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技術(shù)文章

頻率計(jì)基礎(chǔ)知識

點(diǎn)擊次數(shù)：1766 發(fā)布時(shí)間：2009-3-27

電子計(jì)數(shù)器是一種基礎(chǔ)測量儀器，到目前為止已有30多年的發(fā)展史。早期，設(shè)計(jì)師們追求的目標(biāo)主要是擴(kuò)展測量范圍，再加上提高測量精度、穩(wěn)定度等，這些也是人們衡量電子計(jì)算器的技術(shù)水平，決定電子計(jì)數(shù)器價(jià)格高低的主要依據(jù)。目前這些基本技術(shù)日臻完善，成熟。應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)可以輕松地將電子計(jì)數(shù)器的測頻上限擴(kuò)展到微波頻段。
　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用戶對電子計(jì)數(shù)器也提出了新的要求。對于低檔產(chǎn)品要求使用操作方便，量程（足夠）寬，可靠性高，價(jià)格低。而對于中產(chǎn)品，則要求有高分辨率，高精度，高穩(wěn)定度，高測量速率；除通常通用計(jì)數(shù)器所具有的功能外，還要有數(shù)據(jù)處理功能，統(tǒng)計(jì)分析功能，時(shí)域分析功能等等，或者包含電壓測量等其他功能。這些要求有的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)或者部分實(shí)現(xiàn)，但要真正的實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，對于生產(chǎn)廠家來說，還有許多工作要做，而不是表面看來似乎發(fā)展到頭了。
　　在測試通訊、微波器件或產(chǎn)品時(shí)，常常需要測量頻率，通常這些都是較復(fù)雜的信號，如含有復(fù)雜頻率成分、調(diào)制的或含有未知頻率分量的、頻率固定的或變化的、純凈的或疊加有干擾的等等。為了能正確地測量不同類型的信號，必須了解待測信號特性和各種頻率測量儀器的性能。微波計(jì)數(shù)器一般使用類型頻譜分析儀的分頻或混頻電路，另外還包含多個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)、合成器、中頻放大器等。雖然所有的微波計(jì)數(shù)器都是用來完成計(jì)數(shù)任務(wù)的，但制造廠家都有各自的一套復(fù)雜的計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)、使得不同型號的計(jì)數(shù)器性能和價(jià)格會(huì)有所差別，因此需要根據(jù)其附加特性或價(jià)格來慎重選擇。
　　對靈敏度和準(zhǔn)確度的要求
　　為了測量微波頻率，頻率計(jì)必須在測量頻率點(diǎn)上有足夠的靈敏度，因?yàn)橛行﹥x器的實(shí)際性能比說明書給出的指標(biāo)要好些，這樣當(dāng)測量臨界信號時(shí)才可能有更多的靈活性。例如，微波計(jì)數(shù)器說明書給出在20GHz時(shí)靈敏度為-25dBm，那么*可以成功地用來測量該頻率點(diǎn)上-30dBm的信號。當(dāng)然，如果計(jì)數(shù)器的額定zui高頻率為18GHz，那么由于計(jì)數(shù)器電路不能工作在18GHz以上，你甚至不能用它測量在20GHz上0dBm的信號。因此，如果要做的測量，一定要保證被測信號的頻率和幅度在測量儀器的指標(biāo)范圍之內(nèi)。
　　說明書上的測試性能指標(biāo)給出了測量儀器的“準(zhǔn)確度”和“分辨率”。準(zhǔn)確度指標(biāo)表明儀器的讀數(shù)接近實(shí)際信號頻率的程度；而分辨率指標(biāo)表明多么小的頻率變化可能在儀器上顯示出來。假如需要在15GHz有1Hz的分辨率，儀器必須至少顯示11位數(shù)。高分辨率可以快速測出更小的漂移值和不穩(wěn)定值，但這時(shí)的讀數(shù)不能*代表儀器的準(zhǔn)確度。
　　測量儀器的準(zhǔn)確度的選擇
　　儀器的頻率測量準(zhǔn)確度取決于時(shí)基。大多數(shù)儀器使用的10MHz參考振蕩器具有10^-7或 10^-8的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。高分辨率比高精度更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵黾语@示位數(shù)比制造更穩(wěn)定的振蕩參考源要容易的多。
　　為了提高儀器的測量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，可以購買一個(gè)具有小型恒溫槽的參考振蕩器作為時(shí)間基準(zhǔn)。好的恒溫槽溫度可以穩(wěn)定到零點(diǎn)幾度，這樣就可以保證在外部溫度變化時(shí)振蕩器的頻率變化相當(dāng)小。當(dāng)然，儀器的固有準(zhǔn)確度取決于制造的精度以及校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室對時(shí)基振蕩器的校正；準(zhǔn)確度主要取決于晶振的熱穩(wěn)定性，而與老化關(guān)系不大。
　　通過使用銫束頻率標(biāo)準(zhǔn)或GPS信號作為一個(gè)參考頻率源送入整個(gè)系統(tǒng)的所有儀器，可zui大限度地提高頻率測量準(zhǔn)確度，這樣在測量儀器中就不需要有的時(shí)基而可以達(dá)到10^-12到10^-14的頻率測量準(zhǔn)確度，也就是說，可以達(dá)到比儀器zui高分辨率高得多的頻率測量準(zhǔn)確度。
　　可能影響計(jì)數(shù)器選擇和應(yīng)用的還有另外幾個(gè)值得考慮的特性，如：采樣時(shí)間、測量速度和跟蹤速度，這些特性可能影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確及對結(jié)果的及時(shí)處理。
　　微波計(jì)數(shù)器的使用
　　如果要測量的信號中有噪聲、諧波或寄生分量，盡量不要使用微波計(jì)數(shù)器。在選擇測量儀器之前必須了解待測信號的所有特性，附非肯定待測信號是純凈（無噪聲干擾）、平穩(wěn)、單一頻率成分，否則應(yīng)該在制訂測試方案前用頻譜分析儀先觀測待測信號中的干擾信號及噪聲電平，然后看計(jì)數(shù)器的性能是否能允許這些干擾并仍能成功地完成頻率的測量。例如：當(dāng)前出現(xiàn)的干擾信號比被測信號至少大6dB時(shí)，計(jì)數(shù)器測得的是這個(gè)干擾信號，這就導(dǎo)致了錯(cuò)誤的測量結(jié)果。
　　一般來說，對干擾信號和噪聲可以使用計(jì)數(shù)器的附件來抑制。如果被測頻率變化小于百分之幾，可以考慮在計(jì)數(shù)器輸入端安裝一個(gè)濾波器，以抑制不需要的信號（圖1）。如果需要測量的幾個(gè)信號的頻率值相差很大，可以使用可調(diào)帶通濾波器或高通、低通濾波器依次測量每一個(gè)信號的頻率。這樣可以避免一直占用頻譜分析儀，因?yàn)轭l譜儀的價(jià)格可能是那些附件價(jià)格的10～20 倍。

