（计算机系统结构专业论文）高精度测频技术研究与高精度测频仪器的改进.pdf

摘要 本文详细的比较了几种高精度测频的方法，重点探讨了高精度测频仪的工作原 理。高精度测频仪器是根据“最大公因予频率”、“相位重含点”及相检宽带测频 技术而研制的。 本文的创新之处在于使得原有的测频仪器的测量精度得到了一定的提升，从硬 件、软件两个方面对其进行了改进，并扩展了仪器的应用领域，以便其可适应光 学频标的比对测量要求。本文对仪器的改进工作做出了总结，硬件部分包括采用 了板块隔离屏蔽、电源部分的优化以及整形通道的改进和频率比对核心的相位重 合点检测电路的重整等措施；软件方面主要有数据采集的优化处理，显示功能和 用户界面的改进，其中使用了“虚拟测频仪器”方面的技术。 高精度测频仪器的测量精度还有待进一步提高。在“虚拟测频仪器”的应用方 向上本文仅仅是做出了初步的尝试，还需要以后不断的改进。 关键词：最大公因子频率“相位重合点”相检宽带测频技术双相检宽带测频 技术“虚拟仪器” a b s t r a c t t h e p a p e rh a sc o m p a r e ds e v e r a lm e t h o d so nh i g h - p r e c i s i o nm e a s u r i n go ff r e q u e n c yi n d e t a i la n dp u tt h ee m p h a s e so nt h e p r i n c i p l e o ft h ei l l s t m m e mf o r h i g h p r e c i s i o n m e a s u r i n go ff r e q u e n c y t h ei n s t r u m e n ti sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h et e c h n i q u e so f “m a xc o m m o nf a c t o r f r e q u e n c y ”、“p h a s e s u p e r p o s i t i o n p o i n t ”a n dt h et e c h n i q u eo f “b r o a db a n d p h a s e d e t e c t i n gi nm e a s u r i n gf r e q u e n c y ” t h ei n n o v a t i o no f t h i sp a p e rl i e si ni m p r o v i n gt h em e a s u r i n g p r e c i s i o n o f t h ei n s t r u m e n t f o r f r e q u e n c y , i n c l u d i n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r e i m p r o v e m e n t ，a n de x p a n d i n gt h e a p p l i c a t i o ns c o p e so f t h ei n s t r u m e n ts ot h a ti tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f c o m p a r i n g w j f l lo p t i c a lf r e q u e n c ys o l c e s t h ep a p e ri sac o n c l u s i o no fo u rw o r ko ni m p r o v e m e n t h a r d w a r ei m p r o v e m e n t s i n c l u d em a k i n ge a c hp a r to ft h ei n s t r u m e n ti n s u l a t e da n ds e p a r a t e d ，o p t i m i z i n gp o w e r s u p p l ym o d u l e ，i m p r o v i n go np h a s e - s u p e r p o s i t i o n - p o i n td e t e c tm o d u l ec i r c u i tw h i c h i s t h ec