CN1023427C - 相检宽带测频方法及高精度频率计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度测频方法及设备。

该方法采用以相位检测为基础的多周期同步测量，其主门信号几乎严格等于被测信号和标频信号的多倍周期值，测量精度仅相关于相位检测线路的检测精度，而与两比对信号的频率值高低无关。因此较普通的多周期同步测量方法精度在相同条件下可提高上千倍。本发明设备线路简单，成本低，较国外进口的高精度计算计数器精度高10倍以上，且成本仅有国外设备的十分之一，是一种适用于中、高频频率信号测量的高精度测量仪器。

Description

本发明涉及电子与时频测量技术领域。

目前，大多数数字频率计的测频方法是采用在标准的闸门时间内对被测频率信号的周期个数进行计数而得出被测频率值。这种方法由于受闸门时间内±1个被测信号周期的误差影响，因而测量精度低。近年来国内外相继出现了一些采用不同方法的高精度计算计数器。如菲利蒲公司生产的计数器产品（Philips，Eindhoven，Netherlands）采用了多周期同步测量技术和模拟内插技术，使测量的闸门时间与被测信号整周期个数严格相关，并在此时间内对标准的高频时标个数进行计数再经过计算求出被测频率值。又如美国的H.P公司生产的5370B计算计数器（Hewlett-packard    Co.Palo    Alto    California）则是采用了游标法进行高精度时间间隔测量，同时计数与此时间间隔同步的被测信号的整周期个数，再计算出被测频率值。国内电子工业部科技情报研究所和中国晓峰技术设备公司在《国际电子测量仪器选购设备指南》里还报导了有关定点频标比对的测量方法及设备。以上这几种测频方法虽说可提高频率测量精度，但却存在着设备线路复杂，造价高和多比本发明测量精度低10倍的不足。特别是后一种测频方法只能在一些稳定的点频上获得高精度，而不能用于宽频率范围的任意频率测量。

本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提供一种适用于宽频率范围且精度更高的相检式多周期同步测频方法以及线路简单、造价低的测频计算计数器。

本发明根据被测频率量与标准频率量都是周期量，当两量之间有频率差异时两信号随着时间其相对相位变化的原理，采用了频率信号的周 期性特征相位检测方法对一般频率量进行测量。其测量步骤为：首先用相位检测线路测出被测频率信号与标准频率信号之间的瞬时相位小到一定范围时的时刻信息（瞬时相位重合），根据一段时间前后两次相检所检测到的两比对频率信号相位重合之间的时间间隔值，按照如下公式：

f_x（被测频率值）＝ (被测信号计数值)/(标频信号计数值) ×标频信号频率标称值

算出被测频率值，并按公式

$T_x=\frac{1}{f_x}=\frac{\mathrm{标频计数值}}{\mathrm{被测计数值\times 标频标称值}}$

算出被测信号的周期值。

式中，被测信号计数值和标频信号计数值是在所测量的那段时间前后两信号两次相位重合相遇的时间间隔中，分别用两个计数器对被测频率信号和标准频率信号进行整周期计数所测得的结果。其中两计数部分的工作可用计算机或单独的硬件线路完成，也可用计算机和一定的硬件线路结合来完成。计算部分多用计算机自动完成，也可以手工计算。

为了在提高测量精度的同时保证有宽的连续测量范围，本发明在相检法测频中，采用了一个以上的频标信号。在这些频标信号中有一个是主频标，其它是由主频标经过综合产生或与主频标频率值不同的稳定的标频信号，主频标与其之间有一定的频差（可以差几十Hz到几百KHz，甚至更大）。这样可避免使标频信号与被测信号间频率值相同或出现严格的分数、倍数关系。并使被测频率信号与标频之间的差拍频率或公因子频率（或准公因子频率）的周期值能小于所设定的闸门时间，以保证测量的精度及正常工作。测量时标频的选择可根据被测频率的情况进行人工或自动切换。

用该测试方法设计的频率计数器的线路框图如图1所示。该测试设 备由相位重合检测线路、产生门时信号的闸门线路、机内（或机外）标频、频率综合器、时基分频与测量控制，主门1、主门2计数器1、计数器2和乘除法运算、显示及整形器K₁、K₂等电路构成。其中相位重合检测线路连接在被测频率与标频信号之间，使被测频率信号与标频信号同时进入相位重合检测线路进行瞬时相位重合判别与检测。主频标后连接有可形成与其成一定差值的频率综合器。当标频信号与被测信号间出现频率值相同或成严格的分数、倍数关系时，则由频率综合器产生的标频信号作为中介，破坏这种关系，以保证测量能够正常进行。图中f₀₁和f₀₂选择开关为主频标与综合频标的切换开关。门时信号产生线路的两输入端分别连接在相位重合检测线路与时基选择测量控制电路的输出端，使主闸门的开与关受控于时基信号和两比对信号相位相重合的双重作用，或仅仅受控于两比对信号相位重合信息，以此构成多周期同步测量的闸门门时为两比对信号周期的倍数值。门时产生线路的输出端连接到被测频率与标频信号的主门电路输入端（即主门1、主门2），以主闸门的开与关控制两比对信号各自的门路开与关。相位重合检测线路可用将两比对信号整形成很窄的窄脉冲再通过与门或与非门构成;亦可用“动态与门电路”构成。当两整形后的输入信号均同时发生上跳或下跳时，该电路产生一个上跳或下跳，以此识别两信号的相位重合时刻。该数字频率计中时基的产生可通过频标分频而得到，也可通过计算机的软件来设置。计数器计数工作可由计数线路完成，也可由计数线路与计算机联合完成。

