CN203587689U - 一种长期和短期频率稳定度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种长期和短期频率稳定度测量装置，属于电子技术领域。所述装置包括用于产生第一频率信号的第一频率转换模块、用于产生第二频率信号的第二频率转换模块、用于测量第一频率信号的频率的第一测量模块、用于测量第二频率信号的频率的第二测量模块、以及处理模块；第一频率转换模块与第一测量模块电连接，第二频率转换模块与第二测量模块电连接，处理模块分别与第一频率转换模块、第二频率转换模块、第一测量模块、第二模块电连接。采用本实用新型提供的装置测量信号源的频率稳定度准确度高。

Description

一种长期和短期频率稳定度测量装置

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，特别涉及一种长期和短期频率稳定度测量装置。 

背景技术

随着现代社会的高速发展，人们对时钟源输出信号的精度和稳定度的要求越来越高，其中，时钟源输出信号的稳定性一般采用频率稳定度来衡量。 

现有一种频率稳定度测量装置，该装置包括：分频模块、计数模块、频率计算模块以及稳定度确定模块。其中，分频模块用于对信号源输出的被测信号进行分频处理；计数模块用于在设定时间内，对参考信号的脉冲个数和分频后的被测信号的脉冲个数进行计数；频率计算模块用于根据计数模块得到的脉冲个数计算被测信号的频率；稳定度计算模块用于根据信号源输出的被测信号的频率和频率稳定度的标准方差公式，计算被测信号源的频率稳定度。 

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题： 

现有技术中通常采用标准方差公式来计算信号源的频率稳定度，然而，经研究发现，一个信号源通常会有两个稳定度指标，这两个稳定度指标分别为短期频率稳定度和长期频率稳定度，其中，短期频率稳定度表征的是信号的抖动水平，长期频率稳定度表征的是信号频率随时间的漂移程度，因此，现有技术中采用单一的频率稳定度来衡量一个信号源的性能是不够准确的。 

实用新型内容

为了解决现有技术采用单一的频率稳定度衡量一个信号源的性能不够准确的问题，本实用新型实施例提供了一种长期和短期频率稳定度测量装置。所述技术方案如下： 

本发明实施例提供了一种长期和短期频率稳定度测量装置，所述装置包括： 

用于以所述第一参考信号为时基信号，对被测信号源的输出信号进行频率 转换，得到第一频率信号的第一频率转换模块； 

用于以所述第二参考信号为时基信号，对所述被测信号源的输出信号进行频率转换，得到第二频率信号的第二频率转换模块； 

用于测量所述第一频率转换模块得到的所述第一频率信号的频率的第一测量模块； 

用于测量所述第二频率转换模块得到的所述第二频率信号的频率的第二测量模块；以及 

用于采用所述第一测量模块测得的所述第一频率信号的频率，根据阿仑方差公式确定所述被测信号源的短期频率稳定度，并采用所述第二测量模块测得的所述第二频率信号的频率，根据哈达玛方差公式确定所述被测信号源的长期频率稳定度的处理模块； 

所述第一频率转换模块与所述第一测量模块电连接，所述第二频率转换模块与所述第二测量模块电连接，所述处理模块分别与所述第一频率转换模块、所述第二频率转换模块、所述第一测量模块、所述第二测量模块电连接； 

其中，所述处理模块包括中央处理器、单片机、微控制器或微处理器。 

可选地，所述第一频率转换模块包括： 

用于以所述第一参考信号为时基信号，对所述被测信号源的输出信号进行计数测量，测得所述被测信号源的输出信号的频率的走时计数单元； 

用于在所述处理模块的控制下，产生第三频率信号的直接数字式频率合成器，所述第三频率信号的频率为与所述走时计数单元测得的所述被测信号源的输出信号的频率最接近的整数；以及 

