改进的时域信号频率稳定度测量方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种改进的时域信号频率稳定度测量方法和装置。其方法是：参考时钟信号通过ＤＤＳ技术进行分频处理后，得到稳定、准确的标准周期采样时钟信号；同时为拓宽被测频率信号测量范围，并在精密时间测量环节为获得较好的参考信号与被测信号比相周期，利用ＤＤＳ单元对原始被测频率信号进行分频处理；在周期采样时钟信号沿到来时，根据精密时间测量模块固有的最小分辨率测量精度来判断被测信号与参考时钟信号此时刻的最小相位差，并使能相应的计数器工作，从而完成被测频率信号的测量。该方法弥补“等精度测量”带来的误差，拓宽了实际测量应用中被测信号频率范围，并通过对参考时钟信号作分频处理，获得到稳定、准确的周期采样时间。它可广泛应用于时域频率信号源的频率稳定度测量，如晶体振荡器、程控交换机信号源、原子频标等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于频率稳定度测量技术，具体涉及一种时域信号频率稳定度测量的方法及其装置。
技术介绍
频率稳定度是衡量一台时钟信号源输出频率信号稳定性的重要指标，在时域上，时钟信号频率随时间的变化，可将频率量视为时间t的连续函数，用f(t)表示。f(t)也代表了时间t时的瞬时频率。实际上，由于测量上的困难，瞬时频率只是一种理论上的概念，因为所有测量以及涉及的频率稳定度都需要一定的采样时间，测量结果则为该采样时间内的平均频率。在时间轴上以某个时刻t0为起始点，连续地对被测信号进行采样，各采样计数值fi与相应时间点ti相对应，则可得到采样时间内的平均频率值。当时间趋于无限小时即可得到各时间点的瞬时频率值。对于用式(1)阿仑方差以及式(2)哈达玛方差表征的时域频率稳定度来说，需要设计相应的频率测量装置对被测信号进行监测，从而得到相应采样时间T内对应的频率值，进一步通过方差计算相应的频率稳定度。σy(2,τ,τ,fh)=12(N-1)Σl=1N-12---(1)]]>式中τ为采样时间与采样周期，表明阿仑方差是无间隙采样，fk为采样时间内相应的差频值，N为测量次数。Hσy(3,τ)=16(m-2)Σk=1m-2(yk+2-2yk+1+yk)2---(2)]]>τ为取样时间，yk为每个取样时间测得的相应差频值，m为测量次数。常用数字频率测量方法是在给定的采样时间(即闸门时间)内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。这种测量方法的测量精度取决于闸门时间和被测信号频率。当被测信号频率较低时或者闸门时间取得较小时，将产生较大误差。后来人们提出了利用被测频率信号的沿作为触发计数与结束计数的“等精度测量”方法，因为每次在闸门时间T内的开始与结束采样计数都是以被测信号的沿作为标准，故在一定程度上提高了测量的精度，且测量精度与被测频率信号频率大小无关。如图1所示。预置闸门信号(宽度为T)在高电平期间，被测信号第一个脉冲的上升沿，使计数器使能端有效，并分别对参考时基和被测信号计数，当T秒后，预置闸门低电平到来时，此时两计数器并没有停止计数，一直等到随后而至的被测信号的上升沿到来时两计数器同时关闭。这里使能信号(实际闸门信号)的时间宽度，恰好等于被测信号的完整周期数，这正是确保被测信号在任何频率条件下都能保持恒定精度的关键。如图1所示的等精度测量中，设被测信号的频率为Fx，参考时基的频率为fo，在闸门时间T内，计数器对被测信号及参考时基的计数分别为N1，N2，则有fx=f0×N1N2---(3)]]>由式(3)可知，被测信号的频率fx与参考时基频率fo及两计数器的计数值N1，N2有关。由于采用了等精度测量法，故对被测信号的计数值N1不会引入±1误差，即在一个以被测信号沿作为触发开始计数与结束计数标准的实际闸门采样时间宽度内，对被测信号的计数值完全等于其完整周期。而计数值N2在按照图1所示的测量方案时，是会引入误差的，其误差产生的机理如图2所示。当闸门信号触发沿脉冲到来时，等待下一个被测信号的上升沿，此时刻使能相应计数器进行“开始计数”与“结束计数”操作。由图2可知，使能计数器时刻点A和B与参考时基信号的下一个沿脉冲到来存在着时间差Δt1，Δt2，其具体差值的大小取决于被测信号与参考时基信号在A时刻或B时刻的相位差值，并且其大小也不是一个恒定的固定相位差关系，这就会导致在每次采样时存在着不同的误差，这亦是产生计数误差的原因。