数字化多频点频标比对测量系统的研制

摘要

频率标准（简称频标）是指具有较高准确度、单一频率值正弦波信号输出功能的装置，它们的频率值大都是10MHz或5MHz。目前对频率标准的使用需求越来越多，主要体现在大地测量、卫星导航、邮电通讯、高速铁路运输等领域，这些领域对于频率标准的稳定度和准确度要求也越来越高，进而对频率标准的精确测量有着更高要求。因此，针对频标比对测量方法的研究及其系统研制具有重要的工程实用意义。
　　目前高精度频标比对测量系统通常采用双混频时差法，此方法难以避免由于使用计数器以及过零点时受到噪声干扰而导致的测量误差。同时，由于固定频点公共振荡器的限制，导致传统双混频时差法不能灵活地测量多个频点的频率标准信号。本论文提出一种数字化多频点频标比对测量系统设计方案，即利用可变频点的偏差频率源替代传统双混频时差法系统方案中固定频点的公共振荡器，使系统具有多频点比对测量的功能。通过上位机驱动采集卡在实现同步采样的前提下，将两路低频弦波信号离散数字化，再使用相关法测量相位差，避免传统双混频时差法中使用计数器导致正负一个字的计数误差。
　　本文研制了多频点正弦差拍器，配合高精度的多通道同步数据采集卡设计实现了系统的硬件平台，同时基于LabWindows/CVI设计开发系统软件，实现了待测频率标准与参考频率标准之间相位差数据的实时准确测量、显示和保存。设计了系统测试方案，搭建实验平台测量了系统通道时延、验证了系统多频点的功能性以及测量准确度。将连续保存的数据利用阿伦方差进行稳定度分析可得，系统本底噪声典型值为2.81E-12/s，即相位差测量系统的分辨率达到皮秒量级。该指标已达到国内较先进设备水平，对频率标准比对测量工程具有一定的技术参考意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究意义及内容

1．3．2 研究内容

1．4 本文内容安排

第二章 频率标准信号及其典型测量方法

2．1 频率标准信号的表示

2．2 频率标准的输出特性

2．3 频率标准稳定度的表征

2．4 经典频标测量方法

2．4．1 直接测频法

2．4．2 频差倍增法

2．4．3 差拍法

2．4．4 比相法

2．4．5 双混频时差法

2．5 本章小结

第三章 数字化多频点频标比对测量系统硬件设计

3．1 系统结构设计

3．2 多频点正弦差拍器

3．2．1 基于DDS的可变频点偏差频率产生源

3．2．2 频率分配放大器

3．2．3 混频电路

3．3 数据同步采集模块

3．3．1 采集模块方案

3．3．2 双通道数据同步采集

3．4 本章小结

第四章 数字化多频点频标比对测量系统软件设计

4．1 单片机下位机软件设计

4．2 LabWindows上位机软件设计

4．3 相关法测量相位差

4．4 本章小结

第五章 系统测试及其结果分析

5．1 系统的通道时延测定

5．2 系统的本底噪声测量

5．3 系统多频点功能性测试

5．4 系统测量准确度测试

5．5 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