（测试计量技术及仪器专业论文）新型高精度频率测量仪的实现.pdf

摘要 本文在对周期性信号之间的相差关系研究的基础上论述了一种基于相位重合 检测技术的高精度频率测量方法。利用两路周期信号之间的相位重合点使被测信 号和标频信号完全同步构成测量闸门，对此闸门进行脉冲计数，在理论上避免了 1 个字的计数误差。相比传统的方法，测量准确度大大得到提高。本文分析了周 期性信号之间的相互相位关系，给出了描述周期信号特性的几个特殊概念，并分 析了基于相位重合检测理论的频率测量方法，也进行了误差分析。同时本文给出 了系统的整体硬件架构以及关键的电路设计，重点介绍了信号调理电路、相位重 合检测电路的设计方法。最后给出了在实际电路设计中的误差分析模型。实际测 试样机表明，本文论述的方法，测频准确度可以达到l o 一2 量级，达到国际领先水 平。 本文第二个工作是研究基于此原理的扩展使用，并且给出了一种将相检原理 和传统的频差倍增法相结合的频标比对系统，给出了系统的整体结构设计框图及 误差分析模型。理论分析表明，这两种方法结合使用使得测量准确度得到大大提 高。本文同时研究了相位重合检测技术在周期性信号相位差测量中的应用，给出 了系统整体设计方案及理论计算公式。随着在这方面的深入研究，此技术很可能 发展成为计量领域的最前沿技术。 关键词：频率测量 高精度相差关系重合检测 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e sah i g h - p r e c i s i o nf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o db a s e do n p h a s e c o i n c i d e n c ed e t e c t i o n t e c h n o l o g y t h i sf r e q u e n c ym e a s u r i n gi n s t r u m e n t s y n c h r o n i z e sm e a s u r i n gg a t e s ，t e s ts i g n a l sa n ds t a n d a r df r e q u e n c ys i g n a l sb yu s i n g e s s e n t i a lr e g u l a t i o n so fp h a s ed i f f e r e n c er e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r i o d i cs i g n a l s s ot h e i n s t r u m e n tc a na v o i dt h ec o u n t i n ge l t o ro fp l u so rm i n u s1w o r di nt h e o r yw h e n c o u n t i n gt h ep l u s e sd u r i n gg a t es i g n a l t h ee r r o rp r e c i s i o ni sg r e a t l ye n h a n c e dw h e n c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d s t h ep a p e ra n a l y z e st h em u t u a lp h a s e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r i o d i cs i g n a l s ，a n ds e v e r a ls p e c i a lc o n c e p t sw h i c ha r eu s e dt o d e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c so fp e r i o d i cs i g n a l sa r eg i v e ni nt h ep a p e r w ea l s oa n a l y z e t h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o d sb a s e do nt h et h e o r yo fp h a s ec o i n c i d e n t a l d e t e c t i o na n di t se r r o r t h ep a p e rp r e s e n t st h eo v e r a l ld e s i g no fh a r d w a r es t r u c t u r e ，t h e k e yc i r c u i t sd e s i