专利名称：频率相差和频率稳定度测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及频率标准源，尤其是一种用于频率标准的频率相差和频率稳定度测试仪。
航天导航、远程打靶、大地测量、时间保持、时间播授等部门必须使用高精度频率与时间。这些部门一般要同时使用三台频率标准，在使用过程中要不断地测量频率和时间相位。由于使用的频率很精确几乎是同步的，所以很难测量出它的稳定度。为了测量稳定度还要增加一台和上述三台同一量级的频率标准并人为地调偏，使它与正常频率标准比对时产生差拍，从而方可测定它的差拍，再计算差拍的差值，计算它的稳定度。这是传统测试方法，要牺牲一个频率标准源(一个频率标准价格为40万人民币，进口的为30万美金)，是很不经济的。
本实用新型的目的是提出一种用于频率标准的频率相差和频率稳定度测试仪，既达到节省一台频率标准，又能达到或超过传统方法所能达到的测试分辨率和准确度。
本实用新型的技术方案是一种用于频率标准的频率相差和频率稳定度测试仪，其特点在于它包括电路和仪器箱，该仪器箱的正面有显示屏和被测频率标准的信号输入端插座Fa和Fb，背面有两输出端Ta和Tb，可供接入其他计算机进行数据处理，所说的电子线路由隔离放大器，混频器、插入振荡器、放大／整形电路运算和显示电路构成；所说的隔离放大器是由前置放大器、推挽功率放大器和电子滤波器构成的，所说的前置放大器由三极管Q1、电阻R1、R2、R3、R14、电容C1、C2、C7、C8、C3和电感L1构成，所说的电子滤波器由三极管Q6、电容C6和电阻R10构成，所说的推挽功率放大器由两个PNP三极管Q2、Q4、两个NPN三极管Q3、Q5及6个电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9组成，三极管Q2和Q5、Q4和Q3分别连接成互补跟随形式，是这样连接的三极管Q4和Q2的基极连接到电容C4和电阻R5、R4的节点C，三极管Q4的集电极接电阻R5、R7和三极管Q5的集电极的节点-即地，电阻R7的另一端接三极管Q2的发射极和三极管Q5的基极的节点f，三极管Q2的集电极接电阻R6、三极管Q3的集电极、三极管Q6的发射极和电阻R4的节点，电阻R6的另一端接三极管Q4的发射极和三极管Q3的基极的节点e，三极管Q3的发射极通过电阻R9与三极管Q5的发射极的电阻R8相连于U后通过电容C5接混频器；所说的隔离放大器中的电阻应满足下列关系为R4=R5，R6=R7，R8=R9；所说的三极管Q2、Q3可选用3DG142或9818，所说的三极管Q4、Q5可选用3CG14或9012；所说的电阻阻值的取值范围为20KΩ≤R4=R5≤100KΩ2KΩ≤R6=R7≤10KΩ10Ω≤R8=R9≤50Ω本实用新型工作原理，特点是优点我们将结合实施例的附图作进一步说明。
图1是本实用新型的外观示意图。
图2是本实用新型的电路原理框图。
图3是本实用新型隔离放大器1的电路原理图。
图4是本实用新型隔离放大器实施例2电路原理图。
图5是本实用新型隔离放大器实施例3的电路原理图。
图6是本实用新型混频器3的实施例电路连接图。
图7是本实用新型滤波器4电路图。
图8是本实用新型运算放大5电路图。
图9是本实用新型整形电路6原理图。
本实用新型是一种用于频率标准的频率相差和频率稳定度测试仪，包括电路和仪器箱体，图1是仪器箱的外观图，该仪器箱的正面有显示屏1和被测频率标准的信号输入端插座Fa、Fb，背面还有两个输出端Ta和Tb，也可利用这两个输出端Ta和Tb将差拍放大后的信号输入其他计算机进行运算显示。
图2是本实用新型的电路原理框图。
