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一種高分辨異頻信號頻率測量系統(tǒng)和測量方法

文檔序號:9273830閱讀:820來源:國知局
一種高分辨異頻信號頻率測量系統(tǒng)和測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高分辨異頻信號頻率測量系統(tǒng)和測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于頻率測量的方法有很多,頻率測量的準確度主要取決于所測量的頻率范圍以 及被測對象的特點。而測量所能達到的精度,不僅僅取決于作為標準器使用的頻率源的精 度,也取決于所使用的測量設備和測量方法。
[0003] 直接測頻法即脈沖填充法,它是最簡單的頻率測量方法。其主要測量原理是在給 定的閘門信號中填入脈沖,通過必要的計數(shù)線路,得到填充脈沖的個數(shù),從而算出待測信號 的頻率或周期,在具體的測量過程中,依據(jù)被測信號頻率高低的不同,可將該測量方法可以 分為兩種:(1)被測信號頻率較高時的情況。在這種情況下,通常選用一個頻率較低的標頻 信號作為閘門信號,而將被測信號作為填充脈沖,在固定閘門時間內(nèi)對其計數(shù)。(2)被測信 號頻率較低時的情況。在這種情況下,通常選用被測信號作為閘門信號,而將頻率較高的標 頻信號作為填充脈沖,進行計數(shù)。直接測頻方法的優(yōu)點是測量方便、讀數(shù)直接,在比較寬的 頻率范圍內(nèi)能夠獲得較高的測量精度。它的缺點是由于計數(shù)器測量頻率時±1個字的測量 誤差影響,所以在盡量高的測試頻率和盡可能長的閘門時間下測頻時,它可以獲得盡可能 高的測試精度。但對于較低的被測頻率來說,測頻精度較差。
[0004] 多周期同步測頻法是在直接測頻法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,在目前的測頻系統(tǒng)中具 有廣泛的應用。在這種測頻方法中,實際閘門是不固定的值,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(shù)時產(chǎn)生的±1個字計數(shù)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。在整個測量頻率范圍內(nèi),多周期同步測頻 方法較之直接測頻法有了很明顯的進步,但也有其缺點:一是它不能夠進行連續(xù)的頻率測 量;二是在快速測量的要求下,由于要求較高的側(cè)量精度,所以必須采用較高的標準頻率, 這樣使得標頻計數(shù)的位數(shù)較多(通常24位或32位)。這樣不僅硬件資源消耗量大而且當 采用8位或16位的單片機處理數(shù)據(jù)時,乘除運算需要較多的指令周期和循環(huán)。
[0005] 模擬內(nèi)插法是以測量時間間隔為基礎(chǔ)的測量方法,它主要解決的問題是測出量化 單位以下的尾數(shù)。模擬內(nèi)插法主要包括兩部分:一是粗測,二是細測。粗測就是運用脈沖計 數(shù)法對實際閘門的測量;細測就是運用內(nèi)插的方法對量化單位以下的尾數(shù)的測量。模擬內(nèi) 插的主要優(yōu)點是使測量分辨力提高了三個量級,缺點是±1字的計數(shù)誤差依然存在,另外 還存在轉(zhuǎn)換時間過長、非線性難以控制等問題。
[0006] 時間-幅度轉(zhuǎn)換法由時間間隔擴展法改進而來,它克服了時間間隔擴展法轉(zhuǎn)換時 間過長、非線性難以控制等問題。利用現(xiàn)代高速的ADC,該法可以得到1~20ps的分辨率。 傳統(tǒng)上,該法都是用離散器件來實現(xiàn)的,但近年來也有人用ASIC替代離散器件,且與ECL電 路配合使用,使精度達到l〇ps。SR620就是用該法實現(xiàn)了最高達25ps的分辨率。
[0007] 游標法是一種典型的以時間為基礎(chǔ)的頻率測量方法。這種測量方法用類似于機械 游標卡尺的原理,能較為準確地測出整周期數(shù)外的零頭或尾數(shù),以提高測量的分辨力和準 確度。
[0008] 時間游標法比脈沖計數(shù)法具有更高的測量精度。游標法的特點是使用沖擊振蕩 器,測量精度高,但是電路工藝復雜,轉(zhuǎn)換時間長。商用的基于時間游標法的時間間隔測量 儀HP5370B,分辨率達到20皮秒。
[0009] 傳統(tǒng)的異頻相位重合檢測方法是將異頻信號所產(chǎn)生的相位重合點作為測量閘門 的開、關(guān)信號,由于比對信號的不穩(wěn)定性、相位重合點的不同步性以及相位重合點大小的不 確定性,測量分辨率和測量精度不高。異頻相位重合檢測方法主要包括具有可調(diào)延遲產(chǎn)生 同頻脈沖的異頻相位重合檢測方法和基于邊沿效應的相位重合檢測方法。
