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谈谈频率稳定性

2018-07-11 08:55 网络整理

    摘要:现代字体一致与把持策略的频率源,显著地迅速开展的迅速光纤一致、无线一致零碎和自动化供工业用的正到达越来越,心脏停搏崇高的电子合适的。频率源的装有蝶铰机能是频率稳定度。。本文议论了频率稳定度的手势。,星力频率不稳固性的阻力丝、现实申请表格射中靶子改良办法和实验方式。

一、概述

在人类文明开展的无端的历史中,工夫和频率的测技术掌握十足的要紧的投资。,跟随科学技术的不断开展,对工夫和频率技术的请求也越来越高,工夫测的精确、三个物理量,音长和全体的,殖民地的开拓高尚的投资。,已实现工夫和频率测的正确的。1x10-15,并持续改良。。

工夫和频率技术的开展是由开展推进的。,现代字体一致技术的开展,显著地迅速光纤一致技术、无线一致技术的迅捷开展,频率源(或记号源)、振荡器,上面的精确在夸大。。高稳定频率源迅速率、高全体的记号转乘的保证书,因而人道把频率源称为一致策略的心脏停搏。。比如,频率源相噪声对垃圾箱感性和信噪比的星力、迅速率数字一致零碎的星力、校验零碎对校验感性的星力,诸如此类,对一致全体的起着定局的功能。

本文以短期频率稳定度为压力绍介频率稳定度的手势、星力阻力丝、频率稳定度的改良办法及测方式。

二、频率稳定性手势

最经用的频率源是石英安瓿吸入剂振荡器,频率稳定性是振荡器在全体整齐的的工夫漫游内产

生能与之比拟的东西频率的一种方式。频率稳定性细想现实上是频率不稳固性的细想,即找出事业频率不稳固的阻力丝及减小或消释这些阻力丝的方式,这么来充分发挥潜在的能力应用请求的频率源。频率稳定性又分为频率俗人稳定性(略号长稳或低年龄、低闲逛的)和澳门金沙线上娱乐(略号短稳),短稳是本文议论的压力。图2-1是频率稳定性与工夫的相干示意图。

2-1 频率稳定性与工夫的相干示意图

1.俗人稳定性

    俗人稳定性(现实上是不稳固性)是指振荡器在长工夫内发作的频率互换的特点,也叫低年龄特点或闲逛的特点。

    下面所说的事工夫普通是指小时、天、月、年甚至10年、20年,俗人稳定性的表征普通用年龄率(或闲逛的)ppm/d10-6/天), ppm/m, ppm/y, ppm/10y,来表现。

    细想俗人稳定性的宾语是要找出星力振荡器频率闲逛的的发生因果关系及减小和消释这些发生因果关系的办法,使之充分发挥潜在的能力咱们的请求。

2.澳门金沙线上娱乐

    澳门金沙线上娱乐是指振荡器频率的霎时互换,它包孕因果效应,如电源的霎时崎岖或震动创造的短期不稳固性,这种效应是决定的;可供选择的事物是随机效应,随机的和幂律噪声只发生随机的短期不稳固性,这执意常说的相噪声,跟随一致零碎技术的开展和机能的提出,频率震源相噪声的请求动不动是全体零碎的限度局限阻力丝,故相噪声是咱们要议论的压力。

    参考应用请求的有区别的,对短期频率稳定性既可以从频域的角度,即记号的光谱优雅去细想,也可从时域的角度,即稳定性去细想,他们形容的是相同的事物,是相反相成的、紧密彼此的牵连的、可以彼此的转变的。表征短期频率稳定度的决定因素有光谱优雅或相噪声(phase noise),是从频域的角度来形容的;那个从时域的角度经用咔哒声(jitter)、阿伦方差来表现。

上面临这数个手势加以阐明。

    1) 相噪声

    相噪声是频率稳定度的频域表征,使习惯于不注意相噪声,这么振荡器的全体功率都应集中在频率f=fo处,功率光谱是每一以fo为提取岩芯的垂线,如图2-2所示。

           图2-2 纯无记号光谱图

    这时记号源出口为一纯无波,陈述列举如下:        (2-1)

式中,u(t)—记号的立即的施加压力

      V0—记号的标称    峰值施加压力漫游

      fo—记号的标称频率

但现实上这种记号源是不在的。因现实上什么记号源都在不稳固性,相噪声的在将振荡器的部分的功率扩展到使结合的频率中去,发生了厚边(sideband)。如图2-4所示。这时记号源出口为一非纯无波,陈述如(2-2)所示:

