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引言 時間頻率測量是電子測量的重要領域。頻率和時間的測量已越來越受到重視，長度、電壓等參數也可以轉化為與頻率測量有關的技術來確定。本文通過對傳統的多周期同步法進行探討，提出了多周期同步法與量化時延法相結合的測頻方法。 多周期同步法 最簡單的測量頻率的方法是直接測頻法。直接測頻法就是在給定的閘門信號中填入脈沖，通過必要的計數電路，得到填充脈沖的個數，從而算出待測信號的頻率或周期。在直接測頻的基礎上發展的多周期同步測量方法，在目前的測頻系統中得到越來越廣泛的應用。多周期同步法測頻技術的實際閘門時間不是固定的值，而是被測信號的整周期倍，即與被測信號同步，因此消除了對被測信號計數時產生的±1個字誤差，測量精度大大提高，而且達到了在整個測量頻段的等精度測量，其原理框圖和波形圖如圖1所示。 設Na、Nb分別為計數器A和B記得的數值，τ’為閘門時間，則 Na=τ'·fx (1) Nb=τ'·f0 (2) 計數器A的計數脈沖與閘門的開閉是完全同步的，因而不存在±1個字的計數誤差，由式(3)微分可得： dNb=±1，τ'=Nb/f0 (5) 得到測量分辨率: dfx/fx=±1/(τ'×f0) (6) 由式(6)可以看出，測量分辨率與被測頻率的大小無關，僅與取樣時間及時基頻率有關，可以實現被測頻帶內的等精度測量。取樣時間越長，時基頻率越高，分辨率越高。多周期同步法與傳統的計數法測頻比較，測量精度明顯提高。 在時頻測量方法中，多周期同步法是精度較高的一種，但仍然未解決±1個字的誤差，主要是因為實際閘門邊沿與標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，如果能準確測量出短時間間隔Δt1和Δt2，也就能夠準確測量出時間間隔Tx，消除±1個字的計數誤差，從而進一步提高精度。 為了測量短時間間隔Δt1和Δt2，通常使用模擬內插法或游標法與多周期同步法結合使用[1]，雖然精度有很大提高，但終未能解決±1個字的誤差這個根本問題，而且這些方法設備復雜，不利于推廣。 要得到精度高，時間響應快，結構簡單的頻率和時間測量方法是比較困難的。 從結構盡量簡單同時兼顧精度的角度出發，將多周期同步法與基于量化時延的短時間間隔測量方法結合，實現了寬頻范圍內的等精度高分辨率測量。 量化時延法測短時間間隔 光電信號可以在一定的介質中快速穩定的傳播，且在不同的介質中有不同的延時。通過將信號所產生的延時進行量化，實現了對短時間間隔的測量。 其基本原理是“串行延遲，并行計數”，而不同于傳統計數器的串行計數方法，即讓信號通過一系列的延時單元，依靠延時單元的延時穩定性，在計算機的控制下對延時狀態進行高速采集與數據處理，從而實現了對短時間間隔的精確測量。其原理如圖3所示。 量化時延思想的實現依賴于延時單元的延時穩定性，其分辨率取決于單位延時單元的延遲時間。 作為延時單元的器件可以是無源導線，有源門器件或其他電路。其中，導線的延遲時間較短(接近光速傳播的延遲)，門電路的延遲時間相對較長。考慮到延遲可預測能力，最終選擇了CPLD器件，實現對短時間間隔的測量。 將短時間間隔的開始信號送入延時鏈中傳播，當結束信號到來時，將此信號在延時鏈中的延時狀態進行鎖存，通過CPU讀取，判斷信號經過的延時單元個數就可以得到短時時間間隔的大小，分辨率決定于單位延時單元的延時時間。 一般來講，為了測量兩個短時間間隔，使用兩組延時和鎖存模塊，但實際上，給定的軟件閘門時間足夠大，允許CPU完成取數的操作，即能夠在待測時間間隔結束之前取走短時間隔Δt1對應的延時單元的個數，通過一定的控制信號，可以只用一組延時和鎖存單元，這樣可以節省 CPLD內部的資源。利用多周期同步與量化時延相結合的方法， 計算公式為： T=n0t0+n1t1-n2t1 (7) 式(7)中，n0為對填充脈沖的計數值；t0為填充脈沖的周期，即100ns；n1為短時間隔Δt1對應的延時單元的個數；n2為短時間隔Δt2對應的延時單元的個數；t1為量化延遲器件延時單元的延遲量(4.3ns)。 這樣，利用多周期同步法，實現了閘門和被測信號同步；利用量化時延法，測量了原來測不出來的兩個短時間間隔，從而準確地測量了實際閘門的大小，也就提高了測頻的精度。 測量結果及分析 把銣頻標作為樣機和XDU－17型頻率計的頻標，把頻率合成器輸出的信號作為被測信號進行測量，其結果如表1所示。 由于頻率合成器輸出的頻率信號最小只能調到10Hz，把XDU-17的測量值作為標準，可以計算出樣機測頻的精度。 例如，被測信號為15.000010MHz時被測信號為5.00001002MHz時， 從上面的計算可以看出，樣機的分辨率已達ns量級，下面從理論分析的角度來說明這一點。 前面已經分析過，多周期同步法測頻時，它的測量不確定度為： 當輸入f0為10MHz，閘門時間為1s時，測量的不確定度為±1×10-7/s。當與量化延時測量與短時間間隔電路相結合時，測量的不確定度可以從下述推導出來。 在采用多周期同步法時，Tx為待測的多周期值，T0為采用的時基周期。 Tx= NT0+△t1-△t2 (9) 與量化延時電路相結合后有： Tx= NT0+(N1-N2)td±δTx (10) 這里，δTx為測量的不準確度。 對上式微分得： δTx≤±2td (11) 由(11)式可知，此方法的測量精度取決于td，它的穩定性與大小直接影響測量值的不確定度。所以采用各種方法，計數器可在整個頻率量程內實現等精度的測量，而且測量精度有顯著提高，測量分辨率提高到4.3ns，且消除了±1個字的理論誤差，精度提高了20多倍。 結束語 本文將給出了一種新的測頻方法。基于此方法的頻率計的數字電路部分集成在一片CPLD中，大大減小了整個儀器的體積，提高了可靠性，且達到了很高的測量分辨率。 |