o r eo ft h ei n s t r u m e n t ；s o f t w a r ei m p r o v e m e n t si n c l u d e o p t i m i z i n gt h e m e t h o d d e a l i n gw i t l lt h ec o l l e c t e dd a t a i m p r o v e m e n to nd i s p l a yf u n c t i o na n du s e ri n t e r f a c ei n w h i c h u s i n g t h et e c h n i q u eo f “v i r t u a li n s t r u m e n tf o r m e a s u r i n gf r e q u e n c y ” t h e m e a s u r i n gp r e c i s i o no f t h ei n s t r u m e n tw eh a v em a d es t i l ln e e di m p r o v e m e n t w h a t w eh a v ed o n ei nt h ea p p l i c a t i o no f “v i r t u a li n s t r u m e n tf o r m e a s u r i n gf r e q u e n c y i sj u s t a b e g i n n i n g ，i ts t i t ln e e d m o r ei m p r o v e m e n t s k e y w o r d ：m a x c o m m o nf a c t o rf r e q u e n c yp h a s es u p e r p o s i t i o np o s i t i o n ” t e e h n l q u e o f “b r o a db a n d p h a s e - d e t e c t i n g i n m e a s u r i n gf r e q u e n c y t e c h n i q u e o f “b r o a db a n d d u a l - p h a s e - d e t e c t i n g i n m e a s u r i n g f r e q u e n c y ”v i r t u a li n s t r u m e n t 创新性声明 y 5 8 3 3 4 7 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。与我一同工作过的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：耋盈亟 关于论文使用授权的说明 日期但却 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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。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。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 圭塑亟 皿 日期够2 ，弓o 第一章绪论 第一章绪论 时间是三大基本物理量之一，是7 个基本物理量中计量精度最高的。时间频率 技术广泛应用于导航、空间技术、通信、工业生产、科学研究及天文学与计量学 当中。由于使用了原子频标标准，利用了原子跃迁现象中原子发出频率极其稳定 的电磁波这一物理现象，现在的频率标准精确度可达到1 0 1 3 lo “。因此，对时 间频率量的测量也就有了更高的要求。 对频率源的比对测量，被测频率较低时以对频率的频率测量为主，对甚高频的 频率源则使用相位测量，在测量频率源的频率基础之上，借助示波器观察被测信 号源与基准源形成的李沙育图。 针对射频与光频之间直接进行频率比对较困难的情况，我们借鉴频率互成倍数 关系的信号之间的相位比对方法就能实现频率关系成1 0 5 以上的射频到微波频率 信号之间的精密比对。这种直接比对方法简单、有效、糖度高。这些工作证明了 利用已有的射频频率相位比对方法来测量光频信号这些与射频信号之间存在大频 率差异的信号情况下完全可以实现。 本文详细比较了几种高精度测频方法，包括：高精度定闸门测频方法、相位差 测量方法等。