              (2-2)

式中,ε(t)—立即的的漫游崎岖

      ΔΦt)—立即的相崎岖

2-3 梦想无记号与现实无记号的相特点比力

       2-3

  通常的记号源出口的记号ε(t)≦V0它不目前的使符合频率崎岖或相崎岖,故处可疏忽蔑视。相崎岖ΔΦt)作为工夫作用是咱们细想的次要物体。此刻,时2-2现象:   (2-4)

相崎岖ΔΦt)事业的不稳固性可以当量地看法是差劲的的频率或相的崎岖(频率是绝对工夫的派生词)。这些崎岖的特点形容通常叫做相噪声。

相噪声通常限制为每一振荡器在一偏移频率fm处1Hz带宽内的单厚边记号功率与记号的总功率除,其单位为dBc/Hz,它通常表现为dBC/HZ@校频。

   2-4 记号功率谱密度和相噪声手势示意图

    2) 咔哒声

咔哒声是频率稳定度的时域表征,记号分开梦想投资的方式。工夫单位(如PS),FS表现法。图2-5是出口波形现实记号分开梦想记号的使适应不同影响。

         

(a) 无波形(零穿插互换)                 (b)Fang Bo记号(记号沿相反的涂)

图2-5 咔哒声手势示意图

      有两种次要的咔哒声典型。:决定性咔哒声和随机咔哒声。决定性咔哒声是由可显示出特性的使卡住记号事业的。,这种咔哒声通常是极大的的。,有假设的(而责怪随机的)发生因果关系的,不举行总计辨析。。

随机咔哒声是指由不行预测的阻力丝事业的时序互换。,其最根本的特点经过是随意。,这么大的,咱们可以应用高斯总计散布来形容它的特点。。

 比如,秒表振荡器振荡包围的100次延续测,测胜利将是高斯散布(或正规军散布)。。在平均的±1标准曲解漫游内,全部包围性测都是,在其平均数±2倍标准曲解的漫游内计入全部测最高纪录的95.4 %,± 标准曲解漫游内测最高纪录的3倍,± 标准曲解漫游内测最高纪录的4倍。

从正态散布,咱们可以来两个罕见的咔哒声限制。:

    A. 峰峰值咔哒声,正规军购得最小测值与TH的差值。在大块唤醒中,该值随测战利品定量的夸大而夸大。,抽象地可达无穷大。这么大的,下面所说的事测否定要紧。。

    B. 均方根咔哒声,正态散布一阶标准曲解的取值。跟随山姆数的夸大,该值的互换刚刚。,因而下面所说的事办法更起锚。。但这一推理仅在纯高斯散布中才是无效的。,使习惯于在散布中在什么决定性咔哒声,用一阶V评价咔哒声的能够性是相反的的。。

    C. 可以经过RMS夸大多个随机咔哒声源。已经要收购总咔哒声,需求应用峰值和峰值,为了在决定性咔哒声中参与随机咔哒声。

    3)阿伦方差

形容频率稳定度经用的另每一特点决定因素。它被限制为:绝对频率动摇方差分开的集中平均数,它是一种总计计算方式。,是振荡器出口频率澳门金沙线上娱乐时域表现的偏爱的事物限制的无偏评价。陈述列举如下:

      2-5

相噪声、咔哒声、艾伦方差是D频率的澳门金沙线上娱乐的陈述。,它们可以共有的替换。,因频率是相到工夫的派生词。。

星力频率稳定度的阻力丝

振荡器的出口是工夫。、体温、加速速率、激励、震动、功率动摇等各式各样的使习惯于的星力,过失特点十足的复杂。。这时对星力俗人稳定性的阻力丝作复杂绍介,星力短期频率稳定性的阻力丝有:。

1、星力频率俗人稳定的阻力丝辨析

频率俗人稳定的发生因果关系是极端复杂的。,普通以为,有在室内使用的阻力丝和显露阻力丝。。

就在室内使用的阻力丝就,率先是安瓿吸入剂它自己的缺陷。,作为织物射中靶子杂质原子、填隙原子和空间点阵空的等缺陷在应用工序中跟随工夫的制订出而重行散布这么共鸣器弹力系数发作互换,频率漂移;秒个是安瓿吸入剂应力的互换。,比如,夹紧电极和托架上的附加应力。、磨削工艺品流程工序中发生的剩余应力,初始喷出银镀层层间的层间应力,频率随工夫互换。;再次,共振电极使氧化工序射中靶子物质的化学组成和物理互换,它还事业安瓿吸入剂全体的的互换和频率漂移。;除此之外,共鸣器中能够的附件、净化也会在凿的应用工序中使感动,创造转变。,共鸣器的生效事业了在室内使用的气的互换。,大主教区事业频率的互换。;顶点,电子设备年龄事业的电子决定因素互换,它也创造频率的逐步互换。。