该数字频率计的工作原理：

被测频率信号和标频信号分别经整形成脉冲信号后送到一个判别两信号瞬时相位重合的检测线路，当两个不同频率值的脉冲信号的上升沿 （或下跳沿）同时到来的瞬间，该线路产生一个检测信号。并由频标经分频产生一定的时基信号（如1ms，10ms，100ms，1s，10s等或其它要求的时基信号）。该时基信号与上述两信号相位重合检测输出共同作用产生本机的门时信号。即门时信号的开启与关闭时刻严格对应于两比对信号相位重合的时刻，而门时信号的长度却近似于时基信号的长度，如图2所示。在主门时的控制下使其主门1与主门2开启，同时对被测信号和标频信号各自进行计数，其计数的时间间隔由周期性信号满周期的相位重合相遇检测开始，又由另一个同样的检测而终止。最后由所计的被测值和标频值算出被测信号的频率值和周期值。

图1是本发明的设备方框图

图2是本发明的门时信号形成波形图

本发明的两个实施例分别为相位重合检测线路采用动态与门和与窄脉冲整形器配合的与非门两种。

本发明由于主门信号几乎严格地等于被测信号和标频信号的周期值的倍数值（所含误差只有相位重合检测线路的检测误差），所以较普通的多周期同步测量方法精度在相同条件下有近上千倍地提高。同时由于测量精度仅相关于相位检测线路，而与被测或标准频率信号的频率值高低无关，因而，既实现了高精度的频率测量，也实现了对高低频信号的归一化等精度测量。此外由于本发明的设备线路简单，成本低，可在几十KHz到几百MHz的频率范围内获得1～2×10^-10/秒以上的频率测量精度，较国外进口的计算计数器（如5360A）精度高10倍以上，且成本只及国外同类设备的十分之一，因此是一种适用于中、高频频率信号的高精度测量仪器。

Claims (2)

1、一种频率测量方法，是以相位检测为基础，计数的时间间隔由周期性被测及标频信号相位重合相遇检测开始，并由另一个同样的检测而终止，即首先用相位检测线路测出被测频率信号与标准频率信号之间的瞬时相位相遇的时刻信息，然后根据一段时间前后两次相检所检测到的两比对频率信号相位重合之间的时间间隔值，按照

f(x)(被测频率值)= (被测信号计数值)/(标频信号计数值) ×标频信号标称值

T(x)= 1/(f(x)) = (标频计数值)/(被测计数值×标频标称值)

分别算出被测信号的频率值和周期值，

式中，被测信号计数值和标频信号计数值是在所测量的那段时间始末两信号两次瞬时相位相遇的时间间隔中，分别用两计数器测得的结果，其特征在于：

a.采用了多个标频信号，其中一个为主标频，其它是由主标频经过综合产生或与主标频频率值不同的标准频率信号，主标频与综合标频之间有一定的频差，以保证有宽的连续频率测量范围；

b.测量闸门受控于时基信号和两比对信号相位重合的双重作用，门时同时为两比对信号周期的倍数值。

2、一种专用权利要求1所述方法进行测量的高精度频率计，包括标频信号电路，时基电路，计算显示器和分别控制被测频率信号计数器8，标频信号计数器2工作的主门电路1、主门电路2，被测频率信号与标频信号电路之间连接有判别相位重合的检测电路，使两比对信号频率值的脉冲信号上升或下跳同时来到的瞬间，该电路产生一个检测信号，其特征在于：

a.标频信号电路后又增设了一个频率综合器，并设有切换开关接通f₀₁或f₀₂，测试时根据被测频率值与标频之间的关系进行人工或自动切换，以保证被测信号与标频信号之间有一定的频差且避免它们的频率出现严格的分数、倍数关系;

b、主门1、主门2、相位重合检测器、时基电路三者之间连接组成主闸门线路，以时基信号与两比对信号相位重合检测输出的共同作用产生本机门时信号，并用此门时信号再控制两比对信号各自的主门电路的开关主门1、主门2而计数。

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