CN1410776A - 同序比相测频方法及高精度频率计 - Google Patents

Abstract

一种同序比相测频方法，其特征在于它是将待测信号f_x与标准频率信号f₀进行同序化处理后利用自然的相位变化规律，通过比相电路产生f相位符合脉冲检测信号，控制计数器_x和f₀的闸门的开启或关闭，在计数器闸门开启时间内记录f_x和f₀的严格多倍周期值N_x和N₀，进而计算出:f_x=（N_x/N₀）f₀。根据上述测定方法设计的高精度频率计由同序电路、比相电路、信号调理电路、倍频电路、频率综合电路、计数器、时基形成电路、单片机组成。本发明通过将f_x与f₀进行同序化处理，使输出的f_x和f₀在计数器闸门预开启时总是保持确定的时序关系，同序的f_x和f₀经相位比较电路产生下一个相位符合检测脉冲去控制闸门的开启和关闭，避免了开门与关门相位符合信号一致性不够好的缺陷，可适应宽频率范围，提高测频分辨率。

Description

同序比相测频方法及高精度频率计

技术领域：

本发明涉及电子与频率测量技术领域，具体涉及一种频率的测量方法及利用该方法所设计的频率计。

背景技术：

由于通用电子计数器固有的±1Hz记数误差，使得常用频率计的测频精度受到严重限制，一般为10^-7～10^-8量级。尽管采用一些专门技术：如多周期同步技术，内插技术，时间间隔平均技术，数字游标技术等，测量精度也只能达到10^-10量级。同时，这些测试原理及测试电路较为复杂，对元器件性能指标要求很高，成本亦大幅度上升。采用误差倍增技术，则不仅增加噪声，增加设备，且只能对某些特定的标准频率点进行测量，十分不便，并不是通常意义上的“通用频率计”。中国专利局公开的专利《等精度全自动频率计》(专利号96224444.9)和《一种频率、周期测量方法及装置》(专利号：00133654.1)分别介绍的两种频率测量方法中，尽管能测定被测信号的多倍周期数N_x，但由于不能精确测定计数器闸门时间T，根据公式：频率 $f=\frac{N_X}{T}$ 可知这两种方法难以精确地测量频率精度。而中国专利局公开的专利《相检宽带测频方法及高精度频率计》(专利号：90103664.1)是采用以相位检测为基础的多周期同步测量，其测量精度仅相关于相位检测线路的检测精度，可比普通的多周期同步测量方法提高测量精度上千倍，在高精度测频领域取得了重大进展。但是，在相检宽带测频技术中，由于①存在待测信号与标准信号相位检测时序的随机性，②开门相位符合信号与关门相位符合信号的一致性不够好等原因，导致计数器记录到相位检测误差，使测量精度下降。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是怎样克服相检宽带测频技术中由于存在相位检测误差带来的不利影响，使频率测量精度进一步提高。

