制。

图5-图8是软件部分流程图。软件核心是采用嵌入式的定时器A的捕获中断功能来实现测周期法测频，使用捕获模块测量周期时，可以让主计数器工作在连续计数模式，捕获模块设置TAx管脚上升沿触发捕获，每次发生捕获事件后，在捕获中断中读取捕获值。捕获到一个脉冲的两个上升沿，相邻两次捕获值之差就是信号的周期，取周期的倒数便可得到频率值。对于计数器溢出的情况，仍然可以使用溢出中断计数器的方法，扩展周期测量范围。另外通过数字滤波功能，滤除由于其他干扰而产生的大的频率跳变，从而得到一个有效数据，为了计算阿伦方差及哈达玛方差，我们采用定时器B定时捕获来捕获到N个数据再计算一次阿伦方差及哈达玛方差，通过液晶将数据显示出来，并把相应的数据发送至PC机，可以图形化的显示频率的抖动。

为了实现差拍法和频差倍增法同时适用，系统还设置了矩阵键盘模块，通过矩阵键盘实现DDS频率，倍增次数，采样时间，采样组数等相关参数的设置，亦可以通过上位机对单片机进行控制，设置相应的参数。

参见图5，在主函数的大循环中，不断的检测是否有捕获到有效的频率值，一旦捕获到，便存入相应的数组中，直到组数等于设置值，开始计算一次阿伦方差及哈达玛方差，同时通过液晶显示出来，并通过串口发送至PC机。

参见图6，在定时器B中，定时时间到便启动一次捕获。

参见图7，一旦检测到键盘设置键按下，便开始一次设置，通过不同的键值，设置不同的功能。在键盘设置中，可以设置DDS频率，测量频率，采样组数，采样时间，倍增次数等。

参见图8，捕获到一次有效数据后便会把数据通过串口发送至PC机，并通过PC机图形化显示出频率值的变化。PC机亦可发送相应的命令控制嵌入式系统，设置相应的参数等。

程序主要包括数据采集——数据处理——数据显示发送。整体通过嵌入式系统和PC机通信实现。

数据采集部分以嵌入式的捕获中断功能去定时捕获当前频率值。并把当前的频率值发送至PC机。通过PC机实现图像化显示功能。

数据处理部分主要通过阿伦方差和哈达玛方差同时显示。阿伦方差主要作为短期频率稳定度的标准，而哈达玛方差主要用于长期频率稳定度的标准。

差拍法测频的阿伦方差计算公式如下：

   （取样2m次），

或

  （取样m+1次），

频差倍增法的阿伦方差计算公式如下：

  （取样2m次）， 

或

  （取样m+1次），

其中N为倍频数的倍增次数次幂：如经过四次十倍频和混频则

。

在某些特殊场合，铷原子频标需要长期连续工作，比如在卫星上，电信交换站中用的铷原子频标。即测量铷原子的长期稳定度时，由于铷原子频标的基本工作原理，在长时间工作不仅存在着频率漂移，还存在着频率突变，这样子铷原子频标的日频率漂移率就会变大，因而对日频率稳定度影响就大。考虑到这种情况，国外在计算铷原子频标的日频率稳定度时采用了哈达玛方差，可以有效的消除频率漂移对日稳定度的影响。

一般哈达玛方差的计算公式如下：

               

数据显示发送部分主要通过嵌入式去驱动液晶12864实现，PC机通过VC编程实现的图形化显示。可以把当前采集的频率值显示出来，并且一旦采集组数达到要求变计算显示阿伦方差及哈达玛方差等。

以上结合实施例对本发明做了详细的描述，但不作为本发明的限定，一切在本发明权利要求范围内的所有修改和变化，都落在受到本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种双模式频标比对与频率稳定度测量装置，其特征是采用铷原子钟及高精度恒温晶体振荡器作输入参考频率标准，主要由频差倍增、差拍、直接数字频率合成器、1PPS处理及嵌入式频标比对与测量模块组成，当采用频差倍增法时，通过选择倍频次数，对多标准频点的频标源进行时域稳定度比对；当采用差拍法时，参考标准频率源通过直接数字频率合成器，再与输入                                                

频率范围内的任意频点进行差拍及滤波整形处理，完成时域频率稳定度测量；还带有1PPS处理模块，输出1PPS信号，或实现对1PPS输入信号的同步；频标比对与测量由嵌入式完成，还可与PC机互连，由微型计算机实现数据处理与测试。

2.根据权利要求l所述的双模式频标比对频率稳定度测量装置，其特征在于所述频差倍增法，通过选择倍频次数，对

、

、

、

及

多标准频点的频标进行时域稳定度比对测量。

3.根据权利要求2所述的双模式频标比对频率稳定度测量装置，其特征在于所述频差倍增法由倍频、混频及放大电路组成，其中：倍频与放大由双栅场效应管完成，选频回路采用双调谐，其倍频次数采用

、、

及，由环形混频器完成混频。

4.根据权利要求３所述的双模式频标比对频率稳定度测量装置，其特征在于所述频差倍增法，频差倍增后的被测信号与高精度频标混频后，经低通滤波及整形后的数据由嵌入式处理，完成频差倍增比对测量。

5.根据权利要求l所述的双模式频标比对频率稳定度测量装置，其特征在于所述差拍法对所采用的高精度参考频标源先经倍频器倍频后，再通过由CPLD设计的直接数字频率合成电路，将其变换为

范围内连续可调的输出信号，并由窄带跟踪选频放大电路滤除谐波及杂散分量后，再与被测晶振源进行差拍，而待测

频率范围内的信号则经分频后差拍，经低通滤波及整形后的数据由嵌入式处理，完成差拍测量。

6.根据权利要求1所述的双模式频标比对频率稳定度测量装置，其特征在于所述1PPS处理由CPLD设计，可将高精度参考频标信号转换为1PPS信号输出，也可对外输入1PPS信号对高精度参考频标信号进行1PPS同步处理。

7.根据权利要求1所述的双模式频标比对频率稳定度测量装置，其特征在于所述输入待测信号通过嵌入式系统捕获中断功能，捕获信号的跳变沿，从而测得误差频率；通过其定时中断功能，实现定时采集数据，采样时间可以设定，实现信号的长短稳测量。

8.根据权利要求7所述的双模式频标比对频率稳定度测量装置，其特征在于所述嵌入式系统采用阿伦方差和哈达玛方差的统计算法，实现频率长、短稳的比对测量，采用软件数字滤波处理方法，提高测量精度。

9.根据权利要求1所述的双模式频标比对频率稳定度测量装置，其特征在于所述上位机测量功能，通过嵌入式系统与微机的通信，将嵌入式系统采集的数据上传给PC机处理，图形化显示出所采集的实时频率值、频率不稳定度的统计值，并方便网络传输与远程监控与处理。

10.权利要求l至9中任一权利要求所述的双模式频标比对频率稳定度测量装置的用途，其特征在于：该装置用于频标比对频率稳定度测量仪器与设备的设计中，或者用于改造现有频标比对与频率稳定度测量仪器。

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