一種單路實(shí)現(xiàn)連續(xù)頻率測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單路實(shí)現(xiàn)連續(xù)頻率測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 頻率測量是電子技術(shù)中的一項(xiàng)基本測量技術(shù)，在通信、導(dǎo)航、空間科學(xué)及計(jì)量技術(shù) 等眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。頻率的高精度測量促使科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，而科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步又 對(duì)頻率的測量精度提出了更高的要求。頻率測量水平的提高對(duì)整個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展有著積極 重要的促進(jìn)作用。連續(xù)頻率測量技術(shù)能夠在硬件設(shè)備一定的前提下進(jìn)一步提升頻率測量的 分辨率，目前通過雙路差分同步計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)測量，存在電路冗余量較大的缺點(diǎn)。
[0003] 圖1是頻率及時(shí)間間隔測量電路原理框圖。如圖所示，該電路按照測量的前后流 程可分為"通道調(diào)理與觸發(fā)"、"二級(jí)同步"和"計(jì)數(shù)與短時(shí)時(shí)間間隔測量"三個(gè)主要模塊。整 個(gè)測量過程在FPGA的統(tǒng)一協(xié)調(diào)與控制下進(jìn)行。
[0004] 圖2是連續(xù)頻率測量的原理示意圖。如圖所示，連續(xù)頻率測量過程大體可分三個(gè) 步驟進(jìn)行：
[0005] (1)選擇由FPGA或外部接入的閘門信號(hào)作為計(jì)數(shù)填充閘門。為保證12位/秒以 上的測量分辨率，一般應(yīng)令該原始閘門持續(xù)時(shí)間大于1秒，為方便說明這里選擇1秒；
[0006] (2)原始閘門經(jīng)過"二級(jí)同步"電路各同步兩次，第一次得到用于計(jì)數(shù)待測信號(hào)個(gè) 數(shù)的"計(jì)數(shù)閘門"，第二次得到用于計(jì)數(shù)填充脈沖個(gè)數(shù)的"填充閘門"；
[0007] (3)在"計(jì)數(shù)閘門"、"填充閘門"高電平持續(xù)時(shí)間內(nèi)對(duì)待測信號(hào)及填充脈沖計(jì)數(shù)，并 測量短時(shí)時(shí)間間隔A tl、A t2。
[0008] 每當(dāng)"二次同步"結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)由FPGA傳送給ARM平臺(tái)。系統(tǒng)軟件根據(jù)公式：
[0011] 計(jì)算連續(xù)測量周期及頻率。其中乙表示填充脈沖的周期，N p Mi分別代表第i次 測量時(shí)待測頻率與填充脈沖的計(jì)數(shù)值，及At i+1為第i次測量的前后短時(shí)時(shí)間間隔。
[0012] 系統(tǒng)軟件收到FPGA發(fā)送來的數(shù)據(jù)，在每次計(jì)算頻率值后判斷待測信號(hào)頻率是否 發(fā)生改變，若未發(fā)生改變則可對(duì)已測的數(shù)據(jù)進(jìn)行累積運(yùn)算以增加頻率測量的分辨率，否則 放棄以往測量數(shù)據(jù)，僅顯示當(dāng)前的頻率值，并在下一次繼續(xù)執(zhí)行連續(xù)累積運(yùn)算過程。為方便 說明，假設(shè)第1次到第i次連續(xù)測量過程中待測頻率均未發(fā)生改變，則經(jīng)過i次的累積后可 將待測信號(hào)頻率精確到：
[0014] 因?yàn)榇郎y信號(hào)頻率并未發(fā)生改變，因此公式（3)可以化簡為：
[0016]其中Atp At2、A、等通過基于延遲線原理的TDC_GPX芯片測量得出，現(xiàn)在采用TDC芯片能夠?qū)崿F(xiàn)的時(shí)間分辨率可達(dá)100ps。對(duì)于1秒的閘門而言，單次連續(xù)頻率測量的系 統(tǒng)量化誤差為：
[0018] 其中tss為TDC_GPX能夠?qū)崿F(xiàn)的時(shí)間間隔測量分辨率。若系統(tǒng)檢測到待測信 號(hào)頻率未發(fā)生改變，累積N次能夠?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)誤差減小N倍。若N= 10,則隨機(jī)誤差為
，即頻率測量分辨率為11位/秒，同理，若N = 100,系統(tǒng)頻率測量 分辨率能達(dá)到12位/秒。
[0019] 圖3是連續(xù)頻率測量部分的實(shí)現(xiàn)電路。如圖所示，為方便說明此處只提取本專利 相關(guān)的同步和計(jì)數(shù)部分電路。圖中N6、N7是待測頻率的計(jì)數(shù)器，在"計(jì)數(shù)閘門"控制下計(jì) 數(shù)。而NKKN11是填充脈沖的計(jì)數(shù)器，這里選擇填充脈沖頻率為500MHz，計(jì)數(shù)過程在"填充 閘門"控制下進(jìn)行。
