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优于皮秒(ps)量级的频标比对技术和高精度频率测量方法的研究

于建国  
【摘要】: 随着现代科学技术的发展,频率及时间的测量以及它们的控制技术在科学技术各领域,特别是在计量学、电子技术、信息科学、通信、天文和电子仪器等领域占有越来越重要的地位。从国际发展的趋势上看,频率标准的准确度和稳定度提高得非常快,几乎是每隔6~8年就提高一个数量级。目前频标的准确度和稳定度分别已达到1×10~(-15)和1×10~(-14)/s,以10~(-13)/τ规格的高稳定度晶体振荡器的应用越来越广泛。但是,在我国对这种高稳定度振荡器检测的设备还不能满足要求,与国外有一定的差距。其原因有两方面:一是测量技术尚待提高;二是测量方法还需改进。本文主要是在频率及时间的测量方法和测量技术上作了一些新的探讨和研究。 在测量频率标准指标的比对中,最常见且最简单的是采用比相测量的方法。此方法是将两个被比对的标称值相同的标准频率信号之间的相位关系,通过线性鉴相器转换成与它成线性关系的电压信号,并通过相应的设备进行显示纪录。最后根据两频率源间的相位随时间的变化情况,换算出被测频率源的频率准确度和稳定度情况。此方法测量精度的高低,主要取决于两个方面,即频率标准本身相位噪声的情况和在0~360°范围内鉴相的线性度。由于在0°和360°附近存在的非线性,限制了仪器的测量精度,所以在本文的第二章中通过两种新的测量方法的讨论,并根据各频率标准相位噪声的特点,针对性的采取措施和如何克服在0°和360°附近的非线性的影响,以达到提高测量精度的目的。 在所有的数字式时间及频率测量设备中,几乎都存在着±1个字的计数误差。它的存在,极大地影响仪器的测量精度。减小它的影响,对提高仪器设备的测量精度有着十分重要的实际意义。本文提出的一种基于量化时延原理的短时间间隔的精确测量方法的新思想,十分有效地减小了±1个字的误差影响。此方法可以广泛地应用于高精度频率、时间及相位测量中,将其与一种从多周期同步法发展而来的高精度、定闸门测量法相结合,可实现高速、高精度、连续频率测量,而这一点非常适合非频率量传感信号的测量。论文详细地介绍了该方法的原理以及利用CPLD实现的测量系统,并将此方法应用于两个实际的项目中,收到了很好的效果。我们相信,该方法在航天、航空、国防等领域的自动控制系统中有着极其广泛的应用前景。 光频测量是国内乃至国际上关注的热点,开发新的光频测量方法对光频标的建立有着非常重要的意义。根据国内外的情况,提出一种新的测量方法:即利用任意频率信号之间都存在着相互相位差周期性变化的现象,根据李沙育图形的原理,在技术上完成了射频到微波信号之间成10~5频率关系的比对,再根据频率信号的共性,将此方法推广到微波到光频信号之间的比对,以完成对光频的测量。


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