摘 要：本文介紹了一種利用多周期同步法與量化時延法結(jié)合測量頻率的方法，在此方法基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的樣機(jī)測量分辨率達(dá)到ns量級，由于使用了CPLD器件，該儀器體積小、成本低。
關(guān)鍵詞：多周期同步；量化時延；短時間間隔
引言
時間頻率測量是電子測量的重要領(lǐng)域。頻率和時間的測量已越來越受到重視，長度、電壓等參數(shù)也可以轉(zhuǎn)化為與頻率測量有關(guān)的技術(shù)來確定。本文通過對傳統(tǒng)的多周期同步法進(jìn)行探討，提出了多周期同步法與量化時延法相結(jié)合的測頻方法。
多周期同步法
最簡單的測量頻率的方法是直接測頻法。直接測頻法就是在給定的閘門信號中填入脈沖，通過必要的計(jì)數(shù)電路，得到填充脈沖的個數(shù)，從而算出待測信號的頻率或周期。在直接測頻的基礎(chǔ)上發(fā)展的多周期同步測量方法，在目前的測頻系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。多周期同步法測頻技術(shù)的實(shí)際閘門時間不是固定的值，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(jì)數(shù)時產(chǎn)生的1個字誤差，測量精度大大提高，而且達(dá)到了在整個測量頻段的等精度測量，其原理框圖和波形圖如圖1所示。
設(shè)Na、Nb分別為計(jì)數(shù)器A和B記得的數(shù)值，τ’為閘門時間，則
Na=τ'fx (1)
Nb=τ'f0 (2)
計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)脈沖與閘門的開閉是完全同步的，因而不存在1個字的計(jì)數(shù)誤差，由式(3)微分可得：
dNb=1，τ'=Nb/f0 (5)
得到測量分辨率:
dfx/fx=1/(τ'f0) (6)
由式(6)可以看出，測量分辨率與被測頻率的大小無關(guān)，僅與取樣時間及時基頻率有關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)被測頻帶內(nèi)的等精度測量。取樣時間越長，時基頻率越高，分辨率越高。多周期同步法與傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)法測頻比較，測量精度明顯提高。
在時頻測量方法中，多周期同步法是精度較高的一種，但仍然未解決1個字的誤差，主要是因?yàn)閷?shí)際閘門邊沿與標(biāo)頻填充脈沖邊沿并不同步，如圖2所示。
從圖2可以得出，Tx=N0T0-△t2+△t1，如果能準(zhǔn)確測量出短時間間隔Δt1和Δt2，也就能夠準(zhǔn)確測量出時間間隔Tx，消除1個字的計(jì)數(shù)誤差，從而進(jìn)一步提高精度。
為了測量短時間間隔Δt1和Δt2，通常使用模擬內(nèi)插法或游標(biāo)法與多周期同步法結(jié)合使用[1]，雖然精度有很大提高，但終未能解決1個字的誤差這個根本問題，而且這些方法設(shè)備復(fù)雜，不利于推廣。
要得到精度高，時間響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡單的頻率和時間測量方法是比較困難的。
從結(jié)構(gòu)盡量簡單同時兼顧精度的角度出發(fā)，將多周期同步法與基于量化時延的短時間間隔測量方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了寬頻范圍內(nèi)的等精度高分辨率測量。
量化時延法測短時間間隔
光電信號可以在一定的介質(zhì)中快速穩(wěn)定的傳播，且在不同的介質(zhì)中有不同的延時。通過將信號所產(chǎn)生的延時進(jìn)行量化，實(shí)現(xiàn)了對短時間間隔的測量。