重点探讨了高精度测频仪器( x d _ 1 7 ) 的工作原理。高精度测频仪器 是根据“最大公因子频率”、“相位重合点”、相检宽带测频技术和双相检宽带测频 技术而研制的。 随着科技水平的进一步提高，频率源更加稳定，我们能得到的频率源的标称 值进一步的提高，对于测频结果的精度要求也大大提高了。为了能跟上这个潮流， 我们不断的改进原有的测频技术及设备。对原有使用的双相检测频技术的仪器， 我们从硬件、软件两个方面对其进行了改进，并扩展了仪器的应用领域，以便能 适应光频标比对测量要求。本文对仪器的改进工作作了总结，包括仪器的硬件和 软件两方面的改进。在硬件的改进方面，主要采用了单元板块隔离屏蔽、电源部 分优化、整形通道改进、核心的相位重合点检测电路重整等措施。软件的改进方 面，主要是对采集到的数据进一步优化处理、显示功能和用户界面的改进，其 间使用了“虚拟测频仪器”方面的技术。 高精度测频技术的研究与高精度测频仪器的改进 第二章常见的频率和相位测量方法 2 1 频率测量方法 2 1 1 直接测频法 直接测频法是最简单的频率测量方法。它是在给定的闸门信号中填入脉冲， 通过必要的计数电路，得到填充脉冲的个数，从而算出待测信号的频率或周期。 在测量过程中，依据信号频率大小的不同，测量方法可分为以下两种： 1 ) 被测信号频率较高时： 通常选用一个频率较低的标准频率信号作为闸门信号，将被测信号作为填充 脉冲，在固定的闸门时间内对其计数。设闸门宽度为t ，计数值为n ，则这种测 量方法的频率测量值为： f x = ( 2 - 1 ) 测量误差一方面决定于闸门时间t 是否准确，另一方面也决定于计数器计得 的数是否准确，根据误差合成方法，可得： 堕；竺一些 陀2 1 扛 n1 7 j 式( 2 2 ) 中n 称作量化误差，这是数字化仪器所特有的误差。在测频 时，闸门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的。这样，在相同的 主门开启时间内，计数器所记得的数并不一定相同，这就产生了量化误差。当 主闸门开启时间t 接近甚至等于被测信号周期t x 的整数倍时，量化误差为最大， 最大量化误差为n = 1 个数。因此，最大量化误差的相对值可以写成： 一a n ：望 f 2 3 1 nn ?j 而a t t 是闸门时间的相对误差，它决定于石英晶体振荡器所提供的标准频 率的准确度。所以闸门时间的准确度在数值上等于标准频率韵准确度，即： t厶 一l t 磊 ( 2 4 ) 式中负号表示由f 。引起的闸门时间的误差为t 。 通常，对标准频率的准确度a f d f o 的要求是根据所要求的测频准确度而提出来 的。因此，为了使标准频率误差不对测量结果产生影响，标准频率的准确度应高 出1 个数量级为好。因此，总误差可以采用分项误差绝对僮线性相加来表示，即： 第二章常见的颏宰和相位测量方法 警：( j 1i 等1 ) ( 2 - 5 ) 由此可知，在f x 一定时，闸门时间t 选得越长，测量的准确度越高，当t 选 定后，f x 越高，则由于1 个字误差对测量结果影响减小，测量准确度越高。 2 1 被测信号频率较低时： 通常选用被测信号作为闸门信号，而将频率较高的标频信号作为填充脉冲， 进行计数。设计数值为n ，标频信号的频率为f o ，周期为t o 。则这种方法下的频 率测量值为：五2 丙杀( 2 - 6 ) 误差主要为对标频信号计数产生的1 个字误差。在忽略标准频率信号自 身误差的情况下，测量精度为： 笠：( 2 7 ) 再如 直接测频方法的优点是： 测量方便、读数直接，在比较宽的频率范围内能够获得较高的测量精度。它 的缺点是由于计数器测量频率时1 个字的测量误差影响，所以在尽量高的测量 频率和尽可能长的闸门时间下测频时，它可以获得尽可能高的测试精度；但对于 较低的被测频率来说，测频精度是不高的。 2 1 2 多周期同步法 在直接测频的基础上发展的多周期同步测量方法在目前的测频系统中得到越 来越广泛的应用。多周期同步法测频技术的实际闸门时间不是固定的值，而是被 测信号的整周期倍，即与被测信号同步，因此消除了对被测信号计数时产生的1 个字误差，测量精度大大提高，而且达到了在整个测量频段的等精度测量。 测量原理如图2 1 2 1 所示，波形如图2 1 2 2 所示。取样时间由控制信号产 生，但计数器闸门打开的时间并不恰好等于所预置的取样时间。当控制信号出现 后，由随后到来的第一个被测信号脉冲打开两个计数器的闸门。被测信号通过闸 门a 的由计数器a 计数，所选的基脉冲通过闸门b 的由计数器b 计数，f o 为计 数器内部晶振输出的频率信号。