对于那些高稳定度、高频率的时钟频率源来说，需要更进一步的改进测量的方法，将时间差Δt1，Δt2减小到最小值甚至为0，以提高其测量精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在保持现有测量方法特性的基础上，提高测量的精度以及测量频率范围的改进的时域信号频率稳定度方法及其装置，以克服现有技术存在的上述缺点和不足。实现本专利技术的方法的技术方案为改进的时域信号频率稳定度测量方法，其方法是参考时钟信号通过DDS技术进行分频处理后，得到稳定、准确的标准周期采样时钟信号；同时为拓宽被测频率信号测量范围，并在精密时间测量环节为获得较好的参考信号与被测信号比相周期，利用DDS单元对原始被测频率信号进行分频处理；在周期采样时钟信号沿到来时，根据精密时间测量模块固有的最小分辨率测量精度来判断被测信号与参考时钟信号此时刻的最小相位差，并使能相应的计数器工作，从而完成被测频率信号的测量。在时域频率信号稳定度测量中，参考用频率源信号通常采用10MHz时钟信号作为标准参考输入，并且参考源信号的频率输出可看作为一个较稳定的时钟源，通过对稳定的参考源时钟信号作数字合成分频技术，可以得到标准的周期采样时钟信号。对于被测信号来说，为拓宽整个测量装置的应用测量范围，满足高频信号测量的需求，在保证被测信号源固有稳定度不受影响的前提下，专利技术中引入了现行比较成熟的DDS芯片及技术，它是根据奈奎斯特取样，从连续信号的相位出发将信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表，存在EPROM中。合成时，通过改变相位累加器的频率控制字，来改变相位增量，相位增量不同将导致一周内的取样点数的不同。因角频率ω＝Δ/Δt，在取样频率不变的情况下，通过改变相位累加器的频率控制字，将这种变化的相位/幅值量化成数字信号，通过D/A变换及低通滤波器即可得到人们需要的综合信号。因为其良好的输入输出信噪比，被测信号通过DDS处理之后，可得到稳定度与原被测信号相当且频率较低的信号。由于方案中是将较高频率的原被测信号分频转化为较低频率的被测信号，在DDS芯片使用上没有采用其内部的PLL倍频模块功能，故在DDS输出端可以获得更佳的信噪比输出。且对于那些准确度不高的被测频率信号(如10.123456789MHz)，经过DDS的分频后，可以得到非常精确的周期信号(如1.000000000MHz)。为提高整个测量的精度，在“等精度测量”方法的基础上，引入精密时间测量模块，当周期采样时钟信号开始/结束触发沿到来时，并不是立刻对被测信号及参考信号开始/结束计数，而是在精密时间测量模块本身固有的最小测量精度下先判断两路信号的相位关系，使被测信号和参考信号的上升沿尽量重合。当被测信号与参考信号的上升沿时间差为ns量级时，传统的测量脉冲宽度的脉冲计数法已不再适用。这是因为要测的脉冲越窄，所需要的时钟频率就愈高，对芯片的性能要求也越高。本专利技术装置中引入了TDC-GP1模块。实现本专利技术之装置，如图3所示它包括第一隔离放大器用以对参考频率信号的处理；第二隔离放大器用以对被测频率信号的处理；参考频率信号的DDS分频单元用以对参考频率信号的DDS分频处理；被测频率信号的DDS分频单元用以对被测频率信号的DDS分频处理；走时计数单元用以对被测频率信号与参考频率信号相位差在精密时间测量模块本身固有的最小分辩率测量精密下相差最小时，对被测频率信号及参考频率信号进行计数；锁存器单元用以计数的锁存；精密时间间隔测量单元判断此时刻一组参考时钟信号上升沿与被测信号上升沿具体的时间差值是否达到模块固有最小分辨率测量精度，从而通过处理器使能相应的计数器进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的时域信号频率稳定度测量方法，其方法是：参考时钟信号通过ＤＤＳ技术进行分频处理后，得到稳定、准确的标准周期采样时钟信号；同时为拓宽被测频率信号测量范围，并在精密时间测量环节为获得较好的参考信号与被测信号比相周期，利用ＤＤＳ单元对原始被测频率信号进行分频处理；在周期采样时钟信号沿到来时，根据精密时间测量模块固有的最小分辨率测量精度来判断被测信号与参考时钟信号此时刻的最小相位差，并使能相应的计数器工作，从而完成被测频率信号的测量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：雷海东，候群，张霞，操长茂，钱同惠，李建民，李明涛，叶锋，漆为民，王中明，
申请(专利权)人：江汉大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]