就显露阻力丝就,驾驭功率也会星力频率的俗人稳定性。,驾驭功率越高,事业频率闲逛的的方式就越大。再如应用一带的体温的互换,应用工序中四周的激励震动的星力,诸如此类,同样某一星力频率稳定的阻力丝。

外面的这些互换普通来讲是细微的、突变的,但关于请求频率正确的极高的振荡器就,其星力是不行忽视的。

2、星力频率澳门金沙线上娱乐的阻力丝辨析

事业振荡器频率(相)随机咔哒声的次要发生因果关系是电噪声,这么大的,振荡器的短期频率稳定性安宁T。,或许这安宁振荡器的信噪比。。参考噪声使符合机械装置的区别,振荡器(普通为石英安瓿吸入剂振荡器),短安瓿吸入剂振荡器射中靶子不决定性(随机)噪声典型、榴霰弹噪声与闪烁噪声。

1)  热噪声

什么在绝对零度下不任务的安排合适的,在运输公司中不变的有整齐的的热运动。,在主动语态器小块噪声,据NyquistNyquist细想来的无效噪声功率为:

P n=kTB                   3-1

式中   k=806X10 -23J/K, 波耳兹曼常数;

       T—绝对体温(K

       B—零碎带宽(Hz

声频谱的密度与频率有关。,这是每一白垩质的使出声。

    2)散弹噪声

散弹噪声是由大约随机的孤独事情事业的噪声,它是由汽车发生和重组的随意发生的。。也这是每一白垩质的使出声。

    3)闪烁噪声

英文叫flicker,某一文件崇高的闪烁噪声。,频率总的来看在1200Hz以下,光谱密度随频率的使变弱而极大的增大。,频率使符合1/f α的相干,通常α=1,已经关于有区别的的策略,α0.8~经过,这么大的闪烁噪声也崇高的闪烁噪声。1/f噪声。真正的发生因果关系尚微暗。,尽管如此,普通以为半曲面的显露特点。。

四、提出频率稳定度的办法

星力安瓿吸入剂振荡器频率稳定性的阻力丝是VE。,缩减和消释各式各样的阻力丝星力的办法和方式每一必然从各种各样的环节思索的零碎成绩。这么大的,本文从数个担任守队队员举行了总结。,使负债务相称尝试的标的目的。。几乎现实影响,从设计、浅谈创造与申请表格的数个成绩。

1、  设计

保证书记号源频率稳定是最要紧的。,图4-1现实振荡器示意图。

4-1 现实振荡器唤醒图

参考衍生物,与斑点相噪声彼此的牵连的次要决定因素的表现:

                  4-1

式中,QUL频率源丢下品质因数,              4-2

ω0We—电抗功率

     ω0共鸣器出口角频率

      Po出口记号功率

      Pi—反应输出记号功率

      PR共振唤醒中阻力亏耗的功率

      Psi—输出记号功率

      F—振荡器中扩大的人的噪声典型

      k—波耳兹曼常数,k=806X10-23

       T—绝对体温(K

      f0共鸣器出口频率

      fc拐角频率,是与闪烁噪声彼此的牵连的频率偏移点。

      fm分开提取岩芯频率

 现实振荡器决定因素与OPT经过的相干,这是设计中最要紧的每一措辞。,因它计入了由相噪声发生的佼佼者发生因果关系。,产生了振荡器相噪声的设计方式。

最小的方式,这是振荡器设计需求遵照的规律。。可以看出,使振荡器收购低相噪声,应思索振荡器的装载品质因数。QUL尽能够大;回忆在共振唤醒射中靶子电抗充其量的Ω0咱们尽能够大;低噪声典型F主动语态器件的选择;选择低闪烁噪声校频-1的主动语态器件;具有闪烁噪声的主动语态器件的跨导、输出阻抗和出口阻抗的星力最小。;共振唤醒耦合出口记号,这么大的,当环路的半带宽超越环路时,相噪声的快速地垂下,诸如此类。