当控制信号结束后，由随后到来的被测信号脉冲 关闭两个计数器的闸门，停止计数。闸门打开的时间为r ，它与预置的取样时间 有差异，但最大差值不超过被测信号的一个周期。运算器对两个计数器的结果进 行运算，求出被测频率： 高精度测频技术的研究与高耩度测频仪器的改进 f 。 控制信号 闸门信号 计数a 时基脉冲 引数b 图2 1 2 1 多周期同步法测频原理图 j t_ liii ii lli li ii li - - ii 圈2 1 2 2原理波形吲 设n 。、n b 分别为计数器a 和b 计得的数值，则 n 。= r &( 2 8 ) n b = r f o( 2 - 9 ) 五= 羔，。( 2 q o ) 计数器a 的计数脉冲与f * 7 门的开闭是完全同步的，因而不存在1 个字的 计数误差，由式( 2 1 0 ) 微分可得： 够= 一面n 4 0 挑( 2 - 1 1 ) d n b ：1 ；r ：掣( 2 1 2 ) 得到测量分辨率： 霉：l ( ，。f 。) 、。 ( 2 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 给出了多周期同步法测量分辨率。因为闸门信号与被测信号同步， 被测信号在通道整形时，由于信号受噪声干扰等原因，整形出来的信号在时间上 存在微小的偏差，即触发误差。这一误差引起闸门时间的一个微小变化，使得测 量结果发生误差。 触发误差= 1 ( x 被测信号信噪比x 被测周期数n a ) 所以，测量总的误差为：6 = d f = f x + 触发误差+ 标准误差 由式( 2 1 3 ) 可以看出，测量分辨率与被测频率的大小无关，仅与取样时间及 第二章常见的频率和相位铡量方法 时基频率有关，可以实现被测频带内的等糖度测量。取样时间越长、时基频率越 高，分辨率越高。多周期同步法与传统的计数法测频相比较，测量精度明显提高。 传统的频率计计数器的测量原理如图2 12 3 所示。 塑口t 蓟反馈咂圃 图2 1 2 。3 一般频率计的原理框图 标频经分频后产生标准闸门时间控制闸门，被测信号经输入整形，通过闸门送 入计数器计数，并显示。其测频误差为： 5 = 1 个字的计数误差+ 标准误差 一般计数法测频，当被测频率小于1 0 m h z 时，1 个字的计数误差在l s 闸门时为1 h z 。误差主要取决于1 个字带来的误差。 多周期同步法测频，当频率较低( 信号线，通常信号线宽为：0 2 0 3 m m ，最精细宽度 可达0 0 5 0 0 7 r a m ，电源线为1 2 2 5 r a m ，对数字电路的p c b 可用宽的地线组成一个 回路，即构成一个地网来使用( 模拟电路的地不能这样使用) 。用大面积铜层作地 线用，在印刷板上把没有用上的地方都与地相连接作为地线用。或者做成多层板， 将电源和地线各占一层。需要时，电源线、地线上加上用铜线绕制的铁氧化体制 成的高频扼流器件来阻断高频噪声的传导。 电源回路的铜箔应能承受最大的电流值。除根据电流的大小尽量增加导线的 高精度测频技术的研究与高精度测频仪器的改进 宽度外，还应使电源线、地线的走向与数据传输方向一致。 对于检测仪器，电源部分的性能对电路工作起着举足轻重的作用。检测仪器的 供电电源一般由2 2 0 v 市电经变压整流后获得。通常使用的c 型或e 型变压器， 磁芯是由两个半块拼接而成的，接合处漏磁现象严重，泄露出的交变磁场将对周围 电路造成严重干扰。我们采用了一种截面为o 形的变压器，它的磁芯是一个整体， 漏磁隋况极其微弱，能够确保周围线路的稳定工作。变压后的交流电经过整形再 供给内部电路使用，整流盾不可避免会夹杂有少量交流波纹，对此我们采用电源 进线处滤波的方法。具体做法是在每个屏蔽盒的电源接进处添加1 0 0 肛和0 0 1 心 的电容各一个，它们分别用来滤除电源线上的低频和高频纹波干扰。这样处理后， 每个板块上由电源引入的干扰就被降到了很低程度。 4 1 1 3 整形通道改进 频率计的放大整形通道是频率计设计上的一个技术难点，它的性能将制约后续各 部分电路的指标，只有放大整形通道指标出色，频率计才有可能具备高的测量精 度。我们使用了e l c 三线接受器m c l 0 1 1 6 来构建整型通道。1 6 脚集成芯片 m c l 0 1 1 6 内部为三级差动放大，工作速度快，应用灵活，其主要参数为：传输时 延2 n s 、上升时间2 n s 、下降时间2 n s 、工作频率达2 0 0 m h z 。