 |
 |
 导航:老古开发网首页→文章索引→文章分类→嵌入式系统→[一种新型的高精度频率计]
|
| | -文章搜索 - 最新文章 - | |
一种新型的高精度频率计 |
| 发布时间:2004年1月14日 点击次数:697 |
| 来源:今日电子 作者:李欣 伏全海 周渭 |
时间频率测量是电子测量的重要领域。频率和时间的测量已越来越受到重视,长度、电压等参数也可以转化为与频率测量有关的技术来确定。本文通过对传统的多周期同步法进行探讨,提出了多周期同步法与量化时延法相结合的测频方法。 多周期同步法 最简单的测量频率的方法是直接测频法。直接测频法就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,其原理框图和波形图如图1所示。  设Na、Nb分别为计数器A和B记得的数值,τ’为闸门时间,则 Na=τ''·fx (1) Nb=τ''·f0 (2) 计数器A的计数脉冲与闸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(3)微分可得： dNb=±1,τ''=Nb/f0 (5) 得到测量分辨率: dfx/fx=±1/(τ''×f0) (6) 由式(6)可以看出,测量分辨率与被测频率的大小无关,仅与取样时间及时基频率有关,可以实现被测频带内的等精度测量。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比较,测量精度明显提高。 在时频测量方法中,多周期同步法是精度较高的一种,但仍然未解决±1个字的误差,主要是因为实际闸门边沿与标频填充脉冲边沿并不同步,如图2所示。  从图2可以得出,Tx=N0T0-△t2+△t1,如果能准确测量出短时间间隔Δt1和Δt2,也就能够准确测量出时间间隔Tx,消除±1个字的计数误差,从而进一步提高精度。 为了测量短时间间隔Δt1和Δt2,通常使用模拟内插法或游标法与多周期同步法结合使用[1],虽然精度有很大提高,但终未能解决±1个字的误差这个根本问题,而且这些方法设备复杂,不利于推广。 要得到精度高,时间响应快,结构简单的频率和时间测量方法是比较困难的。 从结构尽量简单同时兼顾精度的角度出发,将多周期同步法与基于量化时延的短时间间隔测量方法结合,实现了宽频范围内的等精度高分辨率测量。 量化时延法测短时间间隔 光电信号可以在一定的介质中快速稳定的传播,且在不同的介质中有不同的延时。通过将信号所产生的延时进行量化,实现了对短时间间隔的测量。 其基本原理是“串行延迟,并行计数”,而不同于传统计数器的串行计数方法,即让信号通过一系列的延时单元,依靠延时单元的延时稳定性,在计算机的控制下对延时状态进行高速采集与数据处理,从而实现了对短时间间隔的精确测量。其原理如图3所示。  量化时延思想的实现依赖于延时单元的延时稳定性,其分辨率取决于单位延时单元的延迟时间。 作为延时单元的器件可以是无源导线,有源门器件或其他电路。其中,导线的延迟时间较短(接近光速传播的延迟),门电路的延迟时间相对较长。考虑到延迟可预测能力,最终选择了CPLD器件,实现对短时间间隔的测量。 将短时间间隔的开始信号送入延时链中传播,当结束信号到来时,将此信号在延时链中的延时状态进行锁存,通过CPU读取,判断信号经过的延时单元个数就可以得到短时时间间隔的大小,分辨率决定于单位延时单元的延时时间。 一般来讲,为了测量两个短时间间隔,使用两组延时和锁存模块,但实际上,给定的软件闸门时间足够大,允许CPU完成取数的操作,即能够在待测时间间隔结束之前取走短时间隔Δt1对应的延时单元的个数,通过一定的控制信号,可以只用一组延时和锁存单元,这样可以节省 CPLD内部的资源。利用多周期同步与量化时延相结合的方法, 计算公式为： T=n0t0+n1t1-n2t1 (7) 式(7)中,n0为对填充脉冲的计数值;t0为填充脉冲的周期,即100ns;n1为短时间隔Δt1对应的延时单元的个数;n2为短时间隔Δt2对应的延时单元的个数;t1为量化延迟器件延时单元的延迟量(4.3ns)。 这样,利用多周期同步法,实现了闸门和被测信号同步;利用量化时延法,测量了原来测不出来的两个短时间间隔,从而准确地测量了实际闸门的大小,也就提高了测频的精度。 测量结果及分析 把铷频标作为样机和XDU－17型频率计的频标,把频率合成器输出的信号作为被测信号进行测量,其结果如表1所示。 由于频率合成器输出的频率信号最小只能调到10Hz,把XDU-17的测量值作为标准,可以计算出样机测频的精度。 例如,被测信号为15.000010MHz时被测信号为5.00001002MHz时, 从上面的计算可以看出,样机的分辨率已达ns量级,下面从理论分析的角度来说明这一点。 前面已经分析过,多周期同步法测频时,它的测量不确定度为： 当输入f0为10MHz,闸门时间为1s时,测量的不确定度为±1×10-7/s。当与量化延时测量与短时间间隔电路相结合时,测量的不确定度可以从下述推导出来。 在采用多周期同步法时,Tx为待测的多周期值,T0为采用的时基周期。 Tx= NT0+△t1-△t2 (9) 与量化延时电路相结合后有： Tx= NT0+(N1-N2)td±δTx (10) 这里,δTx为测量的不准确度。 对上式微分得： δTx≤±2td (11) 由(11)式可知,此方法的测量精度取决于td,它的稳定性与大小直接影响测量值的不确定度。所以采用各种方法,计数器可在整个频率量程内实现等精度的测量,而且测量精度有显著提高,测量分辨率提高到4.3ns,且消除了±1个字的理论误差,精度提高了20多倍。 结束语 本文将给出了一种新的测频方法。基于此方法的频率计的数字电路部分集成在一片CPLD中,大大减小了整个仪器的体积,提高了可靠性,且达到了很高的测量分辨率。 |
|
|
|
 欢迎进入老古论坛进行讨论
[嵌入式系统] 相关文章:  ARC International推出ARC™ 501 32-bit RISC处理器核心简介:
专业电子零组件代理商益登科技（3048）所代理的ARC International，使用者订制化处理器、周边 IP、实时操作系统、以及内嵌式系统设计开发工具的领导厂商，日前再次扩展其全球技术领导地位，推出ARC 501 32-bit RISC 处理器核心。目前，许多8/16-bit系统开发者为了获得更佳的效能和成本效益，纷纷欲将其系统升级至32-bit的处理器，然而，他们经常会遇到架构上的问题，而使芯片尺寸和功率受到很大的冲击。有鉴于此，ARC 501 采取合成式的RTL结构，提供一个固定型的处理器架构，并混合非常低的闸(gate)和16/32 ARCompact ISA，以处理此类的问题。也...... 激光治疗仪中的触摸屏接口设计
风河系统公司加入两家开放源代码组织
8位60Msps双通道模数转换器AD9059及其应用
JK-DP50型数字降噪声处理器的工作原理及其应用
用于非接触式IC卡的高频接口模块设计
基于RISC技术的8位微控制器设计
嵌入式系统的定义与发展历史
基于MAX6613和IH3605的温湿度监控系统
新颖的压控振荡器 |
|
|
|
下一个:
上一个: