高精度无间隙时频测量技术的研究

    1　引　言

    时间频率的测量及比对技术在当今时频测控技术中起着重要的作用。频率测量领域大体分为2类,一类是以电子计数器测频为代表的宽范围测量。如:多周期同步法、游标法、模拟内差法、相检宽带测频法等。另一类是针对频标比对的各种技术,如:示波器法、频差倍增法、差拍法、时差法及比相法等。

    随着频率基准的准确度和稳定度的提高,对相应的测量比对技术提出了更高的要求。目前10^-14/τ的频率稳定度指标和检测频率基准所要求的1×10^-16以上的准确度测量的分辨率需要与频标比对技术相匹配的测量技术。

    在频标比对中,频差倍增法和相位比对法都有高的比对精度,并广泛应用于频率准确度和频率稳定度的测量中,其中频差倍增法主要是对短期频率稳定度的测量,而相位比对法主要对长期频率稳定度的测量。2个方法结合可以在一天或更长的比对时间内实现1×10-16的比对精度[1]。

    目前,新研制的频标比对装置,是一种新型的一体化高精度无间隙时频综合测量装置,可以完成时频信号时域参数的综合测量。

    2　时频比对技术与方法

    2.1　频差倍增法

    在高精度的频率稳定度测量中,常采用频差倍增技术,基于频差倍增原理,将被测频标信号的频率相对于标准或参考频标信号的频差进行扩大,再将扩大了的信号进行测频或测周,以实现高精度无间隙的测量。

    频差倍增有2种方法来实现,一种是利用倍频器的特性,将被测频率信号的频差和不稳定值进行扩大[2]。为了实现倍增,可以进行高次倍频或者多级倍增,如图1所示。

    在时频测量中多级倍频、混频组成的倍增器已广泛应用于频率比对装置,倍增次数一般为104或10⁵,这种倍增方法除了应用于时域测量装置以外,还可用于频域测量系统,用来扩大被测频标的相位噪声。

    另一种频差倍增是利用分频—锁相方法[2]来实现,如图2所示。

    这种倍增原理广泛应用于频率合成器作频差倍增,实现多尾数频率频标信号的频率稳定度测量。2种方法其中频差多级倍增技术至今广泛用于高精度比对,测量频率稳定度。

    2.2　相位比对法

    相位比对法是将标称频率相同的2个频率信号在某一特定的时间间隔内,将两者的相位差变化取出,进而求出该段时间内两频率源间的平均频率偏差[3]。

    标称频率值相同的两个频率源之间的相位差Φ与该相位差所对应的时间间隔T存在如下的线性关系:

式中:f₀为两频率源的标称频率值;Φ的单位是弧度。所以相位比对又常转换成时间间隔的测试,实际中往往是以时间单位来反映2频率源之间的相位差。