頻率穩(wěn)定度測量方法

時間頻率測量是電子測量的重要領(lǐng)域，要實現(xiàn)對時間頻率測量，需要有一個好的頻率源，在各種頻率源中，尤其是對于晶體振蕩器來說，穩(wěn)定度問題是最使人們關(guān)注的問題，它表示對于頻率穩(wěn)定度的保持能力。對于穩(wěn)定度不好的頻率源來說，準(zhǔn)確度調(diào)得再高也是沒有意義的。本文介紹了一個基于計算機的多路數(shù)據(jù)采集、實時顯示的頻穩(wěn)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以計算機、數(shù)據(jù)采集卡為基本硬件，因此它屬于虛擬儀器的范疇。虛擬儀器系統(tǒng)是基于計算機的數(shù)字化測量測試儀器，它由計算機、應(yīng)用軟件和儀器硬件三部分組成。虛擬儀器可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件就可以實現(xiàn)功能完全不同的各種測量測試儀器，即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器。虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用越來越廣泛。 硬件框架及軟件設(shè)計方案

●虛擬儀器的硬件框架

虛擬儀器主要有以下幾種構(gòu)成方式:PC總線方式的插卡型虛擬儀器;GPIB總線方式的虛擬儀器;VXI總線方式的虛擬儀器;PXI總線方式的虛擬儀器。

● 虛擬儀器的軟件設(shè)計方案

軟件在虛擬儀器中一般起到三個層面的作用:底層驅(qū)動層、應(yīng)用層和人機界面層。底層應(yīng)用層主要用來對硬件的操作，如對數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動。應(yīng)用層則是完成數(shù)據(jù)的采集存儲、轉(zhuǎn)換和分析，儀器的各種功能就在該層編制類似于傳統(tǒng)儀器的面板，完成人機交換。

較為流行的虛擬儀器軟件有美國國家儀器公司的LabView、 LabWindows/CVI 、Measurement studio,惠普公司的HP---VEE等圖形化、交互式的編程設(shè)計環(huán)境，以及通用可視化編程工具VC++、VB、DELPHI、C++ Builder、BC等。

利用LabView實現(xiàn)頻率穩(wěn)定度的測量

● 頻率穩(wěn)定度測量原理

頻率穩(wěn)定度測量原理如上所示，以f1和f2分別表示一個標(biāo)頻信號和一個被測頻率信號，設(shè)它們的標(biāo)稱值均為Nns，讓其進行比相。由于它們之間的頻率差別和所有的各種噪聲的影響，使代表各自相位關(guān)系的兩鑒相脈沖之間的時間差變化在0~Nns的范圍，并且以Nns為一個鑒相周期。若當(dāng)兩鑒相脈沖之間的時間間隔在0或Nns附近時，就會使鑒相雙穩(wěn)態(tài)的鑒相工作不正常。為了避免出現(xiàn)這種情況，又反映相位差值的變化，則自然會聯(lián)想到按某種規(guī)律的間隔脈沖的鑒相方法。為控制方便并兼顧避開兩比相脈沖的間隔接近0ns和Nns兩種情況，比相時，一路鑒相信號的重復(fù)周期為Nns，另一路信號的重復(fù)周期應(yīng)大于或等于3倍的Nns，并且標(biāo)稱值是Nns的整數(shù)倍。通過適當(dāng)?shù)拈T電路，讓T1和T2參加鑒相的脈沖之間的時間間隔為Nns~2Nns或2Nns~3Nns。這樣，兩比相信號每隔4Nns的時間分別對鑒相雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)一次，但鑒相的重復(fù)周期仍為Nns。鑒相雙穩(wěn)態(tài)輸出電壓經(jīng)濾波器輸出方波Vf變化的情況，反映了兩比相信號間相位差隨時間的變化。T1的每個脈沖均參加鑒相;T2由于門電路的控制作用，每連續(xù)的四個脈沖中只有一個參加鑒相。但不是固定的分頻鑒相，而是選擇了與T1鑒相脈沖有一定時間間隔的Nns一段中的時間范圍內(nèi)的脈沖來實現(xiàn)。通過數(shù)據(jù)采集板卡利用LabView軟件對表示被測頻率穩(wěn)定度的方波信號Vf進行采集即是該系統(tǒng)完成的功能。

●硬件配置

本虛擬儀器系統(tǒng)是插卡型虛擬儀器，包括PC機、ADVANTECH公司PCI-1713數(shù)據(jù)采集卡，端子板和傳輸電纜。

● 軟件設(shè)計

測試程序有三個模塊組成:硬件驅(qū)動模塊、硬件配置及測量參數(shù)選擇模塊、用戶接口模塊。

硬件驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)和底層數(shù)據(jù)采集卡打交道,它將根據(jù)用戶輸入的命令和參數(shù)完成一次數(shù)據(jù)采集并將測試結(jié)果還給用戶?？紤]到程序的模塊化和通用性，一般將這部分程序編寫成動態(tài)鏈接庫。ADVANTECH公司針對該公司生產(chǎn)的各種數(shù)據(jù)采集板，通過在最底層調(diào)用動態(tài)庫，形成一些獨立的功能模塊，即該公司板卡的LabView硬件驅(qū)動庫，同時還提供了很多例程。

在進行頻穩(wěn)測量時，由于處理數(shù)據(jù)量大，而且要求很高的采集率，所以采取DMA傳輸方式。圖2是硬件驅(qū)動模塊與數(shù)據(jù)采集模塊相結(jié)合實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集流程圖。

硬件配置及參數(shù)選擇模塊

LabVIEW程序由三部分構(gòu)成，即前面板、圖形代碼及程序圖標(biāo)(即函數(shù)模板)和接口板。該部分即為前面板，它實現(xiàn)程序的輸入和輸出功能，由控制鍵元素和顯示鍵元素構(gòu)成?？刂奇I代表程序的輸入?yún)?shù)，顯示鍵代表程序的輸出值。圖3是該系統(tǒng)的主程序界面，左上角接受用戶輸入的測量參數(shù);左下角是各種功能鍵，包括頻差測量、連續(xù)測量、頻穩(wěn)測量、測試報告、停止采樣等;右上角是實時數(shù)據(jù)顯示，可以看出數(shù)據(jù)變化的趨勢;右下角則是頻穩(wěn)、頻差等的計算結(jié)果顯示。

用戶接口模塊相當(dāng)于管理員。在LabView中即為函數(shù)模板，它包括編輯程序代碼所涉及到的VI程序和函數(shù)，在該系統(tǒng)中它要完成Windows初始化，等待接收并處理用戶命令，根據(jù)設(shè)置模塊的參數(shù)來調(diào)用驅(qū)動模塊，完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲的功能。

其他規(guī)格:最大調(diào)制度:±15kHz

頻率穩(wěn)定度:±0.005%