所说的电路由插入振荡器Fc、隔离放大器1和隔离放大器2、混频器3和混频器3’、放大／整形电路(即滤波器4、运算放大电路5、整形电路6)和放大／整形电路(即滤波器4’，运算放大器5’、整形电路6’)、运算和显示电路7组成。fa和fb分别是频率为5兆赫兹MHz的被测的两个信号源，fc是外插振荡器，频率为5000001Hz，比被测的振荡器高1赫兹(Hz)。fa5MHz信号经隔离放大器1送混频器3，fc频率信号送混频器3，混频器3输出一个拍频信号由放大整形电路(4、5、6)中产生一个1Hz方波信号，这个信号叫做Ta。同样方法Tb信号是由fb5MHz信号经隔离放大器2送混频器3’，fc也送混频器3’，进行混频，在放大整形电路(4’、5’、6’)中产生一个1Hz方波信号，两个放大整形电路(4、5、6、4’、5’、6’)的输出两个信号幅度相同，上升沿相同(上升沿为小于10ns，幅度3Vp-p方波信号)，仅输出的相位是fa和fb变量的函数，供运算显示电路7运算并在显示屏1显示结果。为了便于分析数据，也可将放大整形电路放大整形后的信号用Ta和Tb两端子输出，Ta和Tb和外接计算机相连后，用Ta、Tb信号分别去触发频率计数器的时间间隔的开门和关门就可以得到下面的结果。
由上述Ta=fa-fc
Tb=fb-fcTa-Tb=(fa-fc)-(fb-fc)=fa-fb在双相混频时，中间振荡频率fc，在Ta-Tb很小时，fc提供了两个差拍信号，fc的瞬稳很好的话，它的误差带进去很小。根据这个原理，插入振荡器fc的短期稳定度，可以比欲要测量的短期稳定度低，测量两个频率源时，不用调偏其中的一频率源，拍频信号由插入振荡器fc产生。误差计算X(i)=(Ta-Tb)νbν0+φ2πν0]]>式中，Ta计数器的启动时间Tb计数器的关闭时间Vbfc与被测频率源的标称差频的倒数V0fc插入振荡器的标称频率5000001Hzφ是双混频系统的两部分之间总相位差，测量两钟的稳定度，则可以不考虑。如果是用来测量时差，这一项必须扣除。自校时的时差为φ2π]]>。
用双混频方法直接测量频率相差(直接测量两个5MHz之间的相位)由上面的公式所示，以一个普通的计数器就能得出很高的频率的相位差，它的秒脉冲信号是由混频产生的，对于5MHz的频率而言，要乘上2×10-7系数。现在我们采用10MHz的频率计数器，所以它的分辨率为最后一位正负一个数字(2个数字)，为了保险一些，我们给它5个数字，这样它的分辨率为0．5μS×2×10-7系数为0．1pS。该仪器在自校时波动在μS级5个数字，最大不到10μS，但是又考虑内部晶振的漂移，所以放宽到100μS位5个数字为10pS以上所指是实际测量的结果。
用双混频方法测量频率稳定度a．被测两个信号分别送fa、fb，Ta信号开计数器的闸门，开始计数。Tb信号关计数器的闸门，停止计数。得出(Ta-Tb)，计数频率为10MHz。采集(Ta-Tb)1；(Ta-Tb)2；(Ta-Tb)3；(Ta-Tb)4；(Ta-Tb)5…………(Ta-Tb)101为一组。
b．根据(1)式计算，我们可以得时差X(i)1、X(i)2、X(i)4、X(i)5、……X(i)nc．计算间隔内的相对频差为y(i)=x(i+1)-x(i)τ]]>式中τ为两次取数的时间间隔，为了测量不同时段的稳定度τ分别为1秒、10秒、100秒、1000秒d．计算稳定度δY(τ)=12(M-1)·Σi=1N-1[Y(i+1)-Y(i)]2··(2)]]>或δY(ι)=vb2(M-1)·τ2·v02·Σi=1N-1[Δ&Tgr;(i+2)-2Δ&Tgr;(i+1)+Δ&Tgr;(i)]2··(3)]]>按公式(2)或公式(3)就可以算出101个数据的结果。
隔离放大器1和隔离放大器2是结构完全相同的，下面就其中之一加以描述。图3是隔离放大器实施例1的电路图，由前置放大和功率放大两级组成，三极管T1、T3为3DG142，三极管T2和T4为3CG120，各元件参数如图所示，能满足测量要求。
