楊 國

（滁州學(xué)院，安徽 滁州 239000）

1 外差法

外差法，也稱差頻法，是利用模擬電路獲得被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的差頻結(jié)果，進(jìn)而間接測(cè)量被測(cè)信號(hào)的頻率，被測(cè)信號(hào)?x與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)?s疊加后加到非線性元件上混頻，可產(chǎn)生大量高次諧波，其中包含了它們自身的各次諧波和其組合頻率諧波 m?x±n?s（m、n是整數(shù)）。經(jīng)帶通濾波器后，取出某一個(gè)差頻組合頻率諧波即得到了一路低頻信號(hào)，利用計(jì)算器即可測(cè)量該信號(hào)的頻率，并與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相加得到被測(cè)信號(hào)頻率。為了確定組合頻率諧波的參數(shù)m和n，差頻法測(cè)量系統(tǒng)中必須有相應(yīng)的輔助電路。外差法測(cè)量誤差主要取決于標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率的精度。系統(tǒng)混頻部分的輸出總是信號(hào)的整數(shù)倍諧波，因此只要能夠準(zhǔn)確判斷諧波次數(shù)m和n就基本沒有誤差。

2 計(jì)數(shù)法

常用的數(shù)字頻率測(cè)量方法有M法（測(cè)頻法）、T法（測(cè)周法）、M/T法（測(cè)頻+測(cè)周法）。M 法是在給定的閘門時(shí)間內(nèi)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，進(jìn)行換算得出被測(cè)信號(hào)的頻率。這種測(cè)量方法的測(cè)量精度取決于閘門時(shí)間和被測(cè)信號(hào)的頻率。所以這種方法比較適合測(cè)量高頻信號(hào)的頻率。T法是在被測(cè)信號(hào)的單個(gè)周期內(nèi)，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的周期數(shù)，經(jīng)過換算得到被測(cè)信號(hào)的頻率。這種測(cè)量方法的精度取決于被測(cè)信號(hào)的周期和計(jì)時(shí)精度，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率較高時(shí)，對(duì)計(jì)時(shí)精度的要求就很高。這種方法比較適合測(cè)量較低頻率的信號(hào)。M／T法具有以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，可兼顧低頻與高頻信號(hào)，提高了精度。它的核心思想是通過閘門時(shí)間與被測(cè)信號(hào)同步，將閘門時(shí)間控制為被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍。

由于受到器件最高運(yùn)行速度的限制，直接利用計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率，其測(cè)量范圍有限。為了擴(kuò)大微波計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率的范圍，很多采樣技術(shù)得到了應(yīng)用。目前，在測(cè)試儀器設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的采樣方法有以下幾種：預(yù)定標(biāo)法、外差下倍頻法、置換振蕩法和外差諧波下倍頻法。

3 諧振法

3.1 利用RLC串、并聯(lián)電路的諧振特性

電感、電容、電阻的串聯(lián)、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有諧振特性，利用這種特性可以將頻率轉(zhuǎn)化為電感、電容的參數(shù)來間接測(cè)量頻率。諧振法測(cè)頻范圍為0.5～1500MHz，準(zhǔn)確度為±(0.25～1)%。諧振法測(cè)頻的誤差來自于電感、電容的參數(shù)誤差，受環(huán)境溫度、濕度以及可調(diào)元件磨損等因素變化的影響。電路在諧振點(diǎn)附近時(shí)電流的變化很小，不容易找到真正的諧振點(diǎn)，存在讀數(shù)誤差。

3.2 利用諧振腔的選頻特性

廣義而言，凡是能夠限定電磁能量在一定體積內(nèi)振蕩的結(jié)構(gòu)都可以構(gòu)成微波諧振腔。微波諧振腔一般是在任意形狀的電壁或磁壁所限定的體積內(nèi)產(chǎn)生微波電磁振蕩的結(jié)構(gòu)，它是一種具有儲(chǔ)能和選頻特性的微波諧振原件。微波諧振腔測(cè)頻的精度取決于腔體的Q值、腔體的尺寸精度、負(fù)載影響及環(huán)境影響。

3.3 利用梁結(jié)構(gòu)或者晶振結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行諧振測(cè)量

利用梁結(jié)構(gòu)的諧振特性實(shí)現(xiàn)頻率檢測(cè)也是比較常見的方法。利用機(jī)械結(jié)構(gòu)諧振響應(yīng)的高Q值，采用MEMS梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)MEMS梁所加驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同，實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)頻率的檢測(cè)。