其基本原理是“串行延遲，并行計(jì)數(shù)”，而不同于傳統(tǒng)計(jì)數(shù)器的串行計(jì)數(shù)方法，即讓信號通過一系列的延時單元，依靠延時單元的延時穩(wěn)定性，在計(jì)算機(jī)的控制下對延時狀態(tài)進(jìn)行高速采集與數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)了對短時間間隔的精確測量。其原理如圖3所示。
量化時延思想的實(shí)現(xiàn)依賴于延時單元的延時穩(wěn)定性，其分辨率取決于單位延時單元的延遲時間。
作為延時單元的器件可以是無源導(dǎo)線，有源門器件或其他電路。其中，導(dǎo)線的延遲時間較短(接近光速傳播的延遲)，門電路的延遲時間相對較長?？紤]到延遲可預(yù)測能力，最終選擇了CPLD器件，實(shí)現(xiàn)對短時間間隔的測量。
將短時間間隔的開始信號送入延時鏈中傳播，當(dāng)結(jié)束信號到來時，將此信號在延時鏈中的延時狀態(tài)進(jìn)行鎖存，通過CPU讀取，判斷信號經(jīng)過的延時單元個數(shù)就可以得到短時時間間隔的大小，分辨率決定于單位延時單元的延時時間。
一般來講，為了測量兩個短時間間隔，使用兩組延時和鎖存模塊，但實(shí)際上，給定的軟件閘門時間足夠大，允許CPU完成取數(shù)的操作，即能夠在待測時間間隔結(jié)束之前取走短時間隔Δt1對應(yīng)的延時單元的個數(shù)，通過一定的控制信號，可以只用一組延時和鎖存單元，這樣可以節(jié)省
CPLD內(nèi)部的資源。利用多周期同步與量化時延相結(jié)合的方法，
計(jì)算公式為：
T=n0t0+n1t1-n2t1 (7)
式(7)中，n0為對填充脈沖的計(jì)數(shù)值；t0為填充脈沖的周期，即100ns；n1為短時間隔Δt1對應(yīng)的延時單元的個數(shù)；n2為短時間隔Δt2對應(yīng)的延時單元的個數(shù)；t1為量化延遲器件延時單元的延遲量(4.3ns)。 這樣，利用多周期同步法，實(shí)現(xiàn)了閘門和被測信號同步；利用量化時延法，測量了原來測不出來的兩個短時間間隔，從而準(zhǔn)確地測量了實(shí)際閘門的大小，也就提高了測頻的精度。
測量結(jié)果及分析
把銣頻標(biāo)作為樣機(jī)和XDU－17型頻率計(jì)的頻標(biāo)，把頻率合成器輸出的信號作為被測信號進(jìn)行測量，其結(jié)果如表1所示。
由于頻率合成器輸出的頻率信號最小只能調(diào)到10Hz，把XDU-17的測量值作為標(biāo)準(zhǔn)，可以計(jì)算出樣機(jī)測頻的精度。
例如，被測信號為15.000010MHz時被測信號為5.00001002MHz時，
從上面的計(jì)算可以看出，樣機(jī)的分辨率已達(dá)ns量級，下面從理論分析的角度來說明這一點(diǎn)。
前面已經(jīng)分析過，多周期同步法測頻時，它的測量不確定度為：
當(dāng)輸入f0為10MHz，閘門時間為1s時，測量的不確定度為110-7/s。當(dāng)與量化延時測量與短時間間隔電路相結(jié)合時，測量的不確定度可以從下述推導(dǎo)出來。
在采用多周期同步法時，Tx為待測的多周期值，T0為采用的時基周期。
Tx= NT0+△t1-△t2 (9)
與量化延時電路相結(jié)合后有：
Tx= NT0+(N1-N2)tdδTx (10)
這里，δTx為測量的不準(zhǔn)確度。
對上式微分得： δTx≤2td (11)
由(11)式可知，此方法的測量精度取決于td，它的穩(wěn)定性與大小直接影響測量值的不確定度。所以采用各種方法，計(jì)數(shù)器可在整個頻率量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)等精度的測量，而且測量精度有顯著提高，測量分辨率提高到4.3ns，且消除了1個字的理論誤差，精度提高了20多倍。
結(jié)束語 本文將給出了一種新的測頻方法?；诖朔椒ǖ?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/頻率計(jì)">頻率計(jì)的數(shù)字電路部分集成在一片CPLD中，大大減小了整個儀器的體積，提高了可靠性，且達(dá)到了很高的測量分辨率。