一種高分辨異頻信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)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(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于頻率測(cè)量的方法有很多，頻率測(cè)量的準(zhǔn)確度主要取決于所測(cè)量的頻率范圍以 及被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)。而測(cè)量所能達(dá)到的精度，不僅僅取決于作為標(biāo)準(zhǔn)器使用的頻率源的精 度，也取決于所使用的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法。
[0003] 直接測(cè)頻法即脈沖填充法，它是最簡(jiǎn)單的頻率測(cè)量方法。其主要測(cè)量原理是在給 定的閘門信號(hào)中填入脈沖，通過(guò)必要的計(jì)數(shù)線路，得到填充脈沖的個(gè)數(shù)，從而算出待測(cè)信號(hào) 的頻率或周期，在具體的測(cè)量過(guò)程中，依據(jù)被測(cè)信號(hào)頻率高低的不同，可將該測(cè)量方法可以 分為兩種：（1)被測(cè)信號(hào)頻率較高時(shí)的情況。在這種情況下，通常選用一個(gè)頻率較低的標(biāo)頻 信號(hào)作為閘門信號(hào)，而將被測(cè)信號(hào)作為填充脈沖，在固定閘門時(shí)間內(nèi)對(duì)其計(jì)數(shù)。（2)被測(cè)信 號(hào)頻率較低時(shí)的情況。在這種情況下，通常選用被測(cè)信號(hào)作為閘門信號(hào)，而將頻率較高的標(biāo) 頻信號(hào)作為填充脈沖，進(jìn)行計(jì)數(shù)。直接測(cè)頻方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)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(cè)量精度。它的缺點(diǎn)是由于計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率時(shí)±1個(gè)字的測(cè)量 誤差影響，所以在盡量高的測(cè)試頻率和盡可能長(zhǎng)的閘門時(shí)間下測(cè)頻時(shí)，它可以獲得盡可能 高的測(cè)試精度。但對(duì)于較低的被測(cè)頻率來(lái)說(shuō)，測(cè)頻精度較差。
[0004] 多周期同步測(cè)頻法是在直接測(cè)頻法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，在目前的測(cè)頻系統(tǒng)中具 有廣泛的應(yīng)用。在這種測(cè)頻方法中，實(shí)際閘門是不固定的值，而是被測(cè)信號(hào)的整周期倍，即 與被測(cè)信號(hào)同步，因此消除了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)產(chǎn)生的±1個(gè)字計(jì)數(shù)誤差，測(cè)量精度大大 提高，而且達(dá)到了在整個(gè)測(cè)量頻段的等精度測(cè)量。在整個(gè)測(cè)量頻率范圍內(nèi)，多周期同步測(cè)頻 方法較之直接測(cè)頻法有了很明顯的進(jìn)步，但也有其缺點(diǎn)：一是它不能夠進(jìn)行連續(xù)的頻率測(cè) 量；二是在快速測(cè)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(biāo)準(zhǔn)頻率， 這樣使得標(biāo)頻計(jì)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(dāng) 采用8位或16位的單片機(jī)處理數(shù)據(jù)時(shí)，乘除運(yùn)算需要較多的指令周期和循環(huán)。
[0005] 模擬內(nèi)插法是以測(cè)量時(shí)間間隔為基礎(chǔ)的測(cè)量方法，它主要解決的問題是測(cè)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(cè)，二是細(xì)測(cè)。粗測(cè)就是運(yùn)用脈沖計(jì) 數(shù)法對(duì)實(shí)際閘門的測(cè)量；細(xì)測(cè)就是運(yùn)用內(nèi)插的方法對(duì)量化單位以下的尾數(shù)的測(cè)量。模擬內(nèi) 插的主要優(yōu)點(diǎn)是使測(cè)量分辨力提高了三個(gè)量級(jí)，缺點(diǎn)是±1字的計(jì)數(shù)誤差依然存在，另外 還存在轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、非線性難以控制等問題。
[0006] 時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換法由時(shí)間間隔擴(kuò)展法改進(jìn)而來(lái)，它克服了時(shí)間間隔擴(kuò)展法轉(zhuǎn)換時(shí) 間過(guò)長(zhǎng)、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(lái)實(shí)現(xiàn)的，但近年來(lái)也有人用ASIC替代離散器件，且與ECL電 路配合使用，使精度達(dá)到l〇ps。SR620就是用該法實(shí)現(xiàn)了最高達(dá)25ps的分辨率。
[0007] 游標(biāo)法是一種典型的以時(shí)間為基礎(chǔ)的頻率測(cè)量方法。這種測(cè)量方法用類似于機(jī)械 游標(biāo)卡尺的原理，能較為準(zhǔn)確地測(cè)出整周期數(shù)外的零頭或尾數(shù)，以提高測(cè)量的分辨力和準(zhǔn) 確度。
[0008] 時(shí)間游標(biāo)法比脈沖計(jì)數(shù)法具有更高的測(cè)量精度。游標(biāo)法的特點(diǎn)是使用沖擊振蕩 器，測(cè)量精度高，但是電路工藝復(fù)雜，轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)。商用的基于時(shí)間游標(biāo)法的時(shí)間間隔測(cè)量 儀HP5370B，分辨率達(dá)到20皮秒。