g na n de m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e sac i r c u i tf o rs i g n a ld i s p o s a la n dc i r c u i t s d e s i g nm e t h o d sa b o u tp h a s ec o i n c i d e n t a ld e t e c t i o n t h ee r r o ra n a l y s i sm o d e li sf i n a l l y g i v e ni np r a c t i c a lc i r c u i td e s i g n a c t u a lt e s ts h o w st h a tt h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n t p r e c i s i o no ft h ep r o p o s e dm e t h o dc a nr e a c ht om a g n i t u d ea n df a rb e y o n dt h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft r a d i t i o n a lm e t h o d s t h es e c o n dt a s ko ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h ee x p a n d e du s eo ft h ep r i n c i p l e ， a n dg i v e saf r e q u e n c ys t a n d a r d sc o m p a r i s o ns y s t e mc o m b i n e db yp h a s ec o i n c i d e n c e d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dm a g n i f y i n gt h ef r e q u e n c yd i f f e r e n c em e t h o d t h e o r ys h o w s t h a tt h i sm e t h o dc a l l g e tm u c hh i g h e ra c c u r a c y t h ep a p e ra l s or e p r e s e n t st h e a p p l i c a t i o n o f p h a s e c o i n c i d e n c ed e t e c t i o n t e c h n o l o g y i n p h a s e d i f f e r e n c e m e a s u r e m e n tb e t w e e np e r i o d i c a ls i g n a l sw i t hw h o l es o l u t i o na n dc a l c u l a t i n gf o r m u l a f o rt h ed e s i g n w i t ht h ef l l r t h e rs t u d y , t h i st e c h n i q u ew i l ld e v e l o pi n t ot h em o s t a d v a n c e dt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do f m e a s u r e m e n t k e y w o r d ：f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t p h a s ed i f f e r e n c er e l a t i o n s h i p h i g h - p r e c i s i o n p h a s ec o i n c i d e n c ed e t e c t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：业日期：邋址l 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：壶l 邈 导师签名：闺强 日期：樘墨z 。f f e t g q ：迎4 土“一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高精度测频的重要性 电子测量是知识密集、技术密集、高速发展中的行业。在通信、计量、测量 技术与仪器等领域扮演着重要的角色。