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频率比对器VCH-314的验收测试  

2015-02-01 11:06:14|  分类: 计量校准 |  标签: |举报 |字号 订阅

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导言:本篇博文解决如何验收检验频标比对器VCH-314,包含了基本原理,比对本底和附加误差的定义和测试,以及测试中的预热建立时间的数据处理等内容。文章看似很长,其实主要是配图比较多。

1.基本情况简介

频标比对器是频率参数测量中具备关键性的核心测量设备,由于频率测量通常都是比较法测量——即将被测量与标准量通过比对装置进行测量,因此测量比对装置的比对能力就是影响测量结果的瓶颈要素,并且在高精度频率参量测试时,频标比对器对于频率稳定度的测试更是不可或缺的核心设备。

目前市面上国内外频标比对器种类繁多,但是精密高端市场主要还是由美国Symmetricom公司的5120系列和俄罗斯的VCH-314(备注:以前还有一个英国厂商Quartzlock A7-MX,国内用户量极少)占据,在以前的博客中写过5110A的情况介绍,今天来说说俄罗斯的VCH-314的基本情况、性能测试及其验收测试中特别注意事项。

频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS

俄罗斯的VREMYA-CH公司生产的VCH-314是一款采取频差倍增法的比对器,内置两比较器,可进行三源比对,并可以通过同源自相关(Autocorellation)算法降低比对器噪声本地。

2.主要技术指标和使用说明

其主要技术指标如下所示:

  • 测量范围为三个固定频点分别为5MHz10MHz100MHz 
  • 最大相对频偏1E-6两级倍增级数1E-31E-6
  • 比对噪声本底(单通道)8E-14/s
  • 比对噪声本底(双通道)2E-14/s 
  • 频差附加误差var2{Fy1x}/E{Fy1x}<0.002,var2{Fy2x}/E{Fy2x}<0.002

基本组成原理图见下图
频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS
 

基本使用说明,由于该设备主要是通过软件操作使用,详细的说明请参阅厂商的软件使用说明书,特别注意的是说明书提出在接插RS232C的连接端口的时候需要注意不要带电插拔,需要将频标比对器关机停电后再进行插拔连接,否则容易将串口通信模块损坏。另外在软件的配置选项界面中配置通信端口为Com0时,软件可以在不连接硬件的情况下模拟运行使用。

3.性能验收

频标比对器VCH-314的关键核心指标的验收主要是在生产厂商给出的硬件操作说明书《Hardware Operational Manual》中第5.4章节(Page11)测量误差(Measurement error):比对器的误差来源主要有三类,分别为主要误差(main error)即噪声本地,另外由于虚假信号调制产生的附加误差(additional error),最后就是由于环境温度产生温度效应(Temperature instabilty)。因此验证测试就是要在保证温湿度环境稳定下测量噪声本地和附加误差,根据说明书中的具体要求这来的实验环境温度要求为采用平均时间为大于1000s温度变化不超过1摄氏度每小时,硬件操作说明书给出了具体的测试方法,让我们具体的走一遍流程看看需要有哪些特别注意事项。

3.1比对噪声本地的验收测试

噪声本底(main error)的测量,噪声本地主要测量由比对器自身引入的测量噪声,因此采用的测量方法为同源比对法,通过噪声相关来抵消输入信号的比对噪声从而获取比对器自身噪声,这个指标是所有比对器设备最为重要的指标,直接决定了频率测量整套系统的最佳能力,VCH-314的噪声本底详细指标为下图所示:

频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS

 其中表中的单通道var2(Fxy1),var2(Fxy2)和双通道var2(Fx)分别对应着测量软件中的测量结果表格中的项目,并且说明书也给出了具体的数学定义
频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS

 

频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS

频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS

 

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 噪声本底的测量验证主要内容在硬件操作说明书的第5.5.4章节(Page20),测量连线示意图和实际连线图如下图所示:在实际连线图中我们采用了一个功分器将能够提供更好的测量性能。频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS

 
频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS
 
频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS
 

测试的软件选项设计按要求设置为下图的配置,请特别注意输入频率(Input frequency)应该设为5MHz,说明书上的为10MHz有误,根据说明书的预热时间要求,测试时间会持续较长时间。

频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS

 

频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS

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(特别需要注意的是这个预热时间和我们常规理解的开机预热有差别,这里的预热时间含有建立时间即需要在测试工作状态下的预热,并最终通过操作软件的算法来刨去预热建立的时间从而得到最佳性能的噪声本底的测量结果,我们也是做了多次多台套的对比试验才明白其准确含义的,对比试验消耗了大量的时间多达四个工作日,可以看出时间频率参数计量那正是用生命来计量啊!但是让人沮丧的是收费并不高。)

测试完成后需要根据预热建立时间进行测量数据结果的处理,

首先是完整测量记录,100s以下的数据可以直接采用也可以计算从7200秒以后的新数据。两种数据处理模式下的数据相差不大并且一般均为合格的!

频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS 

频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS
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其次是截取预热建立时间四小时(14400秒)的后新数据进行大于1000s的噪声本地结果。如果并进行截取将导致1000s以上的数据测量结果不合格,因此按说明书的要义需要进行必要的数据截取,但是这样截取后也会导致100s的测量结果恶化,因此需要先进行小采样平均时间(<100s)的测量数据截取计算并记录,再进行大采样平均时间(>100s)数据截取计算且记录。
 
频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS

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 3.2附件误差的验收测试

附件误差的测量在硬件操作说明书的第第5.5.4章节(Page22),附件误差主要测量在大频率偏差的情况下虚假信号对测量结果的影响,按照说明书的要求需要提供一台可变频率合成器提供频率偏差在5.5E-9的大频差信号,即设置频率合成器的输出频率为5.000 000 0275 MHz的正弦波信号,

频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS

测量连线示意图和实际连线图如下图所示:

频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS

 

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软件设置配置图为:

 频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS

该项测试时间不长(320s约小五分钟),测量结果为图表上的var2{Fy1x}/E{Fy1x}<0.002,即短期频率稳定度与频率平均值的比值小于0.002即为符合指标。

 频率比对器VCH-314的验收测试 - labats - LabATSS

3.3其他项目的验收测试

最后其它的测试如被测信号测量范围、信号幅度和最大相对频差的测量均为常规的测试,只需要注意在检测最大相对频差的指标时需要将倍增级数设置为1E-3


 

 

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