这时,共鸣器设计对相噪声的星力是十足的要紧的。。现实申请表格中,参考源的频率正确的(稳定性),振荡器。共鸣器设计中参考频率稳定性请求的有区别的,采取有区别的军衔的安瓿吸入剂、有区别的的锐利的角度、有区别的的震动方式和有区别的的钢型现象。高稳定性安瓿吸入剂震动,高Q值安瓿吸入剂(大于300万Q),Sc用于切削方式(应力补足角或双角切削),诸如此类。

   2、工艺品

每一设计良好的振荡器还要靠缜密的的有理的工艺品工艺品流程才干保证书其真实可信的地高全体的地任务,

这包孕分解的的工艺品流程和工艺品流程和配A。,处置共鸣器是特殊要紧的。。比如,凿的显露处置。,洗涤及如此等等防净化办法,必然有立刻的工序整齐的,缜密的执行,鉴于振荡器的高稳定性请求,凿的应力和全体的的什么巨大互换都将是敏感的。。振荡器议会,特殊像热敏阻力、变容二极管等敏感器件,其其决定因素的稳定性是十足的要紧的。,配前的决定因素选择和不可避免的的法规处置,对振荡器的俗人稳定性和澳门金沙线上娱乐都有必然的功能。

3、申请表格

振荡器的立刻申请表格是保证书其机能的要紧阻力丝。,必然以乘积它自己的请求为根底,如体温用模子做

围、供电电源、装载电容的选择及申请表格。

五、频率稳定度测

什么相噪声的测方式都有其优错误,适应不同影响有区别的的申请表格,装有蝶铰是测器械使出声的查明真相。,器械感性。这时议论了测相噪声的几种次要方式及其AP。。

1、  致差-计数测法

这是一种时域测相噪声的方式。。这种方式是对测记号举行记号传输。DUT与商量记号一致过频下频率转换到中频(差频),之后用微型计算机把持、高分辨能力频率回答反复中心频率。。

  

           图5-1 致差-计数与测方式生产过程图解 

这种方式的优点是宽的输出频率漫游。,频率偏移对运输公司频率的感性高,特殊匹配100Hz小频偏。错误是商量源必然偏移。,而且偏移量不克不及大于10KHz

2、  光谱辨析仪的目前的测

光谱辨析仪的目前的测DUT源相噪声是一种频域测技术,这是每一复杂而目前的的方式。方式。它目前的将测记号源的出口记号输出SP。,使协调光谱辨析仪的运输公司频率,从光谱的显示配给目前的测相噪声。Lfm)。图5-2这是测方式的生产过程图解。。

    

    图5-2 光谱辨析仪的目前的测生产过程图解

DUT源记号的相噪声高于它的相噪声。AM使出声更要紧,可以应用具有已知噪声特点的商量记号源。DUT使人沮丧的源记号下频率转换DUT源的AM噪声。但DUT源记号必然用作高电平本振。LO驾驭掺和器。测生产过程图解如图5-3所示。

5-3商量记号使人沮丧的DUT源记号的AM噪声校验生产过程图解

光谱辨析仪的目前的测的优点是复杂目镜,尽管如此,光谱辨析仪普通在查明真相不注意十足的噪声。,低感性的限制。不匹配测低相噪声源,它也责怪符合的测大于运输公司的曲解。10KHz的噪声。秒,它不克不及做到这点。AM噪声和FM区别噪声,测胜利是噪声的结成。。再次应用窄析像系数带宽。,长扫描工夫,夸大跨距工夫,测胜利的星力。外面的可见,光谱辨析仪的目前的测是测具有较高相噪声厚边稳定源的一种纤细的的技术。

   3、检频器测

检频器测相噪声同样一种F技术。。这是经过解运输公司。,之后测基带记号的噪声,也称为单源的测。DUT源的短期频率动摇被替换成低频V,再应用低频辨析仪,如施加压力表、波形辨析仪、测用光谱辨析仪。检频器的出口是频率动摇功率。SΔf (fm)。测生产过程图解5-4所示。

5-4 用检频器测相噪声生产过程图解

检频器测有极好的大频率分开感性和宽的频率输出漫游。频率偏移感性0Hz下。这种方式最匹配于测自在振荡器W的相噪声。,频率偏移可以使变弱到100Hz或更低。鉴于近区的感性区别,这么大的,不太好用以分开运输公司没有CA。1kHz锁相环记号源。