可以说电子测量是其他科学发展的基础， 没有高精度的电子测量就没有其他电子科学技术的发展。时频测量是电子测量领 域最基本的测量之一，频率测量仪器是电子技术和频率测量技术综合的产物，被 广泛的应用在电子技术领域。由于科技发展日新月异，必然要求新的测量理论、 测试方法以及新的仪器的不断涌现。 时间和频率是我们生活和工作中最常用到的两个基本参量。现代量子频标的 出现和电子技术的进步，极大的提高了时间频率计量的稳定度和准确度，使之遥 遥领先于其他量值的计量水平。时间频率成为国际单位制中的七个基本单位之一 ( 1 长度一米；2 质量一千克；3 时间秒；4 电流一安培；5 热力学温度一开尔 文；6 物质的量一摩尔；7 发光强度一坎德拉) ，时间单位的定义与测量是历史最 悠久、情况最复杂、目前测量精度最高的一个基本单位【l 】。 对于时间频率的高精度测量，在时频领域中是一切其他量( 如时间或相位的 起伏、频率与频率稳定度) 精密测量的基础，同时它又可以被广泛地用于各种非 时频量的高精度测量中。它的发展不但对于时频技术的发展有很大的促进作用， 而且对于各种量的精密测量和控制，对于测控技术在工业、国防及科学技术的进 步方面都起到举足轻重的作用，其他学科的发展又反过来把时间频率测量提高到 新的高度。由于社会发展的需求，对信息传输和处理的要求越来越高，将需要更 高准确度的时频基准和更精密的测量技术，在这方面所取得的新技术及成果，将 会产生巨大的经济效益。 在国家的高新技术发展中，由于时频测控技术在所有物理量中的最高精度而 对其它各种物理量的测控发展起着带头作用。因此，这方面信号的产生、测量、 变换与控制也是各发达国家研究的重点。时频基标准的测量及控制技术的进步不 仅仅在于其学科本身，而且也可以把它们作为一种重要的资源和手段，在物理学 和现代科学的一系列基础研究方面均可获得一些很有价值的重大发现。 特别是近年来由于航空航天、精密定位、通讯、计量、天文以及其他的高科 技领域的技术发展，对于频率测量的精度要求也越来越高，需要更高准确度的时 频基准和更精密的测量技术。例如：在导航系统中，定位误差正比于时间误差， 若要求定位误差在1 千米内，则允许时间测量误差在3 微妙内，而要求定位误差 2 新型高精度频率测量仪的实现 在1 米内时，则允许的时间测量误差应在3 n s 内。在宇航和导弹系统中，对频率 测量提出了更高的要求，即高精度，高速度，连续测量，它直接影响着导弹的定 位和命中的精度。与此同时，高精度的频率测量在民用方面的应用也越来越广泛， 尤其是在晶体振荡器行业，高精度的频率测量已经成为一种趋势。 1 2 近代测频技术现状及发展趋势 传统上，测量频率的方法有两种。一种是m 法，另一种是t 法。m 法是在 给定的闸门时间内测量被测信号脉冲的个数，通过换算得出被测信号的频率。这 种方法的测量准确度取决于闸门时间和被测信号频率，当被测信号频率较低时将 产生较大的误差。t 法是通过测量被测信号的周期，然后换算得出被测信号的频 率。这种测量方法的测量准确度取决于被测信号的周期大小和计时准确度。这两 种测量方法是最原始的直接计数法。无论是t 法还是m 法，它们都无法解决 测量当中的1 个字的计数误差，限制了测量准确度的提高。 随着测量技术的发展，各种新的测量方法不断涌现出来，其中具有典型代表 性的方法有：多周期同步测频法、模拟内插发、游标法。多周期同步法是针对不 同的被测信号，让实际计数闸门与被测信号完全同步，这样，测量误差就完全转 移到对标准信号测量中的1 个字的计数误差，实现了不同频率的被测信号的等 精度测量。而模拟内插法、游标法都是致力于测量出开启闸门时刻和关闭闸门时 刻的不同步时间间隔，利用数学关系计算出被测的频率值，尽量减小了1 个字 的计数误差带来的影响。虽然模拟内插法和游标法都很好的解决了测量中的1 个字的计数误差，但是这些仪器设计复杂、体积巨大、价格昂贵，很难在短时间 内大规模的推广。 上面介绍的方法主要是针对宽频率范围测量的应用。其中，设计优良的仪器 在宽频率范围内的测量分辨率能够达到l x l 0 - 。在频标比对中，相位比对法、拍 频法和双混频器时差测量 2 】的方法都具有高的比对精度，但是它们的缺陷是测量 范围很窄。其中，相位比对法常常被用在频标准确度以及长期指标的。比对，后两 种比对方法主要用于短期稳定度的比对。从比对精度来看，相位比对法与其它方 法结合能够在一天或更长的比对时间内实现1 1 0 。1 6 的比对精度，而在短稳比对方 面，拍频法、双混频器时差法以及以频差倍增为基础的方法都有可能获得优于 1 1 0 1 3 的测量分辨率。但是它们只适合用于某些点频上的频标比对，对宽频范围 的测量却无能为力。 从时频测控领域的仪器发展来看，国内外目前都有比较成熟的理论和系统方 法，并配有相关的仪器。1 9 5 2 年美国h p 公司生产了第一台用数码管显示的h p 5 2 4 型1 0 m h z 计数器，至今四十年来，电子计数器的发展早就冲破了早期只能用来 第一章绪论3 测量频率或计数的概念，而通过内部电路的不同连接可以进行测量频率、频率比、 周期、时间间隔、脉冲计数等多种功能。