[0020] 圖4是雙路實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量的示意圖。其中"計(jì)數(shù)閘門"與"填充閘門"均是差分輸 出以便產(chǎn)生兩路控制信號(hào)分別控制圖3中的N6、N7與N10、N11實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。圖中各個(gè)閘門中 陰影部分是計(jì)數(shù)器實(shí)際工作的時(shí)間段。
[0021] "計(jì)數(shù)閘門"及"填充閘門"的Gate及^交替控制各自的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，在"陰影" 區(qū)域結(jié)束的瞬間（圖4中向下的箭頭示意的時(shí)間點(diǎn)）FPGA讀取計(jì)數(shù)器及內(nèi)部擴(kuò)展計(jì)數(shù)器的 計(jì)數(shù)值隊(duì)與M jlj Reg中，延遲一段時(shí)間T d，以等待TDC_GPX完成短時(shí)時(shí)間間隔A &與A t i+1 的測量后發(fā)送中斷信號(hào)INT給ARM平臺(tái)，系統(tǒng)軟件此時(shí)讀取計(jì)算頻率需要的數(shù)據(jù)隊(duì)為、A心 與Ati+1(圖中向上的箭頭示意的時(shí)間點(diǎn)）。接著按照上文所述的頻率積累規(guī)律取舍當(dāng)前 值，依次交替進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)無間隙頻率測量。
[0022] "計(jì)數(shù)閘門"和"填充閘門"均是差分輸出，兩路分別控制計(jì)數(shù)器模塊電路實(shí)現(xiàn)連續(xù) 無間隙頻率測量，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，即實(shí)際上是使用了兩套幾乎相同的電路，并非真正意義上 的連續(xù)無間隙頻率測量。并且，使用器件較多造成成本較大、電路工作效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提出一種單路實(shí)現(xiàn)連續(xù)頻率測量方 法，通過自制方案實(shí)現(xiàn)連續(xù)頻率測量的同時(shí)減少一半的同步計(jì)數(shù)及其電平變換電路，從而 達(dá)到簡化電路設(shè)計(jì)、減少供電電源功耗、降低FPGA布線難度及PCB成本。
[0024] 為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供了一種單路實(shí)現(xiàn)連續(xù)頻率測量方法，包括：
[0025] 根據(jù)所述計(jì)數(shù)同步閘門、填充計(jì)數(shù)閘門、待測信號(hào)以及填充脈沖兩次同步的關(guān)系， 配合FPGA控制，在所述同步閘門高電平結(jié)束時(shí)，存儲(chǔ)所述待測信號(hào)的第一次計(jì)數(shù)值Data_ N1及所述填充脈沖的第一次計(jì)數(shù)值Data_Ml至所述FPGA的內(nèi)部寄存器中；
[0026] 延遲一段時(shí)間后測量板發(fā)送中斷信號(hào)TNT給CPU，以便系統(tǒng)軟件讀取該次測量的 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC1與TDC2測量值，并根據(jù)公式計(jì)算出信號(hào)頻率值并顯示；
[0027] 在低電平開始時(shí)，同步閘門繼續(xù)控制計(jì)數(shù)電路同步計(jì)數(shù)；低電平結(jié)束時(shí)存儲(chǔ)所述 待測信號(hào)的第二次計(jì)數(shù)值Data_N2及所述填充脈沖的第二次計(jì)數(shù)值Data_M2 ;延遲一段時(shí) 間后發(fā)送中斷信號(hào)；系統(tǒng)軟件讀取計(jì)數(shù)值及TDC值；
[0028] 判斷前后兩次測量過程中待測信號(hào)頻率是否變化；若存在變化，則舍掉上次數(shù)據(jù)， 并且只顯示當(dāng)前次測量結(jié)果；否則執(zhí)行累積運(yùn)算，更新測量結(jié)果。
[0029] 其中，所述Data_N2是在Data_Nl基礎(chǔ)上的累計(jì)值。
[0030] 進(jìn)一步的，所述根據(jù)公式計(jì)算出信號(hào)頻率值，具體根據(jù)以下公式計(jì)算：
[0031]
_ ;其中！^表示填充脈沖的周期。
[0032] 進(jìn)一步的，當(dāng)前后兩次測量過程中待測信號(hào)頻率未發(fā)生變化時(shí)，通過以下公式執(zhí) 行所述累計(jì)運(yùn)算：
[0033]
;其中Tf表示填充脈沖的周 期；
[0034] 本發(fā)明能夠達(dá)到以下有益效果：
[0035] 通過本發(fā)明提出的測量方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)頻率測量，在達(dá)到同樣測量分辨率的前提下 能夠減少近一半的元器件使用量；該方法的使用降低了 PCB設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和儀器電源功 耗，能夠方便電路調(diào)試和儀器售后故障維護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)成本、提高工作性能的目 標(biāo)。
【附圖說明】
[0036] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