一種新型的高精度頻率計(jì)

  摘 要：本文介紹了一種利用多周期同步法與量化時(shí)延法結(jié)合測(cè)量頻率的方法，在此方法基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的樣機(jī)測(cè)量分辨率達(dá)到ns量級(jí)，由于使用了CPLD器件，該儀器體積小、成本低。
  關(guān)鍵詞：多周期同步；量化時(shí)延；短時(shí)間間隔
  引言    
    時(shí)間頻率測(cè)量是電子測(cè)量的重要領(lǐng)域。頻率和時(shí)間的測(cè)量已越來(lái)越受到重視，長(zhǎng)度、電壓等參數(shù)也可以轉(zhuǎn)化為與頻率測(cè)量有關(guān)的技術(shù)來(lái)確定。本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的多周期同步法進(jìn)行探討，提出了多周期同步法與量化時(shí)延法相結(jié)合的測(cè)頻方法。
多周期同步法
  最簡(jiǎn)單的測(cè)量頻率的方法是直接測(cè)頻法。直接測(cè)頻法就是在給定的閘門信號(hào)中填入脈沖，通過(guò)必要的計(jì)數(shù)電路，得到填充脈沖的個(gè)數(shù)，從而算出待測(cè)信號(hào)的頻率或周期。在直接測(cè)頻的基礎(chǔ)上發(fā)展的多周期同步測(cè)量方法，在目前的測(cè)頻系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。多周期同步法測(cè)頻技術(shù)的實(shí)際閘門時(shí)間不是固定的值，而是被測(cè)信號(hào)的整周期倍，即與被測(cè)信號(hào)同步，因此消除了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)產(chǎn)生的±1個(gè)字誤差，測(cè)量精度大大提高，而且達(dá)到了在整個(gè)測(cè)量頻段的等精度測(cè)量，其原理框圖和波形圖如圖1所示。
設(shè)Na、Nb分別為計(jì)數(shù)器A和B記得的數(shù)值，τ’為閘門時(shí)間，則
Na=τ'·fx (1)
Nb=τ'·f0 (2)
計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)脈沖與閘門的開閉是完全同步的，因而不存在±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差，由式(3)微分可得：
dNb=±1，τ'=Nb/f0 (5)
得到測(cè)量分辨率:
dfx/fx=±1/(τ'×f0) (6)
  由式(6)可以看出，測(cè)量分辨率與被測(cè)頻率的大小無(wú)關(guān)，僅與取樣時(shí)間及時(shí)基頻率有關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)頻帶內(nèi)的等精度測(cè)量。取樣時(shí)間越長(zhǎng)，時(shí)基頻率越高，分辨率越高。多周期同步法與傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)法測(cè)頻比較，測(cè)量精度明顯提高。
  在時(shí)頻測(cè)量方法中，多周期同步法是精度較高的一種，但仍然未解決±1個(gè)字的誤差，主要是因?yàn)閷?shí)際閘門邊沿與標(biāo)頻填充脈沖邊沿并不同步，如圖2所示。
  從圖2可以得出，Tx=N0T0-△t2+△t1，如果能準(zhǔn)確測(cè)量出短時(shí)間間隔Δt1和Δt2，也就能夠準(zhǔn)確測(cè)量出時(shí)間間隔Tx，消除±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差，從而進(jìn)一步提高精度。
為了測(cè)量短時(shí)間間隔Δt1和Δt2，通常使用模擬內(nèi)插法或游標(biāo)法與多周期同步法結(jié)合使用[1]，雖然精度有很大提高，但終未能解決±1個(gè)字的誤差這個(gè)根本問(wèn)題，而且這些方法設(shè)備復(fù)雜，不利于推廣。
要得到精度高，時(shí)間響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的頻率和時(shí)間測(cè)量方法是比較困難的。
從結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單同時(shí)兼顧精度的角度出發(fā)，將多周期同步法與基于量化時(shí)延的短時(shí)間間隔測(cè)量方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了寬頻范圍內(nèi)的等精度高分辨率測(cè)量。
量化時(shí)延法測(cè)短時(shí)間間隔  
 光電信號(hào)可以在一定的介質(zhì)中快速穩(wěn)定的傳播，且在不同的介質(zhì)中有不同的延時(shí)。通過(guò)將信號(hào)所產(chǎn)生的延時(shí)進(jìn)行量化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)短時(shí)間間隔的測(cè)量。