总的看来，其发展主要有两个方面：高 频测量和多功能。在高频测量方面，由于微波技术的需要，计数器的测频上限越 来越高。目前，有些计数器的直接计数能力达1 g h z 甚至更高，如荷兰p m 6 6 7 6 ( 频率范围为1 0 h z - - 1 5 x 1 0 9 h z ) 等智能频率计均达到这样高的技术指标。另一 方面，电和非电信号的自动测量以及一机多用可以增加仪器的灵活度，提高仪器 的利用率、，降低仪器成本。同时也促使电子计数器向实时数据处理功能方向发展。 现在的程控计数器，不仅仅是完成单一功能的计数器了，例如，用它测量激光测 距传感器的输出，通过数据处理可以给出被测距离的显示，而用它测量转速传感 器的输出时，它就显示平均或瞬时转速等等，因而在这些情况下，就可以说它是 测距仪和转速分析仪了。目前，电子频率计正向模块化、程控化和智能化方向发 展，同时由于采用先进的测量技术和工具，测频仪器的准确度越来越高，如国产 h 6 0 2 型毫赫计数器采用了多周期同步技术，使测频时的最高分辨率达0 0 0 0 1 h z ； h _ p 5 3 7 0 a 型通用时间间隔计数器，采用了数字内插技术，使单次测量分辨力达 2 0 p s 。 从近代时频测量技术的发展及仪器的发展趋势来看，未来时频测量仪器必然 要朝着高精度方向发展，但是高准确度仪器昂贵的价格是限制其大面积推广的主 要因素，所以发展一种构造简单、体积小、成本低廉、测量范围广、测量准确度 高的频率测量仪器就变的非常必要。 1 3 论文的成果及内容安排 目前在频率测量领域存在着两大类技术，一类是以电子计数器测频为代表的 宽范围频率测量，以及在此基础上产生的多周期同步法、模拟内插法以及游标法 等。另一类是针对频标比对的各种技术，如频差倍增法、比相法、差拍周期法、 双混频时差法。此类方法都具备很高的测量准确度，但是它们只适合用于某些点 频上的频标比对，对宽频范围的测量却无能为力。针对测量当中存在的1 个字 的计数误差，我们利用了周期性信号之间的相位关系，通过检测相位重合点来开 启和关闭实际计数闸门，从而消除了测量中的1 个字的计数误差，大大提高了 测量的准确度，利用这个原理设计的频率测量仪能够实现宽范围内的高精度频率 测量，继承了上述两类技术的优点，克服了它们的弊端。 本论文完成了此方法的总体方案设计，包括各个功能模块的硬件电路设计和 软件部分的程序编写，最终设计出来的样机系统，其测量准确度进入到了1 0 1 2 量 级，达到国际领先水平。 本论文的内容安排： 4 新型高精度频率测量仪的实现 第二章介绍了基于相差关系处理的相检宽带测频仪的原理，并分析了应用此 原理的频率测量仪的误差及影响此频率测量仪测量准确度的因素。 第三章详细介绍了此频率测量仪的硬件电路设计和软件实现方案。 第四章分析了此频率测量仪的测量数据，并和同类型的仪器进行了比较，同 时对测频仪进行了误差分析。 第五章对周期性信号间的相位关系进行了更深一步的研究，拓展了相检测频 技术的应用范围。 1 4 小结 本章作为论文的开端，以简要的笔墨对本文的研究方向、高精度频率测量的 应用和重要意义作了介绍，接着阐述了目前国内外频率测量的现状，然后描述了 本论文的撰写目的以及撰写背景，最后对论文在内容上的组织和安排作了说明。 第二章基丁：相位处理的频率测量方法研究5 第二章基于相位处理的频率测量方法研究 用于时频测量的技术很多，在宽频率范围的测量中，最简单、最普遍采用的 时频测量技术是直接电子计数器测频、测周、测时间间隔的方法。这种方法的优 点是测量方便、易于实现，但是测量精确度不高，除标频信号自身的误差之外， 其主要测量误差是1 个字的计数误差，很难获得高的测量精确度。为此采取了一 系列的技术措施，如多周期同步测量、模拟内插法及游标法等。多周期同步能完 成不同频率被测信号的等精度测量，但是无法解决标频信号计数的1 个字的误 差。配合多周期同步法，进行更进一步精确测量的方法有内插法和游标法，这两 种方法都是用模拟的方法将实际计数闸门的开启时刻和关闭时刻标频信号与实际 闸门信号之间的不同步时间间隔测量出来，此方法的测量分辨率可以达到n s 量 级，可以显著提高测量准确度。但是这两种方法硬件电路复杂、调试困难、成本 高、不便于产品化。用于频标比对的各种技术如频差倍增法、比相法等虽然有很 高的测量精度，但是只适用于一些特殊频点的频标比对，不能在宽频率范围内发 挥作用。 而基于相位重合检测技术的频率测量仪是在解释两个任意周期性信号之间的 相位差变化的规律性的基础上提出的时频测量技术。该技术通过“相位重合点 的捕捉来构成测量闸门时间，因而实现了该门时对标频信号及被测信号的同时同 步，或相当接近于同步。其结果大大消除了通常测频、测时仪器所广泛存在的1 个字的计数误差，使得测量分辨率得到上千甚至上万倍的提高，而且以这类技术 设计的测频仪准确度高、附加噪声小、结构简单、易于实现。 