[发明专利]基于频率与相位关系辅助处理的频率和相位差精密测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于频率与相位关系辅助处理的频率和相位差精密测量方法。

背景技术

用于频率测量的方法有很多，频率测量的准确度主要取决于所测量的频率范围以及被测对象的特点。而测量所能达到的精度，不仅仅取决于作为标准器使用的频率源的精度，也取决于所使用的测量设备和测量方法。目前常用的频率测量方法有：

(1)直接测频法

直接测频法即脉冲填充法，它是最简单的频率测量方法。其主要测量原理是在给定的闸门信号中填入脉冲，通过必要的计数线路，得到填充脉冲的个数，从而算出待测信号的频率或周期，如图1所示。

(2)多周期同步测频法

多周期同步测频法是在直接测频法的基础上发展而来的，在目前的测频系统中具有广泛的应用。在这种测频方法中，实际闸门是不固定的值，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个字计数误差，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。测量原理如图2所示。

(3)模拟内插法

模拟内插法是以测量时间间隔为基础的测量方法，它主要解决的问题是测出量化单位以下的尾数，如图3所示。

模拟内插法主要包括两部分：一是粗测，二是细测。粗测就是运用脉冲计数法对实际闸门T_N的测量；细测就是运用内插的方法对量化单位以下的尾数Δt₁和Δt₂的测量。细测时运用“起始”内插器(内插时间扩展器)将Δt₁，将扩大1000倍，即在Δt₁时间内用一个恒流源对一个电容器充电，随后以充电时间999Δt₁的时间放电至电容器原电平。内插时间扩展器控制门由被测起始脉冲开启，在电容器C恢复至原电平时关闭，如图4所示。

(4)时间-幅度转换法

时间-幅度转换法由时间间隔扩展法改进而来，它克服了时间间隔扩展法转换时间过长、非线性难以控制等问题。图5是时间——幅度转换法的原理图。从图5可以看出，与时间间隔扩展法不同，时间——幅度转换法把放电电流源改成了一个高速A/D转换器加一个复位电路。

与图4相比，图5中用A/D过程代替了放电过程，极大地减少了转换时间因为A/D转换过程所需时间与充电时间本来就是在同一个数量级上，而不像放电时间远远大于实际输入间隔。而且这样的电路少了一个放电过程，能够减少它的非线性。利用现代高速的ADC，该法可以得到1～20ps的分辨率。传统上，该法都是用离散器件来实现的，但近年来也有人用ASIC替代离散器件，且与ECL电路配合使用，使精度达到10ps。

(5)游标法

游标法是一种典型的以时间为基础的频率测量方法。这种测量方法用类似于机械游标卡尺的原理，能较为准确地测出整周期数外的零头或尾数，以提高测量的分辨力和准确度。时间游标法比脉冲计数法具有更高的测量精度，测量原理如图6所示。

传统的的高精度频率测量方法往往要进行高精度相位测量，实现起来相当困难。其实任意两个周期信号的相位差都存在明显的规律性。我们可以把它们通过最小公倍数周期、等效鉴相频率、量化相移分辨率等新概念联系起来，从这些概念出发，可以大大简化频率的测量方法。

假设两个频率信号f₀＝Af_maxc与f_x＝Bf_maxc，其中f_maxc是它们的最大公因子频率，A与B互素。在它们等效相位重合时的情况，两个重合点间的时间间隔称为这两个信号的最小公倍数周期，记为T_minc，则T_minc＝1/f_maxc。两频率信号间相邻两个相位差的差ΔT是固定不变的，且ΔT＝1/ABf_maxc，令f_equ＝ABf_maxc，则ΔT＝1/f_equ，式中：频率f_equ被称为等效鉴相频率，ΔT被称为两频率信号之间的量化相移分辨率。基于群相位关系的测频技术将整数倍的T_minc作为计数闸门，使计数闸门与f₀、f_x同步，避免了±1个字的计数误差，测量精度大大提高。再根据公式

f_x＝f₀*N_x/N₀