几种提高微波频率测量精度的方法

几种提高微波频率测量精度的方法

许嘉晨 13208-2 2013201210

摘 要：本文概述了微波频率测量常见方法以及基本原理，介绍了多周期同步测频法、模拟内插法、游标内差法及平均法四种可以提高微波频率测量精度的手段。 关 键 词：微波频率测量、测量精度、模拟内插法、游标内差法。

引言

频率是微波设备的重要参数，微波仪器通过测量其工作频率来检测其是否正常运行。为了保证微波频率测量的有效性，必须提高微波频率测试仪器的测量精度。本文阐释了微波频率测量基本原理，例举了常用的几种微波频率测量方法，最后介绍了几种常用的提高微波频率测量精度的方法。

2频率测量方法

测量频率的方法无非是设法将被测频率直接或间接地与标准频率进行比较。按照具体进行比较的方式不同，频率测量可分为许多种不同方法。首先，按照测量装置中是否包含有作为标准频率的振荡源，可以分为有源法和无源法两大类。有源法便是将未知频率x f 的信号与仪器内部产生的或外加的频率s f 为已知的信号直接比较频率。比较的方法常用的有外差法和计数法两种。外差法多年来曾经是测量高频直至微波频率最主要的精密仪器，但近年来由于更加精确而易用的计数式频率计大量问世，外差式频率计已有逐渐被淘汰之势。 计数法是指以计数式频率计为代表的计数测频法。此法实质上仍是将未知频率x f 的每周变为一个脉冲，再由电子计数器计出通过一个闸门的脉冲数目；闸门开闭的时间由标准频率s f 控制的信号管理。假设使闸门开放的时间τ等于s f 的m 个周期（即s mT τ=），在开放期间通过闸门而被计出的未知频率脉冲数为n ，便知x s nT mT =，由此便得x s n f f m =。 3 微波频率计数器基本原理

由于受到器件最高运行速度的限制，直接利用计数器测量频率，其测量范围有限。了 扩大微波计数器测量频率的范围，很多采样技术得到了应用。目前，在测试仪器设计中广泛应用的采样方法有以下几种：预定标法；外差下倍频法；置换振荡法；外差谐波下倍频法。

3.1预定标法

预定标法是利用分频器来扩展微波计数器频率测量的范围，若使用N 分频的计数器，计数器可以测量的频率范围扩展至N 倍。该法的主要优点是微波计数器结构简单，成本低；主要缺点是微波计数器分辨率低，可测量的最高频率有限。

3.2外差下倍频法

利用混频法将输入信号与高稳定标准时钟混频，混频器差频输出频率达到普通频率计可以测量的频率范围。图1为外差下倍频法计数器的方框图。电子计数器送出高精度的标准频率s f ，在谐波发生器中产生它的各次谐波。被测信号x f 输入时，谐波滤波器由低到高选

出标准时钟信号的谐波分量s Nf 。被选出的第N 次谐波使差频I x s f f Nf =-处在计数器的计数频率范围内时，计数器开始计数得到差频值，则输入的微波信号x f 的频率为：x s I f Nf f =+

3.3置换振荡法

被测频率x f 与压控扫描振荡器频率L f 的谐波L Nf 进行混频，其差频信号输出频率为I x L f f Nf =-。当L f 落在差频放大器的通频带内时，鉴相器的输出电压控制压控振荡器，使它停止扫频，并由锁相环路保证与x f 锁定。当锁相环锁定时，被测信号频率：x L s f Nf f =+ 由于置换振荡法应用了锁相电路，其环路增益和整机灵敏度很高，但闸门时间需扩展N 倍， 因而在同样测量时间情况下其分辨率比外差下倍频法低。图2为置换振荡法原理图

3.4外差谐波下倍频法 外差谐波下倍频法是置换振荡法和外差下倍频法相结合的一种频率测量方法，即应用置换振荡法捕获微波输入频率，然后利用外差下倍频法进行频率测量，输入被测频率x f 经谐波混频器与s Nf 混频，得到差频if f ；用第二取样环确定谐波数N ，则微波信号x f 的频率： x s if f Nf f =+。图3为外差谐波下倍频法原理图