2 1 最大公因子频率及其相关概念 在对周期性信号( 如频率等) 的研究中，经常会涉及到两周期性信号之间的 相互比对( 或作用) ，为了进行高准确度检测及获得高准确度的测量结果，对一些 自然现象作本质性的解释，努力寻找探索两个周期性信号之间的相互关系及规律 就变的十分重要了。此时，一个非常有用的概念是值得注意和下功夫认识的。即 反映两周期性信号相互间宏观相位差变化周期性的最大公因子频率【7 1 厂偶，。，及其 周期k ，( 亦可称为最小公倍数周期值) 。 最大公因子频率是这样定义的【8 】：对于任意两个频率信号f 和厶，当 石= a 兀，兀= b 工；其中a 和b 是相互没有公约数的两个正整数( 互素) ，则 五就是z 和五之间的最大公因子频率丘。 6新型高精度频率测量仪的实现 最大公因子频率厂舳，概念的建立是针对两个周期性信号的相互关系而建立 的，它可以是任意频率值。它对应的周期就是最小公倍数周期。= 1 厶。，从 式中可以看出最小公倍数周期等于两频率信号石和i f ；! 的严格倍数值( 分别为a 倍 和b 倍) 。最大公因子频率是两比对频率信号间相互关系的周期性的特征量，是 分析两比对频率信号之间相互相位关系的周期性规律的基础。粗看起来是这两个 信号周期关系的互为周期性的分析基础，而更细致的分析则是它们之间相互相位 关系的周期性规律的分析基础。 在一个乙。的周期时间里含有完整的a 个z 信号的周期值五和完整的b 个厶 信号的周期值乏。在。中z 和五的相互相位关系一方面受到这两个信号间的相 对初始相位差的影响，另一方面又以咒。，为其宏观的周期表现出相互相位差异关 系的周期性。 在一个，的周期时间里相互作用着完整的a 个周期值为正和b 个周期值为 z 的周期信号。从相位的相互关系来说是应该具有连续性的。但在具体的仪器设 备中( 尤其是数字设备中) 及波形分析中周期性信号被量化了。如象常常在实际 信号处理过程中那样，使周期信号每周在一个特定的相位点对外呈现出一个时刻 信息，代表一周的结束，下一周的开始；或者相移准确地完成了一个3 6 0 0 并开始 另一周的0 0 。这就把本来连续的变化量化成不连续的跳跃性质的变化。下面我们 就来分析一下这种量化了的相位变化关系。 采用最大公因子频率的概念，在考虑频率值完全不同的两个频率信号间的相 互关系时，若石= a 丘，正= b 厶，设其中a b ( 反之若a b 的情况亦具 有后面分析的同样的规律) 。为了便于分析，我们画出了两频率分别为斤、厶信 号的相位关系波形图如图2 1 所示： 亿 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 f l nn 门几 n 几几nnn 几nf f nn nn 几几 相位差信号 厂 n 厂 i 几厂 n 厂 4n 厂i 几几i 卜一一 k ， 图2 1 两周期性信号之间的相位差关系 假设以正波形的上升沿作为参考，在一个。周期时间里量化了的两信号间 的相互相位状况只可能有b 种不同的差值情况。而两者之间相互相位差最大的可 能变化范围是啦互也就是说，连续在一起的b 种相位状况中绝不会有两种完全一 样的相位状况出现。任何两种相同相位差状况的出现只会标志着一个，周期的 第二章基于相位处理的频率测量方法研究 结束同时也是下一个k 。周期的开始。从以上的分析中可以得出对于稳定的两信 号，在每一个。中两信号相互相位差状况都是相同的，并且在不同的。中， 相应的同一位置的量化相位差也是相同的。因此，k 。也可以看作是具有相同( 量 化) 相位差信号的出现周期。 图2 1 的波形图描绘了在一个。内两周期信号的相位差变化关系，同时以 波形图的方式，标出了以五信号为相位参考与紧跟其后而来的信号石相互相位特 征点间的相位差状况。 在图2 1 只画出了在一个。周期内两周期性信号的相位差变化关系，为了 证明两比对信号之间相位差变化的规律性，我们先设定两比对信号间的相对初始 相位差为零。而初始相位差不为零的情况只相当于把相对于参考信号的另一路比 对信号的相位整体地向前或后移一个固定的相应值。因而不会影响到从宏观上看 在一个。周期里相位差状况变化的规律或变化的差值。图中的相位差信号显示 出了两信号的相位差变化关系，这种情况下两者之间相互相位最大可能的变化范 围是o 石。 以图2 1 中描述的波形为例，即以疋波形的上升沿作为参照所表现出的相位 关系来看，在一个。周期里，两信号之间的相互相位差( 时间间隔) 情况如下： 互= 力。互一互 互= 以：互一2 五 瓦。= 彳互一b 互= 0 ( 2 1 ) 其中，互、正、疋表示以五信号为参考，针对其每一个特征相位点， z 与它的相位差，波形图中表现为第三行中脉冲的宽度。它们均o ，且 ( 刀x - o r , 码。这里刀。、力2 、么及x 均为正整数。 对于方程组( 2 1 ) 中的任何一个方程式瓦= n x r , 一皿， 由于 即 z = a 厶。，厶= b 丘。