用于对所述直接数字式频率合成器产生的所述第三频率信号进行倍频，产生所述第一频率信号的锁相环； 

所述走时计数单元通过所述处理模块与所述直接数字式频率合成器电连接，所述锁相环分别与所述直接数字式频率合成器、所述处理模块电连接。 

可选地，所述第二频率转换模块包括： 

用于以所述第二参考信号为时基信号，对所述被测信号源的输出信号进行计数测量，测得所述被测信号源的输出信号的频率的走时计数单元； 

用于在所述处理模块的控制下，产生第四频率信号的直接数字式频率合成器，所述第四频率信号的频率为与所述走时计数单元测得的所述被测信号源的 输出信号的频率最接近的整数；以及 

用于对所述直接数字式频率合成器产生的所述第四频率信号进行倍频，产生所述第二频率信号的锁相环； 

所述走时计数单元通过所述处理模块与所述直接数字式频率合成器电连接，所述锁相环分别与所述直接数字式频率合成器、所述处理模块电连接。 

可选地，所述第一测量模块包括： 

用于获得所述第一频率信号在设定时间内脉冲个数的计数单元；以及 

用于根据所述计数单元获得的所述脉冲个数，计算所述第一频率信号的频率的计算单元； 

所述计数单元分别与所述第一频率转换模块、所述计算单元电连接。 

可选地，所述第二测量模块为频稳测试仪。 

可选地，所述装置还包括：用于提供所述第一参考信号的第一信号源，所述第一信号源分别与所述第一频率转换模块、所述第一测量模块电连接。 

具体地，所述第一信号源为晶体振荡器。 

可选地，所述装置还包括： 

用于提供所述第二参考信号的第二信号源，所述第二信号源分别与所述第二频率转换模块、所述第二测量模块电连接。 

具体地，所述第二信号源为氢原子钟、铷原子钟或铯原子钟。 

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是： 

通过采用第一频率转换模块、第一测量模块和处理模块确定被测信号源的短期频率稳定度，采用第二频率转换模块、第二测量模块和处理模块确定被测信号源的长期频率稳定度，采用两个频率稳定度衡量一个信号源的性能，准确度高。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是本实用新型实施例提供的一种长期和短期频率稳定度测量装置的结 构示意图； 

图2是本实用新型实施例提供的第一频率转换模块的结构示意图。 

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。 

本实用新型实施例提供了一种频率稳定度的测量装置，参见图1，该装置包括第一频率转换模块1、第二频率转换模块2、第一测量模块3、第二测量模块4、以及处理模块5。第一频率转换模块1用于以第一参考信号为时基信号，对被测信号源的输出信号进行频率转换，得到第一频率信号。第二频率转换模块2用于以第二参考信号为时基信号，对被测信号源的输出信号进行频率转换，得到第二频率信号。第一测量模块3用于测量第一频率转换模块1得到的第一频率信号的频率。第二测量模块4用于测量第二频率转换模块2得到的第二频率信号的频率。处理模块5用于采用第一测量模块3测得的第一频率信号的频率，根据阿仑方差公式确定被测信号源的短期频率稳定度，并采用第二测量模块4测得的第二频率信号的频率，根据哈达玛方差公式确定被测信号源的长期频率稳定度。 

其中，第一频率转换模块1与第一测量模块3电连接，第二频率转换模块2与第二测量模块4电连接，处理模块5分别与第一频率转换模块1、第二频率转换模块2、第一测量模块3、第二测量模块4电连接。 

具体地，阿伦方差公式（1）如下： 

${\mathrm{\σ}}_y(2,\mathrm{\τ},\mathrm{\τ},f_h)=\sqrt{\frac{1}{2(N-1)}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{[y\left({\mathrm{\τ}}_{i+1}\right)-y\left({\mathrm{\τ}}_i\right)]}^2}---\left(1\right)$

其中，σ_y为阿伦方差值，τ为采样周期和采样时间，f_h为测量的高截止频率，N为采样个数，

y为输出频率的相对频偏，f0为参考信号的频率，f_i为被测信号源的输出信号的频率。 

阿伦方差公式（1）中，采样时间与采样周期均为τ，因此该采样为无间隙采样，阿伦方差收敛。 

哈达玛方差公式（2）如下： 

${\mathrm{H\σ}}_y(3,\mathrm{\τ})=\sqrt{\frac{1}{6(m-2)}\underset{k=1}{\overset{m-2}{\mathrm{\Σ}}}{(y_{k+2}-2*y_{k+1}+y_k)}^2}---\left(2\right)$