其基本原理是“串行延遲，并行計(jì)數(shù)”，而不同于傳統(tǒng)計(jì)數(shù)器的串行計(jì)數(shù)方法，即讓信號(hào)通過(guò)一系列的延時(shí)單元，依靠延時(shí)單元的延時(shí)穩(wěn)定性，在計(jì)算機(jī)的控制下對(duì)延時(shí)狀態(tài)進(jìn)行高速采集與數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)短時(shí)間間隔的精確測(cè)量。其原理如圖3所示。
  量化時(shí)延思想的實(shí)現(xiàn)依賴于延時(shí)單元的延時(shí)穩(wěn)定性，其分辨率取決于單位延時(shí)單元的延遲時(shí)間。
  作為延時(shí)單元的器件可以是無(wú)源導(dǎo)線，有源門器件或其他電路。其中，導(dǎo)線的延遲時(shí)間較短(接近光速傳播的延遲)，門電路的延遲時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)?？紤]到延遲可預(yù)測(cè)能力，最終選擇了CPLD器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)短時(shí)間間隔的測(cè)量。
  將短時(shí)間間隔的開始信號(hào)送入延時(shí)鏈中傳播，當(dāng)結(jié)束信號(hào)到來(lái)時(shí)，將此信號(hào)在延時(shí)鏈中的延時(shí)狀態(tài)進(jìn)行鎖存，通過(guò)CPU讀取，判斷信號(hào)經(jīng)過(guò)的延時(shí)單元個(gè)數(shù)就可以得到短時(shí)時(shí)間間隔的大小，分辨率決定于單位延時(shí)單元的延時(shí)時(shí)間。
  一般來(lái)講，為了測(cè)量?jī)蓚€(gè)短時(shí)間間隔，使用兩組延時(shí)和鎖存模塊，但實(shí)際上，給定的軟件閘門時(shí)間足夠大，允許CPU完成取數(shù)的操作，即能夠在待測(cè)時(shí)間間隔結(jié)束之前取走短時(shí)間隔Δt1對(duì)應(yīng)的延時(shí)單元的個(gè)數(shù)，通過(guò)一定的控制信號(hào)，可以只用一組延時(shí)和鎖存單元，這樣可以節(jié)省
  CPLD內(nèi)部的資源。利用多周期同步與量化時(shí)延相結(jié)合的方法，
  計(jì)算公式為：
  T=n0t0+n1t1-n2t1 (7)
  式(7)中，n0為對(duì)填充脈沖的計(jì)數(shù)值；t0為填充脈沖的周期，即100ns；n1為短時(shí)間隔Δt1對(duì)應(yīng)的延時(shí)單元的個(gè)數(shù)；n2為短時(shí)間隔Δt2對(duì)應(yīng)的延時(shí)單元的個(gè)數(shù)；t1為量化延遲器件延時(shí)單元的延遲量(4.3ns)。   這樣，利用多周期同步法，實(shí)現(xiàn)了閘門和被測(cè)信號(hào)同步；利用量化時(shí)延法，測(cè)量了原來(lái)測(cè)不出來(lái)的兩個(gè)短時(shí)間間隔，從而準(zhǔn)確地測(cè)量了實(shí)際閘門的大小，也就提高了測(cè)頻的精度。
測(cè)量結(jié)果及分析
  把銣頻標(biāo)作為樣機(jī)和XDU－17型頻率計(jì)的頻標(biāo)，把頻率合成器輸出的信號(hào)作為被測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果如表1所示。
  由于頻率合成器輸出的頻率信號(hào)最小只能調(diào)到10Hz，把XDU-17的測(cè)量值作為標(biāo)準(zhǔn)，可以計(jì)算出樣機(jī)測(cè)頻的精度。
  例如，被測(cè)信號(hào)為15.000010MHz時(shí)被測(cè)信號(hào)為5.00001002MHz時(shí)，
  從上面的計(jì)算可以看出，樣機(jī)的分辨率已達(dá)ns量級(jí)，下面從理論分析的角度來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。
  前面已經(jīng)分析過(guò)，多周期同步法測(cè)頻時(shí)，它的測(cè)量不確定度為：
  當(dāng)輸入f0為10MHz，閘門時(shí)間為1s時(shí)，測(cè)量的不確定度為±1×10-7/s。當(dāng)與量化延時(shí)測(cè)量與短時(shí)間間隔電路相結(jié)合時(shí)，測(cè)量的不確定度可以從下述推導(dǎo)出來(lái)。
  在采用多周期同步法時(shí)，Tx為待測(cè)的多周期值，T0為采用的時(shí)基周期。
Tx= NT0+△t1-△t2 (9)
  與量化延時(shí)電路相結(jié)合后有：
Tx= NT0+(N1-N2)td±δTx (10)
  這里，δTx為測(cè)量的不準(zhǔn)確度。
  對(duì)上式微分得： δTx≤±2td (11)
  由(11)式可知，此方法的測(cè)量精度取決于td，它的穩(wěn)定性與大小直接影響測(cè)量值的不確定度。所以采用各種方法，計(jì)數(shù)器可在整個(gè)頻率量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)等精度的測(cè)量，而且測(cè)量精度有顯著提高，測(cè)量分辨率提高到4.3ns，且消除了±1個(gè)字的理論誤差，精度提高了20多倍。
結(jié)束語(yǔ)   本文將給出了一種新的測(cè)頻方法。基于此方法的頻率計(jì)的數(shù)字電路部分集成在一片CPLD中，大大減小了整個(gè)儀器的體積，提高了可靠性，且達(dá)到了很高的測(cè)量分辨率。