( 2 - 2 ) z ：k 1 4互= 等 ( 2 - 3 ) 所以有 哪一xt2=等。=竿五(2-a 4 ) bb 这里，因为力x 、b 、a 及x 均为正整数，而乙兰o ，所以b ，l x 一从必为正整 数或零。也就是证得了由方程组( 2 1 ) 得来的： 8 新型高精度频率测量仪的实现 互= 扣 互毒互 l = 告互 ( 2 - 5 ) 式中的x 、艺只可能为零或正整数。而且y = o 和y = b 时的效果又是 完全一样的，即相位完全重合时的状态。 由于畦巧互，写、五、瓦在一个。周期里又绝不能相等。所以k 、 e 就被限定为小于b 的b 个互不相等的正整数。也就是y 的值肯定为0 、 1 、2 、b 一1 这样b 个值。当然，上述的证明说明不了其中x 、艺的大 小排列关系，只能说明在一个乙加。周期内，瓦取值肯定有o 、否1 t 。、 否2t _ b r - 1 互这样曰种情况存在。它们的顺序可能是从大到小或从小到大排 列，也完全可能是非顺序排列，取决于两频率信号间的相互关系。显然，两信号 频率值接近又有一定频差情况下的瓦的排列是按由大到小或由小到大顺序排列 的。 根据以上分析，对于两任意频率信号间的相位差关系，不管它们在乙妇。周期 时间内的变化情况是按什么样的规律排列，如果我们打乱后重新按大小顺序排列， 则重排后两信号间相邻两个相位差值间的差肯定是： 竹2 吉互( 2 - 6 )u 如果两频率信号间的相对初始相位差不为零，则重新按大小顺序排列的l 值会在 o 、去五、否2z _ b r - 1 互各值上均加上一个与初始值有关的值。但此时临近的两 个相位差的值仍然符合式( 2 - 6 ) 。 结合前面的式( 2 3 ) 、式( 2 6 ) 可得： 排吾= 矗 p 7 ， 曰 f f 、7 第二章基于相位处理的频率测量方法研究 9 式( 2 7 ) 说明了两比对信号间的相位量化变化值的大小对于两个已知频率信 号来说是一个确定的数，称为量化相移分辨率。它与这两个信号的频率值的乘积 成反比，而与它们之间的最大公因子频率l 。的大小成正比。要使两信号间量化 后的相对相位变化的分辨精度高则希望两个频率信号在尽可能高的频率值下有相 对低的最大公因子频率值。 2 2 基于相位处理的频率测量技术 2 2 1 相位重合点理论 两个任意频率的周期性信号之间的相位差会随时间而变化，这种变化是具有 周期性的。变化的周期正是两周期信号之间的最小公倍数周期l 妇。，它也就是两 个周期性信号间的最大公因子频率l ，的周期。 而在一个乙加。内，两信号间的量化相位差状态中有一些值，它们分别等于信 号间的相对初始相位差加0 ，a t ，2 a t ，n a t 等，其中r l b ，如果满足下式 n a t ( 2 - 8 ) 我们把这样的一些相位差点称为两周期信号间的相位重合点。其中： a t = 丘。z ( 2 9 ) 丁称为量化相移分辨率，形。称为仪器相检分辨率，它与硬件电路设计相关。 所以说相位重合点并非绝对重合，而是一个相对的概念。根据式( 2 9 ) ，当 两个中、高频频率信号间的最大公因子频率较小时，相位重合点所代表的两信号 间的相位差的重合情况往往会在几个p s 到十分之几个l l s 左右。在两个频率信号 间的两个或若干个相位重合点之间的时间间隔中，分别容纳有这两个频率信号的 若干个周期，它们相当接近整数倍周期值。式( 2 9 ) 说明了两比对信号间的量化 相移分辨率的大小对于两个已知频率为一个确定的数。它与这两个信号的频率值 的乘积成反比，而与它们之间的最大公因子频率厶。的大小成正比。要使两比对 信号间量化后的相对相位变化的分辨精度高则希望在它们尽可能高的频率值下有 相对低的最大公因子频率值，但在实际中由于器件的限制，对极低的量化相移分 辨率可能无法正确检测，因而器件的分辨能力也是在进行相位重合检测时所要考 虑的一个重要因素。 2 2 2 相检宽带测频原理 纵观以往的时频测量方法及技术，人们总是致力于解决测量中存在的1 个字 1 0新型高精度频率测量仪的实现 的计数误差，基于相位处理的测频技术也是一样，它巧妙的将“相位重合点”这 一重要概念运用到实际仪器设计中，这是一种先进的数字测频方法，利用两周期 性信号的相位重合点和参考门时信号( 如为：0 1 s ，l s ，1 0 s 等) 产生新的闸门信 号，在绝大多数情况下，该闸门时间长度与参考闸门时间长度接近，但其起始和 终止时刻却严格对应于两个相位重合点。因此，这个新的闸门与标频和被测频率 信号同步或相当接近于同步。以这样的闸门时间来进行周期性信号的频率测量， 将避免通常同类型仪器中所普遍存在的1 个字的计数误差，使测量准确度大大 提高。由于此项技术借助于相位重合检测的方法捕捉两比对信号间的“同相点 构成测量门时，所以称之为“相检宽带测频技术 。用这种技术设计而成的频率测 量仪就称之为“相检宽带测频仪 ，也就是本文设计的频率测量仪。 