一种新型的高精度频率计

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。