[0010] 具有可調(diào)延遲產(chǎn)生同頻脈沖的異頻相位重合檢測方法,較傳統(tǒng)的異頻相位重合檢 測方法在測量精度上有所所高,主要是采用了相位控制原理減少了相位重點的個數(shù),但是 測量分辨率和測量精度仍然無法滿足需求。
[0011] 基于邊沿效應的相位重合檢測方法與具有可調(diào)延遲產(chǎn)生同頻脈沖的異頻相位重 合檢測方法基本相似,認為系統(tǒng)的測量精度取決于分辨率的穩(wěn)定性,只要分辨率穩(wěn)定,測量 精度便會提高。而測量分辨率的穩(wěn)定性取決于比對信號之間的頻率關(guān)系,頻標信號常受相 位噪聲的影響,因此被測信號也受環(huán)境因素和電路噪聲的影響,獲得高穩(wěn)定度的頻率關(guān)系 是困難的,保證測量分辨率的長期穩(wěn)定性也是不可能的。檢測分辨率的穩(wěn)定性取決于檢測 器件或檢測電路的穩(wěn)定性,眾所周知,檢測電路中檢測器件的不一致性和不匹配性是客觀 存在的,在整個檢測過程中保持檢測分辨率的高穩(wěn)定性也是不現(xiàn)實的。所以,基于邊沿效應 的相位重合檢測方法依靠分辨率(包括測量分辨率和檢測分辨率)的穩(wěn)定性來提高測量精 度不易保證。
[0012] 上述檢測方法的最大缺陷在于沒有對產(chǎn)生的最終相位重合脈沖,也就是作為測量 閘門的觸發(fā)信號,做進一步的處理以避免自身或外界因素對測量精度的固有影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的是提供一種高分辨異頻信號頻率測量系統(tǒng)和測量方法,能夠產(chǎn)生高 分辨異頻測量閘門信號,并利用高分辨異頻測量閘門信號進行頻率測量,具有測量精度高、 穩(wěn)定性強的優(yōu)點。
[0014] 本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0015] -種高分辨異頻信號頻率測量系統(tǒng),包括開關(guān)電源模塊、信號源模塊、粗異頻模糊 區(qū)產(chǎn)生模塊、高分辨延時器模塊、模糊區(qū)脈沖產(chǎn)生模塊、實際閘門產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、 頻率測量模塊和頻率輸出模塊組成;開關(guān)電源模塊為整個系統(tǒng)進行供電,信號源模塊的信 號輸出端連接粗異頻模糊區(qū)產(chǎn)生模塊的信號輸入端,粗異頻模糊區(qū)產(chǎn)生模塊的信號輸出端 分別連接高分辨延時器模塊和模糊區(qū)脈沖產(chǎn)生模塊的信號輸入端,高分辨延時器模塊的信 號輸出端連接模糊區(qū)脈沖產(chǎn)生模塊的信號輸入端,模糊區(qū)脈沖產(chǎn)生模塊的信號輸出端連接 實際閘門產(chǎn)生模塊的信號輸入端,實際閘門產(chǎn)生模塊的信號輸出端連接數(shù)據(jù)處理模塊的信 號輸入端,數(shù)據(jù)處理模塊的信號輸出端連接頻率測量模塊的信號輸入端,頻率測量模塊的 信號輸出端連接頻率輸出模塊的信號輸入端;
[0016] 所述的開關(guān)電源模塊,用于對整個系統(tǒng)進行供電;
[0017] 所述的信號源模塊,用于產(chǎn)生輸入的高穩(wěn)定度頻率標準信號和被測頻率信號;
[0018] 所述的粗異頻模糊區(qū)產(chǎn)生模塊,用于對輸入的高穩(wěn)定度頻率標準信號和被測頻率 信號依次進行濾波整形、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電壓變換放大和精細延遲,以獲得粗異頻模糊區(qū);
[0019] 所述的高分辨延時器模塊,用于對粗異頻模糊區(qū)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的粗異頻模糊區(qū)進 行延時,使延時后的粗異頻模糊區(qū)與原粗異頻模糊區(qū)在相位或時間上相差一個延時量;
[0020] 所述的模糊區(qū)脈沖產(chǎn)生模塊,用于產(chǎn)生模糊區(qū)極窄脈沖集合;模糊區(qū)脈沖產(chǎn)生模 塊將延時后的粗異頻模糊區(qū)與原粗異頻模糊區(qū)進行異或門電路邏輯分析,獲得二個寬度為 延時量大小的模糊區(qū)極窄脈沖集合;
[0021] 所述的實際閘門產(chǎn)生模塊,用于產(chǎn)生實際閘門觸發(fā)脈沖;
[0022] 所述的數(shù)據(jù)處理模塊,用于對實際閘門觸發(fā)脈沖進行處理并對實際閘門時間內(nèi)的 被測信號進行計數(shù),獲得頻率測量的時域數(shù)據(jù);
[0023] 所述的頻率測
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