引言
时间频率测é‡æ˜¯ç”µå测é‡çš„é‡è¦é¢†åŸŸã€‚频率和时间的测é‡å·²è¶Šæ¥è¶Šå—到é‡è§†,长度ã€ç”µåŽ‹ç‰å‚数也å¯ä»¥è½¬åŒ–为与频率测é‡æœ‰å…³çš„技术æ¥ç¡®å®šã€‚æœ¬æ–‡é€šè¿‡å¯¹ä¼ ç»Ÿçš„å¤šå‘¨æœŸåŒæ¥æ³•è¿›è¡ŒæŽ¢è®¨,æ出了多周期åŒæ¥æ³•ä¸Žé‡åŒ–时延法相结åˆçš„测频方法。
多周期åŒæ¥æ³•
最简å•çš„测é‡é¢‘率的方法是直接测频法。直接测频法就是在给定的闸门信å·ä¸å¡«å…¥è„‰å†²,通过必è¦çš„计数电路,得到填充脉冲的个数,从而算出待测信å·çš„频率或周期。在直接测频的基础上å‘展的多周期åŒæ¥æµ‹é‡æ–¹æ³•,在目å‰çš„测频系统ä¸å¾—到越æ¥è¶Šå¹¿æ³›çš„应用。多周期åŒæ¥æ³•æµ‹é¢‘技术的实际闸门时间ä¸æ˜¯å›ºå®šçš„值,而是被测信å·çš„整周期å€,å³ä¸Žè¢«æµ‹ä¿¡å·åŒæ¥,å› æ¤æ¶ˆé™¤äº†å¯¹è¢«æµ‹ä¿¡å·è®¡æ•°æ—¶äº§ç”Ÿçš„±1个å—误差,测é‡ç²¾åº¦å¤§å¤§æ高,而且达到了在整个测é‡é¢‘段的ç‰ç²¾åº¦æµ‹é‡,其原ç†æ¡†å›¾å’Œæ³¢å½¢å›¾å¦‚图1所示。
设Naã€Nb分别为计数器Aå’ŒB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é—是完全åŒæ¥çš„,å› è€Œä¸å˜åœ¨Â±1个å—的计数误差,ç”±å¼(3)微分å¯å¾—：
dNb=±1,τ'=Nb/f0 (5)
得到测é‡åˆ†è¾¨çŽ‡:
dfx/fx=±1/(τ'×f0) (6)
ç”±å¼(6)å¯ä»¥çœ‹å‡º,测é‡åˆ†è¾¨çŽ‡ä¸Žè¢«æµ‹é¢‘率的大å°æ— å…³,仅与å–æ ·æ—¶é—´åŠæ—¶åŸºé¢‘率有关,å¯ä»¥å®žçŽ°è¢«æµ‹é¢‘带内的ç‰ç²¾åº¦æµ‹é‡ã€‚å–æ ·æ—¶é—´è¶Šé•¿,时基频率越高,分辨率越高。多周期åŒæ¥æ³•ä¸Žä¼ 统的计数法测频比较,测é‡ç²¾åº¦æ˜Žæ˜¾æ高。
在时频测é‡æ–¹æ³•ä¸,多周期åŒæ¥æ³•æ˜¯ç²¾åº¦è¾ƒé«˜çš„一ç§,但ä»ç„¶æœªè§£å†³Â±1个å—的误差,主è¦æ˜¯å› ä¸ºå®žé™…é—¸é—¨è¾¹æ²¿ä¸Žæ ‡é¢‘å¡«å……è„‰å†²è¾¹æ²¿å¹¶ä¸åŒæ¥,如图2所示。
从图2å¯ä»¥å¾—出,Tx=N0T0-â–³t2+â–³t1,如果能准确测é‡å‡ºçŸæ—¶é—´é—´éš”Δt1和Δt2,也就能够准确测é‡å‡ºæ—¶é—´é—´éš”Tx,消除±1个å—的计数误差,从而进一æ¥æ高精度。
为了测é‡çŸæ—¶é—´é—´éš”Δt1和Δt2,通常使用模拟内æ’æ³•æˆ–æ¸¸æ ‡æ³•ä¸Žå¤šå‘¨æœŸåŒæ¥æ³•ç»“åˆä½¿ç”¨[1],虽然精度有很大æ高,但终未能解决±1个å—çš„è¯¯å·®è¿™ä¸ªæ ¹æœ¬é—®é¢˜,而且这些方法设备å¤æ‚,ä¸åˆ©äºŽæŽ¨å¹¿ã€‚