该实施例1的隔离放大器不太理想，尤其是环境温度发生变化时，往往会产生交越失真，为此提出改进，如图4所示，是隔离放大器实施例2，实施例2由放大器、推挽功率放大器，电子滤波器构成，由三极管Q1、电阻R1、R2、R3、R14、电容C1、C2、C7、C8、C3和电感L1构成所说的前置放大器，所说的电子滤波器由三极管Q6、电容C6和电阻R10构成，所说的互补推挽功率放大器由PNP三极管Q4、Q5、NPN三极管Q2、Q3、电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、电位器R11、电容C9构成，三极管Q2、Q3是NPN型的，接成两级串联的射极跟随器电路，Q4、Q5是PNP型三极管接成两级串联的射极跟随器电路。这种电路的输出阻抗可以做得很小，负载能力很强，但是这种电路容易产生交流放大电路经常发生的交越失真，在电路中加了可变电阻R11来调节工作点，或是将电阻R11换成二极管，环境温度变化，可用手工调整R11适应之，但仍有缺点，即仍随工作的环境温度变化而改变其工作点，因而在一定温度范围内要发生交越失真，由手工调整，由于滞后效应，总不能保证在一个较宽的温度范围内做到不失真。
为此，发明人提出了隔离放大器实施例3如图5所示，是一种无交越失真的隔离放大器，它由前置放大器、互补推挽功率放大器，电子滤波器组成，所说的前置放大器由三极管Q1、电阻R1、R2、R3、R14、电容C1、C2、C7、C8、C3和电感L1构成，所说的电子滤波器由三极管Q6、电容C6和电阻R10构成，其特点是所说的推挽功率放大器由二个PNP三极管Q2、Q4、两个NPN三极管Q3、Q5及6个电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9组成，三极管Q2和Q5、Q4和Q3分别接成互补跟随推挽功率放大器，具体连接如下三极管Q4和Q2的基极连接到电容C4和电阻R5、R4的节点C，三极管Q4的集电极接电阻R5、R7和三极管Q5的集电极的节点一即地，电阻R7的另一端接三极管Q2的发射极和三极管Q5的基极的节点f，三极管Q2的集电极接电阻R6、三极管Q3的集电极、三极管Q6的发射极和电阻R4的节点，电阻R6的另一端接三极管Q4的发射极和三极管Q3的基极的节点e，三极管Q3的发射极通过电阻R9与三极管Q5的发射极的电阻R8相连于U后通过电容C5接混频器3的输入端。
其中三极管Q1、Q2、Q3选用9818型三极管，三极管Q4、Q5选用9012型三极管，三极管Q6选用9013型三极管。
电阻R4=R5=100KΩR6=R7=10KΩR8=R9=50Ω按照上述连接后，三极管Q4、Q3分别是PNP和NPN型三极管互补跟随，三极管Q2、Q5分别是PNP和NPN型三极管互补跟随，我们称三极管Q2基极到Q2发射极的电压为Q2Vbe，称三极管Q3基极到Q3发射极的电压为Q3Vbe，称三极管Q4的基极到Q4发射极的电压为Q4Vbe。称三极管Q5的基极到Q5发射极的电压为Q5Vbe。Q4Vbe和Q2Vbe是相同的，电阻R5和电阻R6的输出端的直流电位和三极管Q4、Q2的U点直流电位是相等的，那么三极管Q4的Vbe正好提供给三极管Q3的Vbe，三极管Q2的Vbe同样也正好提供给三极管Q5的Vbe，而Q4的Vbe和Q2的Vbe由于是跟随器接法，Q4和Q2的Vbe处于100％的电压负反馈。如果由于环境温度的变化，温度T升高，Q4Vbe、Q2Vbe会变小，这时Q3Vbe、Q5Vbe需要降低，而降低的量正好是Q4Vbe、Q2Vbe会变小的量；反之，由于环境温度T下降，温度T下降，Q4Vbe和Q2Vbe会变大，这时Q3Vbe和Q5Vbe则需要升高，而升高的量正好是Q4Vbe和Q2Vbe会变大的量。当电源电压发生变化时，该四个管子Q2、Q3、Q4、Q5能随电源电压的波动而自动的负反馈，自动地达到平衡。
经实验证明，本实用新型，当环境温度发生变化时，Q2、Q3、Q4和Q5四个管子能自动调整自己的工作点，工作温度范围在-10℃至+40℃，而且本实用新型的输出功率大，效率高，隔离度极高，120分贝以上，是一种无交越失真的隔离放大器。
图6是混频器3的实施例，其型号是VJH6或VJH8B。放大／整形电路包括滤波器4、运算放大电路5和整形电路6三部分，图7是滤波器4电路图。
图8是运算放大器5电路图，属于放大／整形电路的一部分，采用LM324四级放大。
图9是整形电路6原理图，采用四个74L500集成块构成。