本发明是采用下面的技术方案解决上述技术问题的，其特征在于它是将待测信号f_x与标准频率信号f₀先进行同序化处理，然后利用同序的待测信号f_x与标准频率信号f₀自然的相位变化规律，通过比相电路产生f_x和f₀的相位符合脉冲检测信号，控制计数器闸门的开启或关闭，在计数器闸门开启时间内记录待测信号f_x和标准频率信号f₀的严格多倍周期值N_x和N₀，进而计算出： $f_x=\frac{N_x}{N_0}{f}_0.$ 本发明在同序电路前还配合设置了倍频电路和频率综合电路，通过倍频f_x和通过频率综合电路调整标准频率f₀，控制频差Δf大小及f₀，然后采用公式 $\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}=\mathrm{\Δf}/f_0^{2}T$ 计算频率分辨率，其中频差Δf＝f_x-f₀，T为闸门时间。本发明根据上述测定方法设计了高精度频率计，其特征在于它是由同序电路、比相电路、信号调理电路、倍频电路、频率综合电路、计数器、时基形成电路、单片机组成，所述同序电路由方波上升沿尖脉冲形成电路、尖脉冲相位符合检测电路、延时电路及计数器闸门预置电路相互连接而成，待测信号f_x分别通过方波上升沿尖脉冲形成电路、尖脉冲相位符合检测电路和可控制闸门的预开启时刻的闸门预置电路与主闸门电路和时基电路连接，同时通过延时电路与比相电路连接，标准频率信号f₀分别通过方波上升沿尖脉冲形成电路、尖脉冲相位符合检测电路和闸门预置电路与主闸门电路和时基电路连接，同时与比相电路连接；比相电路由方波上升沿尖脉冲形成电路和尖脉冲相位符合检测电路相互连接而成。同序电路前还可设可对较低频率待测信号进行倍频处理的倍频电路和调整频率综合电路，倍频电路与同序电路输入端相接，频率综合电路与同序电路另一输入端相接。所述同序电路和比相电路中方波上升沿尖脉冲形成电路采用门电路窄脉冲形成电路，尖脉冲相位符合电路采用与非门电路，延时电路采用双非门电路，闸门预置电路采用D触发器。

本发明通过将待测信号f_x与标准频率信号f₀进行同序化处理，使得同序电路输出的f_x和f₀在计数器闸门预开启时总是保持确定的时序关系，同序的f_x和f₀经相位比较电路产生下一个相位符合检测脉冲去控制闸门的开启或关闭，这样就避免了现有技术中开门相位符合信号与关门相位符合信号的一致性不够好的缺陷，可适应宽频率范围，提高测频分辨率，因而具有更高的频率测量精度。根据本发明设计的高分辨率频率计频率测量精度可达到10^-12量级(一秒闸门时间)，其设备线路简单，造价低廉，可应用于通讯、计量、基础研究等领域，具有很好的推广价值。

为进一步说明本发明的技术特征，下面将结合附图及实施例，对本发明作详细说明，其中：

图1为本发明频率测量原理框图；

图2为本发明中计数器记录的待测信号f_x与标准频率信号f₀波形图；

图3为本发明同序电路方框图；

图4为本发明同序电路实施例原理图；

图5为本发明同序电路实施例中各点的波形图；

图6为本发明高精度频率计面板示意图。

具体实施方式：

本发明是对相检宽带测频技术进行改进。本申请人在应用相检宽带测频技术中发现，由于其待测信号与标准信号相位检测时序具有随机性，导致开门相位符合信号与关门相位符合信号一致性不好，从而影响其测频精度。本发明针对上述缺陷进行了改进，其特征在于其测频方法是：首先对待测信号f_x与标准频率信号f₀通过同序电路进行同序化处理，使其输出的f_x和f₀在计数器闸门预开启时总是保持确定的时序关系。然后，在单片机时基电路(或硬件时基电路)的配合下，利用同序的待测信号f_x与标准频率信号f₀自然的相位变化规律，由比相器产生f_x和f₀的相位符合脉冲检测信号去控制计数器闸门的开启和关闭。因为控制闸门开启和控制闸门关闭的过程完全相同，同时f_x与f₀的时序关系是确定的，则闸门开启和关闭时比相器的相位符合检测误差δ是完全抵消的。这样就可以在计数器闸门开启时间内记录待测信号f_x和标准频率信号f₀的严格多倍周期值N_x和N₀，进而计算出： $f_x=\frac{N_x}{N_0}{f}_0.$