è¦å¾—到精度高,时间å“应快,结构简å•çš„频率和时间测é‡æ–¹æ³•æ˜¯æ¯”较困难的。
从结构尽é‡ç®€å•åŒæ—¶å…¼é¡¾ç²¾åº¦çš„角度出å‘,将多周期åŒæ¥æ³•ä¸ŽåŸºäºŽé‡åŒ–时延的çŸæ—¶é—´é—´éš”测é‡æ–¹æ³•ç»“åˆ,实现了宽频范围内的ç‰ç²¾åº¦é«˜åˆ†è¾¨çŽ‡æµ‹é‡ã€‚
é‡åŒ–时延法测çŸæ—¶é—´é—´éš”
光电信å·å¯ä»¥åœ¨ä¸€å®šçš„介质ä¸å¿«é€Ÿç¨³å®šçš„ä¼ æ’,且在ä¸åŒçš„介质ä¸æœ‰ä¸åŒçš„延时。通过将信å·æ‰€äº§ç”Ÿçš„延时进行é‡åŒ–,实现了对çŸæ—¶é—´é—´éš”的测é‡ã€‚
其基本原ç†æ˜¯â€œä¸²è¡Œå»¶è¿Ÿ,并行计数â€,而ä¸åŒäºŽä¼ 统计数器的串行计数方法,å³è®©ä¿¡å·é€šè¿‡ä¸€ç³»åˆ—的延时å•å…ƒ,ä¾é 延时å•å…ƒçš„延时稳定性,在计算机的控制下对延时状æ€è¿›è¡Œé«˜é€Ÿé‡‡é›†ä¸Žæ•°æ®å¤„ç†,从而实现了对çŸæ—¶é—´é—´éš”的精确测é‡ã€‚其原ç†å¦‚图3所示。
é‡åŒ–时延æ€æƒ³çš„实现ä¾èµ–于延时å•å…ƒçš„延时稳定性,其分辨率å–决于å•ä½å»¶æ—¶å•å…ƒçš„延迟时间。
作为延时å•å…ƒçš„器件å¯ä»¥æ˜¯æ— æºå¯¼çº¿,有æºé—¨å™¨ä»¶æˆ–其他电路。其ä¸,导线的延迟时间较çŸ(æŽ¥è¿‘å…‰é€Ÿä¼ æ’的延迟),门电路的延迟时间相对较长。考虑到延迟å¯é¢„测能力,最终选择了CPLD器件,实现对çŸæ—¶é—´é—´éš”的测é‡ã€‚
å°†çŸæ—¶é—´é—´éš”的开始信å·é€å…¥å»¶æ—¶é“¾ä¸ä¼ æ’,当结æŸä¿¡å·åˆ°æ¥æ—¶,å°†æ¤ä¿¡å·åœ¨å»¶æ—¶é“¾ä¸çš„延时状æ€è¿›è¡Œé”å˜,通过CPU读å–,判æ–ä¿¡å·ç»è¿‡çš„延时å•å…ƒä¸ªæ•°å°±å¯ä»¥å¾—到çŸæ—¶æ—¶é—´é—´éš”的大å°,分辨率决定于å•ä½å»¶æ—¶å•å…ƒçš„延时时间。
一般æ¥è®²,为了测é‡ä¸¤ä¸ªçŸæ—¶é—´é—´éš”,使用两组延时和é”å˜æ¨¡å—,但实际上,给定的软件闸门时间足够大,å…许CPU完æˆå–æ•°çš„æ“作,å³èƒ½å¤Ÿåœ¨å¾…测时间间隔结æŸä¹‹å‰å–èµ°çŸæ—¶é—´éš”Δt1对应的延时å•å…ƒçš„个数,通过一定的控制信å·,å¯ä»¥åªç”¨ä¸€ç»„延时和é”å˜å•å…ƒ,è¿™æ ·å¯ä»¥èŠ‚çœ
CPLD内部的资æºã€‚利用多周期åŒæ¥ä¸Žé‡åŒ–时延相结åˆçš„方法,
计算公å¼ä¸ºï¼š
T=n0t0+n1t1-n2t1 (7)