[0009] 傳統(tǒng)的異頻相位重合檢測(cè)方法是將異頻信號(hào)所產(chǎn)生的相位重合點(diǎn)作為測(cè)量閘門 的開、關(guān)信號(hào)，由于比對(duì)信號(hào)的不穩(wěn)定性、相位重合點(diǎn)的不同步性以及相位重合點(diǎn)大小的不 確定性，測(cè)量分辨率和測(cè)量精度不高。異頻相位重合檢測(cè)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(cè)方法和基于邊沿效應(yīng)的相位重合檢測(cè)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(cè)方法，較傳統(tǒng)的異頻相位重合檢 測(cè)方法在測(cè)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(diǎn)的個(gè)數(shù)，但是 測(cè)量分辨率和測(cè)量精度仍然無(wú)法滿足需求。
[0011] 基于邊沿效應(yīng)的相位重合檢測(cè)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(cè)方法基本相似，認(rèn)為系統(tǒng)的測(cè)量精度取決于分辨率的穩(wěn)定性，只要分辨率穩(wěn)定，測(cè)量 精度便會(huì)提高。而測(cè)量分辨率的穩(wěn)定性取決于比對(duì)信號(hào)之間的頻率關(guān)系，頻標(biāo)信號(hào)常受相 位噪聲的影響，因此被測(cè)信號(hào)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(cè)量分辨率的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也是不可能的。檢測(cè)分辨率的穩(wěn)定性取決于檢測(cè) 器件或檢測(cè)電路的穩(wěn)定性，眾所周知，檢測(cè)電路中檢測(cè)器件的不一致性和不匹配性是客觀 存在的，在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中保持檢測(cè)分辨率的高穩(wěn)定性也是不現(xiàn)實(shí)的。所以，基于邊沿效應(yīng) 的相位重合檢測(cè)方法依靠分辨率（包括測(cè)量分辨率和檢測(cè)分辨率）的穩(wěn)定性來(lái)提高測(cè)量精 度不易保證。
[0012] 上述檢測(cè)方法的最大缺陷在于沒有對(duì)產(chǎn)生的最終相位重合脈沖，也就是作為測(cè)量 閘門的觸發(fā)信號(hào)，做進(jìn)一步的處理以避免自身或外界因素對(duì)測(cè)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(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量方法，能夠產(chǎn)生高 分辨異頻測(cè)量閘門信號(hào)，并利用高分辨異頻測(cè)量閘門信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量，具有測(cè)量精度高、 穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0014] 本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0015] -種高分辨異頻信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)，包括開關(guān)電源模塊、信號(hào)源模塊、粗異頻模糊 區(qū)產(chǎn)生模塊、高分辨延時(shí)器模塊、模糊區(qū)脈沖產(chǎn)生模塊、實(shí)際閘門產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、 頻率測(cè)量模塊和頻率輸出模塊組成；開關(guān)電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，信號(hào)源模塊的信 號(hào)輸出端連接粗異頻模糊區(qū)產(chǎn)生模塊的信號(hào)輸入端，粗異頻模糊區(qū)產(chǎn)生模塊的信號(hào)輸出端 分別連接高分辨延時(shí)器模塊和模糊區(qū)脈沖產(chǎn)生模塊的信號(hào)輸入端，高分辨延時(shí)器模塊的信 號(hào)輸出端連接模糊區(qū)脈沖產(chǎn)生模塊的信號(hào)輸入端，模糊區(qū)脈沖產(chǎn)生模塊的信號(hào)輸出端連接 實(shí)際閘門產(chǎn)生模塊的信號(hào)輸入端，實(shí)際閘門產(chǎn)生模塊的信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)處理模塊的信 號(hào)輸入端，數(shù)據(jù)處理模塊的信號(hào)輸出端連接頻率測(cè)量模塊的信號(hào)輸入端，頻率測(cè)量模塊的 信號(hào)輸出端連接頻率輸出模塊的信號(hào)輸入端；
[0016] 所述的開關(guān)電源模塊，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電；
[0017] 所述的信號(hào)源模塊，用于產(chǎn)生輸入的高穩(wěn)定度頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)頻率信號(hào)；
[0018] 所述的粗異頻模糊區(qū)產(chǎn)生模塊，用于對(duì)輸入的高穩(wěn)定度頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)頻率 信號(hào)依次進(jìn)行濾波整形、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電壓變換放大和精細(xì)延遲，以獲得粗異頻模糊區(qū)；
[0019] 所述的高分辨延時(shí)器模塊，用于對(duì)粗異頻模糊區(qū)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的粗異頻模糊區(qū)進(jìn) 行延時(shí)，使延時(shí)后的粗異頻模糊區(qū)與原粗異頻模糊區(qū)在相位或時(shí)間上相差一個(gè)延時(shí)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(shí)后的粗異頻模糊區(qū)與原粗異頻模糊區(qū)進(jìn)行異或門電路邏輯分析，獲得二個(gè)寬度為 延時(shí)量大小的模糊區(qū)極窄脈沖集合；
[0021] 所述的實(shí)際閘門產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生實(shí)際閘門觸發(fā)脈沖；
[0022] 所述的數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)實(shí)際閘門觸發(fā)脈沖進(jìn)行處理并對(duì)實(shí)際閘門時(shí)間內(nèi)的 被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得頻率測(cè)量的時(shí)域數(shù)據(jù)；
[0023] 所述的頻率測(cè)