本发明测频原理如图1所示，它主要由同序电路、比相电路、信号调理电路、倍频器、计数器、时基形成电路、频率综合器、单片机***等组成。如图3、图4所示，所述的同序电路由方波上升沿尖脉冲形成电路1、尖脉冲相位符合检测电路2、延时电路4及计数器闸门预置电路3相互连接而成，待测信号f_x分别通过方波上升沿尖脉冲形成电路1、尖脉冲相位符合检测电路2和闸门预置电路3与主闸门电路和时基电路连接，同时通过延时电路4与比相电路连接，标准频率信号f₀分别通过方波上升沿尖脉冲形成电路1、尖脉冲相位符合检测电路2和闸门预置电路3与主闸门电路和时基电路连接，同时与比相电路连接。它首先分别对f_x和f₀形成上升沿尖脉冲信号，再用与非门找出这两个上升沿尖脉冲信号相位符合的时刻，然后对f_x做延时处理并打开闸门预置开关；这样就保证了f_x与f₀在计数器闸门预开启时有确定的时序关系，同序后的f_x和f₀送往比相电路，其中f_x滞后f₀的时间为τ，图5展示了同序电路中各关键点的波形图。

本发明比相电路亦由方波上升沿尖脉冲形成电路和尖脉冲相位符合检测电路组成，它的作用是产生f_x与f₀两个上升沿尖脉冲信号并判定这两个信号相位符合的时刻，以便控制计数器闸门的开启或关闭。对于同序的f_x和f₀，假定f_x＞f₀，且f_x滞后f₀的时间为τ(当f_x＜f₀可以类似地加以说明)，则f_x的上升沿尖脉冲信号将逐步地追赶上f₀的上升沿尖脉冲信号，经简单的分析可知，每周期追赶的相位为2πΔf/f₀(简称为步长，频差Δf＝f_x-f₀)，其对应追赶的时间为T·Δf/f₀(T为f₀的周期)，并随之产生这两个尖脉冲信号的相位符合检测信号并控制闸门的开启或关闭。如图2所示，这两个尖脉冲信号符合比较时是存在着相位检测误差δ的；但是，计数器开门和关门时f_x相对于f₀的追赶方向相同，追赶的步长相同，产生闸门开启和闸门关闭的控制过程完全相同，闸门开启时的相位检测误差与闸门关闭时的相位检测误差亦是完全相同的，而这种性质完全相同的相位检测误差在计数器的记录中可以完全抵消；这样就记录到待测信号f_x和标准频率信号f₀的严格多倍周期值N_x和N₀，即克服了相检宽带测频技术中存在的相位检测误差。信号调理电路用来对信号进行如放大、整形、延时等处理。倍频器用来对较低频率的信号(如几十K或几百K)进行处理，以便提高其测量精度。主频标f₀后连接有可形成与其成一定差值频率信号f₀₁的频率综合器。当f_x与f₀的频率值成严格的分数、倍数关系时(这样f_x与f₀的位相不发生变化或变化太大，比相器不能工作)，则自动切换开关K₂，由频率综合器产生的标频信号f₀₁取代f₀，以保证比相器工作正常，测量能继续进行下去。根据频率分辨率公式 $\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}\mathrm{\Δf}/f_0^{2}T,$ 本发明在同序电路前设置了倍频电路和频率综合电路，f_x通过可对较低频率信号进行处理的倍频电路与同序电路输入端相接；f₀通过频率综合电路与同序电路另一输入端相接。通过倍频f_x和调整标准频率f₀，控制频差Δf大小适当以及足够大的f₀，可以得到极高的测频分辨率，适应宽频率范围内高精度频率测量的需要。本发明比相电路、信号调理电路、倍频电路、频率综合电路、计数器、时基电路均为现有技术领域内常用的电路，单片机***用于控制显示、倍频器、频率综合器、时基电路、键盘、接口电路以及根据公式 $f_x=\frac{N_x}{N_0}{f}_0$ 计算频率值。