图2 2 给出了相检宽带测频仪闸门产生的原理波形图： 参考闸门 & 内 相位重合点 实际闸门 厂 厂 厂 厂 厂 厂厂 厂 广 广 n 厂 几广 n 几nn nn 厂1n 几 图2 2 闸门产生的原理波形图 由图2 2 可以看出，实际计数闸门的开始是在参考闸门的上升沿到来之后的 第一个相位重合点脉冲来开启的，而实际闸门的关闭是在参考闸门下降沿后的第 一个相位重合点脉冲来关闭的。实际闸门开启之后，计数器分别开始对标频信号 和被测信号进行计数，假如计数得到的被测信号的脉冲个数为札，计数得到的标 频信号脉冲个数为0 ，则被测信号的频率值为： 厂 六= 詈兀 ( 2 - l o ) v o 上式和多周期同步测频法的计算公式相同，但这里测量闸门同时同步了标频 和被测信号，计数值不存在1 个字的计数误差，因而具有比多周期同步法更高的 准确度。 这种方法构成的测频仪器框图如图2 3 所示： 第二章基于相位处理的频率测量方法研究 图2 3 测频仪器方框图 在仪器中设置了参考闸门，其长度是由计算机软件设置的，可以为o 1 s 、1 s 、 l o s 等，可以任意设置。测量的实际闸门同时受参考门时、两信号间的最小公倍 数周期乙。及两比对信号间的“相位重合点”控制，如果最小公倍数周期乙。比 参考门时小很多，则闸门时间的长度可基本不受疋m 的影响而维持其标称值。通 过“相位重合点 的捕捉来尽量消除1 个字的计数误差的影响。 2 2 3 相检测频技术中影响测量精度的因素 仪器的测量精确度很大程度取决于对“相位重合点”的捕捉准确度，也与两 信号间相位关系的变化规律严格相关。“相位重合点”捕捉准确度优于仪器的测量 准确度，用时间为单位来标志，从式( 2 9 ) 可知，对于不同的频率信号可以有不 同的量化相移分辨率。假设标频信号和被测信号的初始相位差为砭。，由于两信号 的相位差变化是以量化相移分辨率的整数倍变化的，所以两信号之间的最小相差 情况为： 瓦d i = f m o d ( t - , , t ，r )( 2 1 1 ) 其中f m o d ( t , t ，r ) 表示标频和被测信号之间的初始相差兀血对最小量化相 移分辨率丁的取余数，当两信号之间的相位差达到最小时，这时候的“相位重 合点 称之为理想相位重合点，理论上来讲，仪器相检分辨率形。只要满足大于 一个丁，并且无限接近丁的时候，此时一个瓦眦周期内只能检测到一个“相位 1 2 新型高精度频率测量仪的实现 重合点”( 理想相位重合点) ，测量准确度能达到无限高。 在宽频率范围内测量时，因为a t 是随被测信号频率的改变而改变的，所以 仪器相位重合检测线路的“相位重合点捕捉范围形。应比较大，但是如果捕捉 范围太大，在r 一定的情况下，一个瓦m 周期内能检测到的相位重合点越多， 而一个瓦血周期内相位重合点越多并且如果分布没有规律的话，此时测量准确度 就会随之下降，所以为了适应高精确度宽范围的测量，我们设计的相位重合检测 电路的相检分辨率应该为一个合适的值，要既能达到高准确度，同时也要照顾到 宽范围的频率测量。同时仪器还提供了一个外频标信号( 外频标一般选为与内频 标差异较大，用频率合成器最合适) 的接口，有了这个接口，当被测信号不能被 此频率测量仪进行测量时，我们可以考虑将标频选择为外频标接入的方式，以适 应不同频率信号的测量。这样仪器就能完成宽范围内的高精度的测量，将宽范围 和高精度测量有机的结合了起来。 另外，当被测与标频间的频率关系有严格规律时，如严格成分倍数关系或是 几乎相等时，若被测信号很稳定，则被测信号与标频之间的相差变化非常缓慢( 例 如标频和被测几乎相等的情况) ，此时，由于乙。，很大，在一定的时间内，“相位 重合点 就难于被捕捉。此时，外频标接口的优势又体现了出来，我们只要将标 频信号设置为外频标。因为外频标信号源是可以选择的，从而改变标频和被测的 相位关系，只要外标源选择合适就能减小瓦。，可以很好的解决上述的问题。 由于被测信号的变化及其随机性，对同一标频信号，。，常常很低。同时两 信号间的量化相移在一个瓦舢周期中不论以何种规律变化都是其丁的倍数，由 于被测信号的不确定性，在一个乙舢周期内，标频信号和被测信号之间的相差关 系通常情况下是没有规律的，所以“相位重合点的分布也是随机的，当相检线 路的相检捕捉范围睨。明显大于两信号的丁时，仪器这一部分对测量准确度的影 响最大。当两信号频率值接近，且它们之间又存在差频时，他们之间的相位差是 具有单调性的，所以其“相位重合点 的分布是均匀的，此时即使相检捕捉范围形。 比较大也能获得较高的测量准确度。在任意性频率关系的情况下“相位重合点 分布及变化较复杂，相检捕捉范围的大小对测量准确度影响最大，具体分析将在 第四章中讨论。利用这种技术设计的频率测量仪，只要硬件电路设计的相检捕捉 范围合适，测量精确度能达到1 0 叫2 量级。 这种技术的测频上限取决于线路器件的速度。但在测量闸f - j 门时一定时，由 1 式( 2 6 ) 丁= 互可知，假设互为标频，当被测信号越来越小时，b 必然也会越 丘 来越小，从而导致丁变大，超出了相检捕捉的范围，所以测频下限有限制。