在新的放大整形电路 中，信号经过两级模拟放大后进入m c l 0 1 1 6 ，m c l 0 1 1 6 接一级放大和两级施密特 触发器整形，电路输入输出对称互补。我们注意了布局时的走线，避免了导致电 路工作不稳定的情况。修改后的电路灵敏度达到了1 0 2 0 m v ，频率范围为0 1 1 0 0 m h z 。 为了确保整形通道的性能，在布线设计完成后。还需认真检查布线设计是否 符合设计者所制定的规则，同时也需确认所设定的规则是否符合印制板生产工艺 的需求，主要检查如下几个方面： 1 ) 线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与 贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。 2 ) 电源线和地线的宽度是否合适，电源与地线之间是否紧耦合( 有低的 波阻抗) 。在p c b 中是否还有能让地线加宽的地方。 3 ) 对于关键的信号线是否采用了最佳措施，如长度最短，加保护线，输 入线及输出线被明显地分开。 4 ) 模拟电路和数字电路部分，是否有各自独立的地线。 5 ) 以后加注的图形( 如图标、注标) 是否会造成信号短路。 6 ) 考虑整体美观。一个产品的成功与否一是要注重内在的质量，二是兼 顾整体的美观，两者都比较完美才能认为该产品是成功的。在一个p c b 第四章高精度测频仪的改进 板上，元件的布局要求要平衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉。 以上的问题只有考虑得很全面，设计出来的电路才能具有良好的抗干扰性能。 否则，即使电路原理上没有什么问题，做出来的电路板也不一定能征常工作。我 们进行的是时间频率测量，这是基本计量单位中计量精度最高的，对电路的抗干 扰性能的要求就更高。在测量电路的布线方面我们还注意了以下几个方面： 1 )使用4 5 。的折线布线，不使用9 0 。折线，以减小高频信号的发射。 高频电路和高压电路在印刷铜箔的弯角处不要形成尖角，以防传输线 特性阻抗的突变而产生反射，要尽量设计成具有一定尺寸的圆弧线。 2 )关键的线要尽量短并要尽量粗，并在两边加上保护地。 3 )石英振荡器的下面与噪声敏感器件下面要加大地的面积，而不是 走其他信号线。 4 )时钟线垂直于i o 线比平行于f o 线干扰来得要小，且时钟线要尽量远 离f o 线。 5 )对短接线，在线路无法排列或只有绕大圈才能走通的情况下，用绝缘 “飞线”连接。或采用双面印刷“飞线”或阻容元件引线直接跨接。 6 )尽量减小布线的分布电容，不应有过长的条状平行线。 7 )大电流引出线尽量并行且紧靠接地线，其地线应与逻辑集成电路的地 线分开。小信号则可采用屏蔽线、同轴电缆及双绞线等。所有线路尽 量沿地线铺设，且应尽量沿直流地铺设，尽量避免沿交流地铺设。 8 )采用隔离走线，两信号线间加一条接地线。印制条状铜箔间的距离不 应太小。 9 )印刷板上尽量留出较大的间隔，以减少串扰。如果有两条较近的信号 线，最好从两条线中间走一条地线，这样可以起到屏蔽作用。 1 0 ) 电源线和地线尽量宽阔，地线和电源线自成回路。 1 1 ) 为提高系统的抗干扰能力。在印刷线路板的各个关键部分配置去耦电 容，是电路板设计的常规做法。在每个集成电路芯片的电源和地之间 跨接一个0 0 1 l l f 的陶瓷电容。对抗噪声能力弱，开关电流大的器件， 以及r o m , r a m 存储器，应在电源和地之间跨接去耦电容，去耦电容 的引线不能太长。 印刷电路板的大小要适中。过大时，导线加长，阻抗增加，抗干扰能力下降； 过小则增加了相邻导线之间、相邻元器件之间的相互影响而产生干扰，而且不利 于散热。器件的布置应尽量把相互有关的器件放在一起，以获得较好的抗噪声效 果。小电流电路和大电流电路应尽量远离逻辑电路。 高精度测频技术的研究与高精度测频仪器的改进 4 i ，i 4 相位重合点检测电路改进 本仪器能够实现高精度测频最关键的就是通过捕捉“相位重合点”来构成与标 频和被测信号嗣时都同步的实际测量门时。改进时必然希望能对相位重合点检测 这一核心电路作出改进。本单元电路对波形质量要求极高，因为后续计数器的采 集计数和单片机的计算处理都是基于这一部分提供的稳定而明晰的波形的。原电 路中，有的集成块内同时走有两路不同信号，不同的信号在芯片内必然产生相互 干扰。通过示波器观察，该芯片的输出引脚端的波形质量明显恶化。为了避免这 一情况，新的布局必须尽量保证信号在器件间的传输线路最短且无回路。改进后 的线路布局为输出高质量的计数波形提供了可靠的保证。 o f op u l g e r j。