一种新型的高精度频率计

  摘 要：本文介绍了一种利用多周期同步法与量化时延法结合测量频率的方法，在此方法基础上设计的样机测量分辨率达到ns量级，由于使用了CPLD器件，该仪器体积小、成本低。
  关键词：多周期同步；量化时延；短时间间隔
  引言    
    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。