高精度频率稳定度测量系统的实现

发布时间：2017-08-29 13:26

  本文关键词：高精度频率稳定度测量系统的实现

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【摘要】：随着晶振、原子频标等频率源的频率准确度、频率稳定度不断地提升,对频率源的测量和比对技术要求也越来越高。没有相应的测量手段,就无法对频率源的性能指标做出正确的评估。频率的测量工作不仅可以用于评估频率源的好坏,也可以反过来促进频率源指标的进一步提高。本论文介绍了国内外频率测量仪器以及频率处理软件的研究现状,其中重点介绍了部分具有代表性的频率测量仪器以及频率稳定度分析软件。对频率源的主要指标、表征方式做出介绍,主要是频率稳定度在时域和频域的表征方式,以及两者之间的换算方法。对于影响频率源频率稳定度的各种机制,前人总结出噪声幂律谱模型来对其进行描述,我们可以通过时域稳定度与取样时间的关系,或者频域稳定度与傅里叶频率的关系来判别影响频率稳定度的主要噪声类型。讲述了各种常用的高精度频率测量方法的原理,包括频差倍增法、差拍法、相位比较法和双混频时差法,并分别介绍了对应的频率测量仪器,以突出各种频率测量方法的优缺点。在分析现有频率测量仪器和测量方法的不足的基础上,提出研制一套高精度频率稳定度测量系统,包括高精度、宽频率测量范围的时域频率稳定度测量仪和配套使用的频率处理软件。频稳测量仪根据功能模块划分,可以分为频率偏调链路、混频模块、信号处理模块和FPGA四个主要模块。其中,频率偏调链路的设计至关重要。通过采用低噪声倍频模块和低噪声DDS组成频率偏调链路,使得频率偏调源的附加噪声有较大程度的降低,频率调整范围较大,为高精度、宽频率测量范围的频稳测量仪的实现打下坚实的基础。通过一系列实验对本论文研制的频稳测量仪的性能做出测试,研制的频稳测量仪测量1OMHz时本底为3.7E-13/1s,可以测量1～30MHz任意频率的100ms到100000s稳定度、频率值、天漂移率。实验表明,在0～50℃温度范围内,频稳测量仪可以保持较高的测量精度。通过与国内外的频率测量仪器进行各项指标的对比,本论文实现的频率稳定度测量仪在测量精度、频率测量范围和取样时间范围方面都取得了较好的结果。频稳测量仪的测量结果由频率处理软件的图形化界面实时显示,并且可以实时保存测量数据,方面用户后期处理。
【关键词】：高精度 频率测量 DDS 噪声分析
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM935.12
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 引言10-16
• 1.1 高精度频率测量的重要性10
• 1.2 高精度频率测量技术的现状10-12
• 1.2.1 对于频率测量仪器的主要要求10-11
• 1.2.2 国内外现有频率测量仪器11-12
• 1.3 频率处理软件12-13
• 1.4 本论文主要工作及论文内容安排13-16
• 第二章 原子频标主要指标的表征方式和测量方法16-30
• 2.1 原子频标的信号模型16-17
• 2.2 原子频标的主要性能指标17-20
• 2.2.1 频率准确度17-18
• 2.2.2 频率漂移率18
• 2.2.3 频率稳定度18-20
• 2.3 原子频标的噪声模型20-23
• 2.4 常用的频率测量方法23-30
• 2.4.1 频差倍增法23-25
• 2.4.2 差拍法25-27
• 2.4.3 相位比较法27
• 2.4.4 双混频时差法27-28
• 2.4.5 几种频率测量方法的总结28-30
• 第三章 高精度、宽频率测量范围的频稳测量仪的设计30-46
• 3.1 频稳测量仪设计目标与方案30-31
• 3.2 频率偏调源的设计与理论分析31-39
• 3.2.1 频率偏调源的设计32-34
• 3.2.2 频率偏调源附加噪声的理论分析34-38
• 3.2.3 频率偏调链路的预期效果38-39
• 3.3 混频模块设计39-41
• 3.4 信号处理模块设计41-42
• 3.5 测量仪的软件设计42-46
• 第四章 频稳测量仪的实现与结果分析46-68
• 4.1 频稳测量仪的初步实现与测试结果分析46-51
• 4.1.1 倍频模块的实现46-48
• 4.1.2 AD9912的配置48
• 4.1.3 信号处理模块的实现48-49
• 4.1.4 初步实现的频稳测量仪样机自检结果与分析49-51
• 4.2 频稳测量仪的优化与测试结果分析51-61
• 4.2.1 频率偏调链路附加噪声的评估51-53
• 4.2.2 电路板面的优化53-54
• 4.2.3 电源的优化54-56
• 4.2.4 信号处理模块的优化56-59
• 4.2.5 频率准确度测量误差的优化59-61
• 4.3 不同频率的自检测试结果61-62
• 4.4 不同温度下的自检测试结果62-63
• 4.5 比对测试结果63-64
• 4.6 与其它产品比较64-68
• 第五章 频率处理软件的实现与操作说明68-80
• 5.1 频率处理软件需求分析68
• 5.2 软件开发工具68-69
• 5.3 频率处理软件的实现69-73
• 5.3.1 串口通讯模块69
• 5.3.2 数据处理和保存功能69-71
• 5.3.3 测量结果图形显示界面71-73
• 5.4 频率处理软件操作流程73-78
• 5.5 小结78-80
• 第六章 总结与展望80-82
• 6.1 总结80
• 6.2 展望80-82
• 参考文献82-84
• 作者简历及在学期间发表的学术论文与研究成果84

【参考文献】

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本文编号：753525