4 比相法

比相法是應(yīng)用較廣的一種瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)，其中心思想是把信號(hào)的頻率信息轉(zhuǎn)換成相位信息，根據(jù)相位所對(duì)應(yīng)的幅度信息推算出信號(hào)的頻率。比相法實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)測(cè)頻可以達(dá)到優(yōu)于1MHz的測(cè)量精度。此方法設(shè)計(jì)的頻率檢測(cè)器設(shè)計(jì)和調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單、反應(yīng)快和相對(duì)精確，所以現(xiàn)在仍在引用。

5 結(jié)論

前文介紹了四種應(yīng)用較為廣泛的微波頻率檢測(cè)方法，現(xiàn)總結(jié)如下：

（1）外差法測(cè)量誤差主要取決于標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率的精度。在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率精度很高的情況下，測(cè)量頻率的誤差很小，一般可以優(yōu)于10-5量級(jí)，靈敏度非常高，最低可測(cè)信號(hào)電壓達(dá)0.1～1UV，可以測(cè)量很微弱的信號(hào)。由于微波信號(hào)本身很可能帶有諧波，而且信號(hào)頻率經(jīng)過混頻器之后也很容易產(chǎn)生諧波，容易混淆對(duì)測(cè)量結(jié)果的判定，這是外差法的主要缺點(diǎn)。此外，外差法頻率檢測(cè)器電路比較復(fù)雜。同時(shí)，由于外差法頻率檢測(cè)器的連續(xù)可變振蕩器在頻率穩(wěn)定性和刻度精確性有所欠缺，在微波頻率的瞬時(shí)測(cè)量中精度不夠。

（2）計(jì)數(shù)法是借助電子計(jì)數(shù)器，利用測(cè)周、測(cè)頻和測(cè)周+測(cè)頻的等基本原理實(shí)現(xiàn)頻率精確測(cè)量的方法。由于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)與被測(cè)信號(hào)不相關(guān)，在硬件上無法控制兩路信號(hào)同步，因此在實(shí)際測(cè)量中總存在計(jì)數(shù)值為“±1”的計(jì)數(shù)誤差，為了消除提高測(cè)量精度，可以采用多周期同步測(cè)頻法；模擬內(nèi)插法；游標(biāo)內(nèi)插法；平均法等方法。由于受到器件最高運(yùn)行速度的限制，直接利用計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率，其測(cè)量范圍有限，可以采用預(yù)定標(biāo)法、外差下倍頻法、置換振蕩法和外差諧波下倍頻法等來提高其在微波領(lǐng)域的應(yīng)用。但是計(jì)數(shù)法由于需要借助單片機(jī)、CPLD、FPGA和嵌入式等硬件設(shè)備，電路較為龐大，不適應(yīng)系統(tǒng)小型化的頻率測(cè)量趨勢(shì)。

（3）諧振法測(cè)頻主要通過諧振電路、諧振腔和MEMS梁的諧振特性來進(jìn)行選頻，這種方法設(shè)計(jì)的頻率檢測(cè)器的可測(cè)帶寬都比較窄，需要設(shè)計(jì)可調(diào)諧的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)寬帶頻率進(jìn)行檢測(cè)，或者使用多頻率點(diǎn)的并行結(jié)構(gòu)進(jìn)行多頻率點(diǎn)檢測(cè)。同時(shí)，頻率檢測(cè)器何時(shí)處于真正的諧振點(diǎn)比較難以判斷，這會(huì)導(dǎo)致一定的測(cè)量誤差。最后，諧振式檢測(cè)器的固有頻率都不太高，難以適用于更高的微波頻段。

（4）比相法是應(yīng)用較廣的一種瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)，原理比較簡(jiǎn)單，通過把信號(hào)的頻率信息轉(zhuǎn)換成相位信息，根據(jù)相位所對(duì)應(yīng)的幅度信息推算出信號(hào)的頻率。具有測(cè)頻范圍寬、響應(yīng)時(shí)間短、測(cè)頻速度快、最小可測(cè)脈寬窄等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)易于與MEMS技術(shù)的集成，能適應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)小型化的要求。但它的最大缺點(diǎn)就是測(cè)頻精度難以做得很高，這與鑒相器的鑒相誤差、延遲線的長(zhǎng)度等緊密相關(guān)。

[1]周柯.微波介質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].桂林：電子科技大學(xué), 2009.

[2]孫杰.微波功率自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研究[D].桂林：電子科技大學(xué),2013.