　　圖1 如果知道待測信號的大概頻率（A），就可以用濾波器抑制已知的干擾信號（B），而在計(jì)數(shù)器量程之外的其他信號（C）或低電平信號（D）不會(huì)對待測信號的頻率測量產(chǎn)生干擾。
　　在某些特殊的測試場合，可能需要其它附件，比如用一個(gè)射頻放大器來放大低電平的信號，或通過一個(gè)外接的混頻器來測量超出計(jì)數(shù)器測量范圍的頻率，當(dāng)然，有些計(jì)數(shù)器能夠直接測量100GHz以上的頻率。在機(jī)動(dòng)車的防撞雷達(dá)和低功率通訊中繼站就需要這種性能的頻率計(jì)來測量。還有些計(jì)數(shù)器可以測量信號電平、周期、脈寬和脈沖頻率，選擇這樣的計(jì)數(shù)器可以使測試方案中使用的測試儀器更少。
　　結(jié)束語
　　由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微波頻率計(jì)都在不斷地進(jìn)步著，靈敏度不斷提高，頻率范圍不斷擴(kuò)大，功能不斷地增加。一些計(jì)數(shù)器可以測量脈沖參數(shù)，并提供類似于頻率分析儀的屏幕顯示；對這些功能具有不同功能不同規(guī)格的眾多儀器，我們應(yīng)該視測試需要正確地選擇，以達(dá)到和*的應(yīng)用效果。

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