其中，Hσ_y为哈达玛方差值，τ为采样时间，m为采样个数，y_k为输出频率的相对频偏。 

哈达玛方差公式（2）中，y_k+2-2*y_k+1+y_k=（y_k+2-y_k+1）-（y_k+1-y_k），由于前一个括号（y_k+2-y_k+1）中包含有频率漂移对频率稳定度的影响，后一个括号（y_k+1-y_k）中也包含有频率漂移的影响，因此前一个括号与后一个括号相减，即可消除频率漂移对频率稳定度的影响。 

具体地，参见图2，第一频率转换模块13可以包括走时计数单元11、DDS（Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器）12、以及PLL（Phase Locked Loop，锁相环）13。走时计数单元11用于以第一参考信号为时基信号，对被测信号源的输出信号进行计数测量，测得被测信号源的输出信号的频率。DDS12用于在处理模块5的控制下，产生第三频率信号，第三频率信号的频率为与走时计数单元11测得的被测信号源的输出信号的频率最接近的整数。PLL13用于对DDS12产生的第三频率信号进行倍频，产生第一频率信号。走时计数单元11通过处理模块5与DDS12电连接。PLL13分别与DDS12、处理模块5电连接。 

需要说明的是，与走时计数单元11测得的被测信号源的输出信号的频率最接近的整数，一般是以MHz（兆赫兹）为单位，对走时计数单元11测得的被测信号源的输出信号的频率进行取整。 

DDS12获得的频率信号的频率和PLL13的倍频比例由处理模块5控制。处理模块5可以通过向DDS12发送命令控制字，改写DDS12的内部频率寄存器，使DDS12输出频率为与走时计数单元11获得的被测信号频率最接近的整数的频率信号，命令控制字是处理模块5根据走时计数单元11获得的被测信号频率获得的。 

举例来说，走时计数单元11获得被测信号的频率为5.3125MHz，处理模块5根据该频率获得与频率最接近的整数为5MHz，处理模块5向DDS12发送与5MHz对应的命令控制字，改写了DDS12的内部频率寄存器，使DDS12输出频率为5MHz的频率信号。PLL13根据处理模块5的倍频比例，对11MHz的频率信号进行倍频，获得所需频率的频率信号，如1KHz的频率信号。 

具体地，第二频率转换模块2可以包括走时计数单元、DDS、以及PLL。走时计数单元用于以第二参考信号为时基信号，对被测信号源的输出信号进行 计数测量，测得被测信号源的输出信号的频率。DDS用于在处理模块的控制下，产生第四频率信号，第四频率信号的频率为与走时计数单元测得的被测信号源的输出信号的频率最接近的整数。PLL用于对DDS产生的第四频率信号进行倍频，产生第二频率信号。走时计数单元通过处理模块与DDS电连接。PLL分别与DDS、处理模块电连接。 

可选地，第一测量模块3可以包括计数单元和计算单元。计数单元用于获得第一频率信号在设定时间内脉冲个数。计算单元用于根据计数单元获得的脉冲个数，计算所述第一频率信号的频率的。计数单元分别于第一频率转换模块、计算单元电连接。 

可选地，第二测量模块3可以为频稳测试仪。 

可选地，该装置还包括用于提供第一参考信号的第一信号源，第一信号源分别与第一频率转换模块1、第一测量模块3电连接。 

具体地，第一信号源可以为晶体振荡器，如8607晶体振荡器。 

可选地，该装置还包括用于提供第二参考信号的第二信号源，第二信号源分别与第二频率转换模块2、第二测量模块4电连接。 

具体地，第二信号源2可以为氢原子钟、铷原子钟或铯原子钟。 

可选地，处理模块7可以包括中央处理器、单片机、微控制器或微处理器。 

下面简单介绍一下本实施例提供的长期和短期频率稳定度测量装置的工作原理： 

测量短期频率稳定度时，第一频率转换模块1以第一参考信号为时基信号，对被测信号源的输出信号（如10KHz）进行频率转换，得到第一频率信号（如1KHz），第一测量模块3对第一频率信号的频率进行测量，处理模块5采用第一频率信号的频率，根据阿伦方差公式确定号被测信号源的短期频率稳定度。 