å¼(7)ä¸,n0为对填充脉冲的计数值;t0为填充脉冲的周期,å³100ns;n1为çŸæ—¶é—´éš”Δt1对应的延时å•å…ƒçš„个数;n2为çŸæ—¶é—´éš”Δt2对应的延时å•å…ƒçš„个数;t1为é‡åŒ–延迟器件延时å•å…ƒçš„延迟é‡(4.3ns)。 è¿™æ ·,利用多周期åŒæ¥æ³•,实现了闸门和被测信å·åŒæ¥;利用é‡åŒ–时延法,测é‡äº†åŽŸæ¥æµ‹ä¸å‡ºæ¥çš„两个çŸæ—¶é—´é—´éš”,从而准确地测é‡äº†å®žé™…闸门的大å°,也就æ高了测频的精度。
测é‡ç»“æžœåŠåˆ†æž
æŠŠé“·é¢‘æ ‡ä½œä¸ºæ ·æœºå’ŒXDUï¼17åž‹é¢‘çŽ‡è®¡çš„é¢‘æ ‡,把频率åˆæˆå™¨è¾“出的信å·ä½œä¸ºè¢«æµ‹ä¿¡å·è¿›è¡Œæµ‹é‡,其结果如表1所示。
由于频率åˆæˆå™¨è¾“出的频率信å·æœ€å°åªèƒ½è°ƒåˆ°10Hz,把XDU-17的测é‡å€¼ä½œä¸ºæ ‡å‡†,å¯ä»¥è®¡ç®—å‡ºæ ·æœºæµ‹é¢‘çš„ç²¾åº¦ã€‚
例如,被测信å·ä¸º15.000010MHz时被测信å·ä¸º5.00001002MHzæ—¶,
从上é¢çš„计算å¯ä»¥çœ‹å‡º,æ ·æœºçš„åˆ†è¾¨çŽ‡å·²è¾¾nsé‡çº§,下é¢ä»Žç†è®ºåˆ†æžçš„角度æ¥è¯´æ˜Žè¿™ä¸€ç‚¹ã€‚
å‰é¢å·²ç»åˆ†æžè¿‡,多周期åŒæ¥æ³•æµ‹é¢‘æ—¶,它的测é‡ä¸ç¡®å®šåº¦ä¸ºï¼š
当输入f0为10MHz,闸门时间为1sæ—¶,测é‡çš„ä¸ç¡®å®šåº¦ä¸ºÂ±1×10-7/s。当与é‡åŒ–延时测é‡ä¸ŽçŸæ—¶é—´é—´éš”电路相结åˆæ—¶,测é‡çš„ä¸ç¡®å®šåº¦å¯ä»¥ä»Žä¸‹è¿°æŽ¨å¯¼å‡ºæ¥ã€‚
在采用多周期åŒæ¥æ³•æ—¶,Tx为待测的多周期值,T0为采用的时基周期。
Tx= NT0+â–³t1-â–³t2 (9)
与é‡åŒ–延时电路相结åˆåŽæœ‰ï¼š
Tx= NT0+(N1-N2)td±δTx (10)
这里,δTx为测é‡çš„ä¸å‡†ç¡®åº¦ã€‚
对上å¼å¾®åˆ†å¾—： δTx≤±2td (11)
ç”±(11)å¼å¯çŸ¥,æ¤æ–¹æ³•çš„测é‡ç²¾åº¦å–决于td,它的稳定性与大å°ç›´æŽ¥å½±å“测é‡å€¼çš„ä¸ç¡®å®šåº¦ã€‚所以采用å„ç§æ–¹æ³•,计数器å¯åœ¨æ•´ä¸ªé¢‘率é‡ç¨‹å†…实现ç‰ç²¾åº¦çš„测é‡,而且测é‡ç²¾åº¦æœ‰æ˜¾è‘—æ高,测é‡åˆ†è¾¨çŽ‡æ高到4.3ns,且消除了±1个å—çš„ç†è®ºè¯¯å·®,精度æ高了20多å€ã€‚
结æŸè¯ 本文将给出了一ç§æ–°çš„测频方法。基于æ¤æ–¹æ³•çš„频率计的数å—电路部分集æˆåœ¨ä¸€ç‰‡CPLDä¸,大大å‡å°äº†æ•´ä¸ªä»ªå™¨çš„体积,æ高了å¯é 性,且达到了很高的测é‡åˆ†è¾¨çŽ‡ã€‚
|
楼主
标题置顶
标题高亮