同序化处理f_x与f₀是本发明的核心内容之一，下面进一步说明它为提高测频精度带来的一系列技术上的改进：

①.对于同序的f_x和f₀，假定f_x＞f₀，且f_x滞后f₀的时间为τ(当f_x＜f₀可以类似地加以说明)，则f_x的上升沿尖脉冲信号将逐步地追赶上f₀的上升沿尖脉冲信号，并随之产生这两个尖脉冲信号的相位符合检测信号并控制闸门的开启或关闭；因为计数器开门与关门时f_x和f₀的追赶方向相同，追赶的步长相同，则计数器开门与关门时的相位符合检测误差δ是完全抵消的，图2展示了计数器记录到的f_x和f₀波形图。这样就可以保证在计数器闸门开启时间内记录到f_x和f₀的严格多倍周期值N_x和N₀，进而计算出： $f_x=\frac{N_x}{N_0}{f}_0.$

②.f_x与f₀两信号在一周期内相位的相对变化是2πΔf/f₀(简称步长)，当两信号f_x与f₀的频差Δf很小，而被测频率f_x较高时，步长2πΔf/f₀是很小的量。步长2πΔf/f₀就是比相器能分辨的最小相位，亦即本发明(同序比相测量方法)的测量误差。其对应的测频分辨率是： $\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}=\mathrm{\Δf}/f_0^{2}T,$ 其中频差Δf＝f_x-f₀，T是闸门时间。以普通10MHz的待测信号为例，若频差为5Hz，则一秒闸门时间的测频精度为：5×10^-14，这是一般测频技术做不到的。对于100MHz的信号，若频差为5Hz，则一秒闸门时间的测频精度为：5×10^-16，考虑到比相器的本底噪声、电路的固有噪声及器件本身的重复性等因素的影响，实际的测频精度会有所降低，但依据本发明方法设计的高精度频率计，即使采用极普通的TTL器件，测频精度仍达到10^-12量级(一秒闸门时间)。

③.同序化处理f_x与f₀，可以避免出现当时基信号到来时，比相器也正好产生相位符合检测脉冲信号的不利情况。在这种不利的情况下，由于比相器不能分辨f_x与f₀的时序，有可能导致计数器开门和关门时的相位符合检测误差δ不是抵消，而是相加的关系，出现较大的计数误差。相检宽带测频技术中就可能出现这种不利情况。

④.如图5所示，经同序处理的f_x约比f₀落后一个延时时间τ，随后，f_x将经过 $\mathrm{\τ}/\left(\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}\right)$ 的时间间隔与f₀产生下一个相位符合检测脉冲信号(这里假定f_x＞f₀；当f_x＜f₀可以类似地加以说明)。因为闸门开启和闸门关闭的过程是完全类似的，同序后的f_x和f₀将以几乎相同的时间间隔 $\mathrm{\τ}/\left(\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}\right)$ 产生下一个相位符合检测脉冲信号去控制计数器闸门的开启或关闭，这样将使比相器产生的开门相位符合检测脉冲信号与关门相位符合检测脉冲信号的一致性更好。因为测量精度直接与比相器产生的相位符合检测脉冲信号的一致性有关，所以，这样做有利于提高测频精度。