4. 提高微波频率测量精度的方法

由微波频率计数器基本原理可知，微波频率测量的最终实现都要通过测频法和测周法来完成。由于标准时钟信号与被测信号不相关，在硬件上无法控制两路信号同步，因此在实际测量中总存在计数值为“1±”的计数误差。为减小误差，提高测量精度，以下几种方法在实际的频率计数器设计中得到广泛应用：多周期同步测频法；模拟内插法；游标内插法；平均法 。

4.1多周期同步测频法

测频的量化误差是由闸门与被测信号不同步引起的，为减小量化误差，必须使闸门时间等于被测信号整周期数。图4为多周期同步测频法原理图。其设计原理是采用预置闸门，用i f 对预置闸门同步，在同步闸门时间内对i f 计数得到被测信号整周期数x N 。为确定同步闸门时间 ,用另一计数器对标准频率0f 计数得到0N ，闸门开启时间为00/N f ，测量得到的频率为00/i x f N N f =。由于闸门的开启与被测信号完全同步，所以x N 无“1±”误差 , 0N 有“1±”误差，但一般0N 较大，“01/N ±”较小。图5为多周期同步测频法时序图。此方法可以利用微处理器控制闸门来实现不同闸门时间内频率的等精度测量，此方法在被测信号频率低于标准时基最高频率时可以很好的减小误差；当被测信号频率高于标准时基最高频率时，此方法失效。

4.2模拟内插法

在多周期同步测频法设计中，为减小量化误差，必须提高标准时钟（以下简称时标）频率， 增加计数器的计数值，但由于受到标准时钟电路和计数器最高工作频率以及计数器最大计数容量（最大计数值）的限制，多周期同步测频法测量精度有限。内插法对已存在的量化误差测量出量化单位以下的尾数（零头时间），如图6所示，则准确的T 为：012T T T T =-+

由于1T 和2T 均很小(小于时标)，采用普通的“时标计数法”难以实现。模拟内插法实现的基本思路是：对1T 和2T 作时间扩展（放大）后测量。若1T 、2T 均扩展k 倍， 采用同一时标，分别测量0T 、1kT 、2kT ，测量数值分别为：0N 、1N 、2N ，则：

()()0120210T T T T N N N K τ=-+=+-⋅

即：()()

0120210/T T T T N K N N K τ=-+=⋅+-⋅。由于000T N τ=⋅不存在量化误差，总量化误差由()21N N -引起，降低了k 倍，相当于用0k τ时标的普通时间测量。图7为模拟内插法的时间扩展电路，以恒流源对电容器C 充电，设充电时间为1T ，而以()11k T - （可近似为1kT 时间缓慢放电，当放电至原电平时，所经历的时间为：()1111'1T T k T kT =+-=，即得到1T 的k 倍时间扩展。在1kT 时间内对时标计数，分辨率提高k 倍。这种方法缺点是由于电容充电时存在非线性，在测量前需进行校准；同时，1T 扩展为1kT ，使测量的最高频率受到限制，为减小1T 测量的时间，在实际计数器设计中常用/A D 转换器测量电容器1T 的电压来测量时间1T 。

4.3游标内插法

游标法使用两种频率非常接近的时钟信号，两个信号开始计数的时刻不同，其差值就是被测的时间间隔1t ∆。因为m s F F >，且非常接近，故以后的每个周期两时钟之间的间隔都将减少s m T T -，当主时钟信号经过1N 个周期后，两个时钟信号在相位上完全相符，此时时间间隔为()11s m t N T T ∆=-，经过0N 个周期后，打开计数器2，经过2N 个周期后，两个信号在相位上完全同步，则被测时间间隔为：()()012021= x m s m T T T T N T N N T T -+=⋅⋅+--即：()021=x m T N K N N T K +-⋅⋅由上式可见，游标法将测时分辨率从直接法的m T 提高到 m T K 。