降 低测频下限的方法是： 第二章基于相位处理的频率测量方法研究 1 3 ( 1 ) 提高标频频率值( 降低丁) ； ( 2 ) 降低测量精确度( 即扩大相位重合检测线路的捕捉范围) ； ( 3 ) 延长测量门时( 当被测信号频率较低时，可能导致瓦。，过大，使得在一定 时间能难以捕捉到“相位重合点”) ； 由于低频测量中触发误差的影响较大，高的测量分辨率不一定必要。因此可 将该技术与普通多周期同步测量技术结合起来解决直至很低频率的宽频率范围高 精度测量问题。 综合以上分析可以知道在使用相检宽带测频技术时，要注意： ( 1 ) 一般避免两信号的频率值成严格整数倍关系( 整数倍关系时使用频率合成 器件合成一个尾数) ，要有一定量的频差，否则如果频差太小，则k ，的值就非常 大，测量时间就会很长，不能满足测量的时响要求。 ( 2 ) 要求标频的准确度要好、稳定度要好。因为计算时把标频值作为一个固定 常数，如果它存在偏差将会使测量结果产生偏差。 ( 3 ) 在实际进行高精度测量中，这种方法存在上下限的问题。频率测量上限受 测量电路中器件速度的影响，如果频率太高，器件速度跟不上，将会很难检测到 相位重合点，如果采用分频的方法可以对测量上限提高，但不能无限的提高；这 里因为采用相位重合点来开、关闸门，当被测信号频率值较低时与标频间相位重 合点间的时间间隔相对比较长，所以在1 s 以下的短闸门时间的测量会受到影响。 所以该方法有一定的测量下限，会受到闸门时间限制。 2 2 4 相检宽带测频方法的误差分析 根据第二、三小结的分析可知，相检宽带测频技术能够极大的提高频率测量 的精确度，下面我们具体分析一下此种测量方法的测量误差。 根据频率计算公式( 2 1 0 ) ，由误差分析理论可知： 盼鲁五一可n , s n o 石+ 瓮觋 ( 2 - 1 2 ) 对上式进行变换得： m i _ a n - ，。i +五i + i 每i 。 = l 剁+ i b n 。f j l + 隐甄l 其中t 是f , q 门时间。测量的相对误差为： ( 2 一j 3 ) 1 4 新型高精度频率测量仪的实现 掣 i 剖+ l 盟r f oi + i 纠正一i 玩兀i ( 2 - 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 跟一般的多周期同步测量的误差公式在形式上是完全一样的，但 是其测量门时仅同步于被测信号的多周期，其中的万m = 0 ，a n o = 1 ，所以多周 期同步测量的相对误差为： 掣甚i + | 等l - f 引+ i 纠 5 ， 在忽略标频影响的情况下，这相当于士1 个标频周期引起的误差。 而使用相检宽带测频技术，测量闸门时间同时与标频及被测信号同步或者相 当接近同步，式( 2 一1 4 ) 中的万m 和a n o 由仪器相检分辨率决定： _ a n , ：互a n , 垂吩万o q j 回 c 万m 和互万以恰好等于仪器的相检分辨率既( 以时间为单位) ，又因为 通常我们要求标频信号的相对误差l i ：我们实际要求的测量准确度高一个数量级， 所以上面的相对误差公式( 2 1 4 ) 的第三项可以忽略。 式( 2 1 4 ) 变为： 掣2 掣 ( 2 - 1 7 ) 由于 r o ， 电源线 信号线。 ( 2 ) 数字电路地与模拟电路地的分离处理 由于设计的电路板是由模拟电路和数字电路混合构成的，因此布局布线时应 该考虑到它们之间的相互干扰，特别是地线上的噪声干扰。数字电路的频率高， 而模拟电路的敏感度强，同时地线也并非理想的无阻值导线，数字电路发生的开 关动作，很可能会影响到模拟电路中的电位发生变化，所以在p c b 设计时应将模 拟地和数字地隔开处理，最后通过一个点短接，将数字电路对模拟电路的影响降 到晟低。 ( 3 ) 去耦处理 为了避免i c 器件间的相互影响，在每个i c 的电源脚和地引脚间并接一个电 容。在i c 发生开关操作时，对电流的需求量可能非常大，此时可能会引起瞬间的 电源压降而影响到其他i c 的工作，由于电容有储能的作用，在i c 发生开关操作 时可以为其提供电流，从而避免了瞬间的电源压降，有效的防止了对其他i c 的影 响。注意，此时电容的位置应该尽量放置在离电源引脚和地引脚附近的位置。 ( 4 ) 信号完整性考虑 对于高速信号，要考虑阻抗匹配问题、信号串扰问题，电磁兼容问题，为了 消除阻抗匹配问题，在电路中的信号接入端( 通常说的终端电阻匹配) 并接一个 5 0 欧的匹配电阻( 对于同轴电缆而言为5 0 欧) ，避免信号的反射。 还有，应尽量将相互关联的元器件摆放在一起，以避免因为元器件位置而造 成印制线太长所带来的干扰。再者，将高频信号源放在与之有密切关系的器件附 近，以避免因耦合路径而产生的干扰，比如晶振、复位电路都要靠近单片机的相 应管脚。在印制板上，将正负载流导线分别紧靠布置在两面并平行，因为平行紧 第