本发明设计的高精度频率计的工作原理及工作过程：待测信号f_x与标准频率信号f₀经调理电路整形成方波信号后送到同序电路进行同序化处理，同序电路首先判定f_x与f₀两信号的上升沿尖脉冲相位符合时刻，然后对其中某一信号做延时处理，同时打开计数器闸门预置开关，这样就可以保证f_x与f₀在计数器闸门预开启时总是有确定的时序关系。然后由比相电路对f_x和f₀的上升沿尖脉冲信号进行比较，产生下一个相位符合检测信号。这个检测信号在时基电路产生的时基信号(10ms，100ms，1s，10s)的配合下，控制计数器闸门的开启或关闭。两个计数器在闸门开启时间内分别对f_x与f₀计数。因为控制闸门开启和控制闸门关闭的过程完全相同，f_x与f₀的时序关系又是确定的，则闸门开启和闸门关闭时比相器存在的相位符合检测误差δ在计数器中是完全抵消的。这样就可以保证在计数器闸门开启时间内计录到待测信号f_x和标准频率信号f₀的严格多倍周期值N_x和N₀，进而由单片机计算出： $f_x=\frac{N_x}{N_0}{f}_0.$ 结果较普通的多周期同步测量方法的测量精度有很大的提高。根据本发明设计的高精度频率计频率测量精度达到10^-12量级(1秒闸门时间)，较国外进口的计算计数器(如HP5360A)精度高100倍以上，较采用相检宽带测频技术的高精度频率计测频精度提高约10倍。为了得到更高的测频精度和适应更广的测频范围，从表达式Δf/f₀ ²T可见：对于低频信号，可以在前端用倍频器对被测信号作倍频处理，同时可以用频率综合技术产生f₀₁，使之与f_x的频差适当。这样还可以避免出现f_x与f₀的频率值相同或成严格的分数、倍数关系(这样f_x与f₀的位相不发生变化或变化太大，比相器不能工作)，以保证比相器工作正常。从表达式 $f_x=\frac{N_x}{N_0}{f}_0$ 可以看出，只要将标准频率值f₀通过键盘输入单片机，本发明可以使用任意频率值的标准频率源。这在许多场合下是非常有用的优点。本发明设计的频率计可以采用1MHz～15MHz的任意标准频率源。

Claims (6)

1、一种同序比相测频方法，其特征在于它是将待测信号f_x与标准频率信号f₀先进行同序化处理，然后利用同序的待测信号f_x与标准频率信号f₀自然的相位变化规律，通过比相电路产生f_x和f₀的相位符合脉冲检测信号，控制计数器闸门的开启或关闭，在计数器闸门开启时间内记录待测信号f_x和标准频率信号f₀的严格多倍周期值N_x和N₀，进而计算出： $f_x=\frac{N_x}{N_0}{f}_0.$

2、根据权利要求1所述的同序比相测频方法，其特征在于在同序电路前配合设置倍频电路和频率综合电路，通过倍频f_x和通过频率综合电路调整标准频率f₀，控制频差Δf大小及f₀，然后采用公式 $\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}=\mathrm{\Δf}/f_0^{2}T$ 计算频率分辨率，其中频差Δf＝f_x-f₀，T为闸门时间。

3、根据权利要求1所述的同序比相测频方法，其特征在于根据公式 $f_x=\frac{N_x}{N_0}{f}_0$ 计算频率值时，采用任意频率值的标准频率源。

4、一种根据权利要求1而设计的高精度频率计，其特征在于它是由同序电路、比相电路、信号调理电路、倍频电路、频率综合电路、计数器、时基形成电路、单片机组成，所述同序电路由方波上升沿尖脉冲形成电路、尖脉冲相位符合检测电路、延时电路及计数器闸门预置电路相互连接而成，待测信号f_x分别通过方波上升沿尖脉冲形成电路、尖脉冲相位符合检测电路和可控制闸门的预开启时刻的闸门预置电路与主闸门电路和时基电路连接，同时通过延时电路与比相电路连接，标准频率信号f₀分别通过方波上升沿尖脉冲形成电路、尖脉冲相位符合检测电路和闸门预置电路与主闸门电路和时基电路连接，同时与比相电路连接；比相电路由方波上升沿尖脉冲形成电路和尖脉冲相位符合检测电路相互连接而成。

5、根据权利要求4所述的高精度频率计，其特征在于同序电路前设可对较低频率待测信号进行倍频处理的倍频电路和调整频率综合电路，倍频电路与同序电路输入端相接，频率综合电路与同序电路另一输入端相接。

6、根据权利要求4或5所述的高精度频率计，其特征在于同序电路和比相电路中方波上升沿尖脉冲形成电路采用门电路窄脉冲形成电路，尖脉冲相位符合电路采用与非门电路，延时电路采用双非门电路，闸门预置电路采用D触发器。

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