测量长期频率稳定度时，第二频率转换模块2以第二参考信号为时基信号，对被测信号源的输出信号（如10KHz）进行频率转换，得到第二频率信号（如1KHz），第二测量模块4对第二频率信号的频率进行测量，处理模块5采用第二频率信号的频率，根据哈达玛方差公式确定被测信号源的长期频率稳定度。 

本实用新型实施例通过采用第一频率转换模块、第一测量模块和处理模块确定被测信号源的短期频率稳定度，采用第二频率转换模块、第二测量模块和处理模块确定被测信号源的长期频率稳定度，采用两个频率稳定度衡量一个信 号源的性能，准确度高。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种长期和短期频率稳定度测量装置，其特征在于，所述装置包括： 

用于以第一参考信号为时基信号，对被测信号源的输出信号进行频率转换，得到第一频率信号的第一频率转换模块； 

用于以第二参考信号为时基信号，对所述被测信号源的输出信号进行频率转换，得到第二频率信号的第二频率转换模块； 

用于测量所述第一频率转换模块得到的所述第一频率信号的频率的第一测量模块； 

用于测量所述第二频率转换模块得到的所述第二频率信号的频率的第二测量模块；以及 

用于采用所述第一测量模块测得的所述第一频率信号的频率，根据阿仑方差公式确定所述被测信号源的短期频率稳定度，并采用所述第二测量模块测得的所述第二频率信号的频率，根据哈达玛方差公式确定所述被测信号源的长期频率稳定度的处理模块； 

所述第一频率转换模块与所述第一测量模块电连接，所述第二频率转换模块与所述第二测量模块电连接，所述处理模块分别与所述第一频率转换模块、所述第二频率转换模块、所述第一测量模块、所述第二测量模块电连接； 

其中，所述处理模块包括中央处理器、单片机、微控制器或微处理器。 

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一频率转换模块包括： 

用于以所述第一参考信号为时基信号，对所述被测信号源的输出信号进行计数测量，测得所述被测信号源的输出信号的频率的走时计数单元； 

用于在所述处理模块的控制下，产生第三频率信号的直接数字式频率合成器，所述第三频率信号的频率为与所述走时计数单元测得的所述被测信号源的输出信号的频率最接近的整数；以及 

用于对所述直接数字式频率合成器产生的所述第三频率信号进行倍频，产生所述第一频率信号的锁相环； 

所述走时计数单元通过所述处理模块与所述直接数字式频率合成器电连接，所述锁相环分别与所述直接数字式频率合成器、所述处理模块电连接。 

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二频率转换模块包括： 

用于以所述第二参考信号为时基信号，对所述被测信号源的输出信号进行计数测量，测得所述被测信号源的输出信号的频率的走时计数单元； 

用于在所述处理模块的控制下，产生第四频率信号的直接数字式频率合成器，所述第四频率信号的频率为与所述走时计数单元测得的所述被测信号源的输出信号的频率最接近的整数；以及 

用于对所述直接数字式频率合成器产生的所述第四频率信号进行倍频，产生所述第二频率信号的锁相环； 

所述走时计数单元通过所述处理模块与所述直接数字式频率合成器电连接，所述锁相环分别与所述直接数字式频率合成器、所述处理模块电连接。 

4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述第一测量模块包括： 

用于获得所述第一频率信号在设定时间内脉冲个数的计数单元；以及 

用于根据所述计数单元获得的所述脉冲个数，计算所述第一频率信号的频率的计算单元； 

所述计数单元分别与所述第一频率转换模块、所述计算单元电连接。 

5.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述第二测量模块为频稳测试仪。 

6.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括： 

用于提供所述第一参考信号的第一信号源，所述第一信号源分别与所述第一频率转换模块、所述第一测量模块电连接。 

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一信号源为晶体振荡器。 

8.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括： 

用于提供所述第二参考信号的第二信号源，所述第二信号源分别与所述第二频率转换模块、所述第二测量模块电连接。 

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二信号源为氢原子钟、铷原子钟或铯原子钟。 

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