应用延迟线和以相位解调器任务的搅拌器结成的延迟线检频器可来甚至更好的鉴频机能。规律示意图5-5所示。

            5-5 用延迟线检频器测相噪声的规律生产过程图解

4、相位解调器测法

相位解调器测法也叫双源测法,这是经过解运输公司。,之后测分解基带记号的噪声,可

提出零碎的感性。最经用的方式,如图画5-6所示。

    

5-6 相位解调器测生产过程图解

经过这种方式,DUT源的短期相动摇目前的替换为TH。。相位解调器出口它与相(或相崎岖光谱)目前的成正比例。SΔΦ(fm))的施加压力,即

ΔV(fm)=KΦΔΦ(fm)             5-1

鉴相方式在全体频率漫游内具有较低的噪声基数。。低宽波段噪声底fm>100kHz这种方式经用于自在振荡器源的测。;而且鉴于近运输公司噪声低,它也可以用来测锁相源。。这种方式能求婚最特有的条件的感性。,这么大的符合的高正确的石英安瓿吸入剂的相噪声测。,尽管如此,这种方式难以测大漂移或高近相。;这种方式比力复杂。,通经用于高感性的影响。。

双平衡搅拌器作为相位解调器是该方式的装有蝶铰。。这两个孤独的输出记号被膨胀到搅拌器。

特有的驾驭程度。经过低通滤光器对搅拌器的和频记号举行滤波。。鉴于锤规性,差频是0Hz,即连续流。还可以确保相发现者具有最大相。KΦ最小的AM感性。在DC上叠加的小交流动摇施加压力是正比例的。。小周相移动,搅拌器任务0V的直线的区。出口施加压力与输出相经过的相干是决定的。KΦ确立或使安全。KΦ经用小偏移时的无拍频记号峰值ΔVbp代表,如图5-7所示。

    

            5-7 相位解调器常数KΦ 的决定

采取相发现者后的低噪声扩大的人对噪声举行膨胀。,这么大的,相发现者方式的全体零碎感性是被证明是的。,它责怪由光谱辨析仪的噪声查明真相求婚的。。

   相发现者的测方式对商量源十足的缜密的。。因相位解调器的出口是均方根的和。,这么大的商量源的选择主要的是:参考源相噪声必然没有DUT源噪声,通常鉴于10dB的围绕,确保测胜利不见得受到很大星力。使习惯于参考源相噪声被正确地赚得,这么DUT源噪声就可以决定。商量源极大的噪声引入的过失Δer可以由下每一典型计算:

                   5-2

     式中,Pref商量声源的现实噪声功率

            PDUT—DUT声源的现实噪声功率

 相反的通常被限制为

              5-3

式中:Lref(fm)—参考源相噪声

      LDUT(fm)—DUT震源相噪声

   可以看出,参考源相噪声应尽能够地低,这项办法将更近的现实估计成本。,过失较小。比如,使习惯于商量源和DUT源的相过失为-10dBc,是什么测DUT震源相噪声与现实的DUT震源相噪声只差约。有区别的商量源对校验胜利的星力列举如下:

(表5-1

同时,商量源还需求十足的电使协调漫游。,以崇拜者DUT源漂移;显著地使习惯于噪声很低,商量源霉臭十足的低。AM噪声,提出测的真实可信的性。并且,保证书搅拌器的锤规性是很要紧的。。

相测方式中仍在坟墓的漂移成绩。,因而用它PLL使负债务的比较级改良相鉴别的测方式。,用于相发现者测的测器械,比如PN9000PNT8010、安捷伦科技公司5505大块ISO相噪声测器械都是用的。PLL技术。图5-8 Agilent E5505相噪声校验仪机构生产过程图解,图5-910MHz等温条件安瓿吸入剂振荡器校验的相噪声机能购得。

5-8 Agilent E5505相噪声校验仪机构生产过程图解

图5-9 10MHz常温晶振相噪声机能

商量文件:

1、白居宪:低噪声频率分解 西安交通大学强迫征兵 2004年

2、赵声衡 赵英编著:安瓿吸入剂振荡器 科学强迫征兵 2008

3、Neil Roberts:相噪声和咔哒声的手势及其计算方式 2006

4、John R. Vig:Quartz Crystal Resonators and Oscillators  For Frequency Control and Timing Applications - A Tutorial,February 2005 SLCET-TR-88-1 (牧师) 8.5.3.0)