图2中运算和显示电路7是常用的，在此不赘述。
由上述电路构成的频率标准的频率相差和频率稳定度测试仪，经实测获得结果如下1．测量相位差a．测量范围00000．0μS-99999．9μS该时间信号是由5MHz混频器产生1秒信号，所以要乘上5MHz的倒数2×10-7代表值为00000．0μS×(2×10-7)-999999．9μS×(2×10-7)00000．0pS-200nS 10μS=2pS； 10000μS=2nSb．时差测量分辩率为0．1pS(0．1μS位5个数字)。
c．时差测量准确度为10pS(100μS位5个数字)2．自校测量频稳定度两个频率输入端fafb同时接到一个频率源上，所看到的就是本机的噪声。见下表
本实用新型的优点是1、采用本实用新型进行测试，可为客户节省一台频率标准，价值40万元或30万元美元(进口)；2、本实用新型测量精度高，可以精确地测出相位差，分辨率达0．1毫微秒，准确度可达10毫微秒。
3、本实用新型造价便宜，运用传统方法的仪器是达到如此高的分辨率和准确度，其造价是本实用新型的20倍。
权利要求1.一种用于频率标准的频率相差和频率稳定度测试仪，其特征在于它包括电路和仪器箱，该仪器箱的正面有显示屏(10)和被测频率标准的信号输入端插座(Fa)和(Fb)，背面有两输出端(Ta)和(Tb)，可供接入其他计算机进行数据处理，所说的电子线路由隔离放大器(1、2)，混频器(3、3’)、插入振荡器(fc)、放大／整形电路(4、5、6，4’、5’、6)、运算和显示电路(7)构成。
2.根据权利要求1所述的频率相差和频率稳定度测试仪，其特征在于所说的隔离放大器是由前置放大器、推挽功率放大器和电子滤波器构成的。
3.根据权利要求2所述的频率相差和频率稳定度测试仪，其特征在于，所说的前置放大器由三极管Q1、电阻R1、R2、R3、R14、电容C1、C2、C7、C8、C3和电感L1构成，所说的电子滤波器由三极管Q6、电容C6和电阻R10构成。
4.根据权利要求3所述的频率相差和频率稳定度测试仪，其特征在于所说的推挽功率放大器由两个PNP三极管Q2、Q4、两个NPN三极管Q3、Q5及6个电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9组成，三极管Q2和Q5、Q4和Q3分别连接成互补跟随形式，是这样连接的三极管Q4和Q2的基极连接到电容C4和电阻R5、R4的节点C，三极管Q4的集电极接电阻R5、R7和三极管Q5的集电极的节点-即地，电阻R7的另一端接三极管Q2的发射极和三极管Q5的基极的节点f，三极管Q2的集电极接电阻R6、三极管Q3的集电极、三极管Q6的发射极和电阻R4的节点，电阻R6的另一端接三极管Q4的发射极和三极管Q3的基极的节点e，三极管Q3的发射极通过电阻R9与三极管Q5的发射极的电阻R8相连于U后通过电容C5接混频器。
5.根据权利要求4所述的频率相差和频率稳定度测试仪，其特征在于所说的隔离放大器中的电阻应满足下列关系为R4=R5R6=R7R8=R9。
6.根据权利要求4所述的频率相差和频率稳定度测试仪，其特征在于所说的三极管Q2、Q3可选用3DG142或9818，所说的三极管Q4、Q5可选用3CG14或9012。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的频率相差和频率稳定度测试仪，其特征在于所说的电阻阻值的取值范围为20KΩ≤R4=R5≤100KΩ2KΩ≤R6=R7≤10KΩ10Ω≤R8=R9≤50Ω
专利摘要一种频率相差和频率稳定度测试仪,由插入振荡器、隔离放大器、混频器、放大整形电路、运算和显示电路组成,其优点是可为用户测试节省一台频率标准,并且具有造价较低和测量精度高的特点,分辨率达0.1毫微秒,准确度达10毫微秒。
文档编号G01R23/00GK2428782SQ00216420
公开日2001年5月2日 申请日期2000年2月3日 优先权日2000年2月3日
发明者沈季良, 蔡勇, 马南雪 申请人:中国科学院上海天文台