CN103941086A - 一种超高精度频率测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高精度频率测量仪及其测量方法，该超高精度频率测量仪包括：测量臂，参考臂以及主控系统；所述测量臂和参考臂分别与所述主控系统相连；所述测量臂和参考臂均分别包括：晶振振荡单元和时钟传输单元；所述主控系统包括：时钟接收单元、时钟处理单元，相干解算单元以及通信单元。本发明的超高精度频率测量仪及其测量方法，采用相干式测量法，实现晶振频率的超高精度测量，理论上只需通过改变测量参数即可提高测量精度及测量范围，不会带来硬件成本上的提升。

Description

一种超高精度频率测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种针对晶振频率的高精度检测仪器，特别是涉及一种超高精度频率测量仪及其测量方法。

背景技术

晶振振荡频率的测定一般采用频率计或者专门的晶振频率测定仪，他们一般均采用直接测量法，直接针对晶振振荡产生的时钟信号进行测定，其测量精度有限，一般在1PPM以上，即相对误差在百万分之一左右，要想进一步提高测量精度，则需要测量仪器具有更高的采样带宽，其设备成本急剧增加，且精度提升空间有限。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种通过检测两颗晶振的频率差以及精确测定晶振的振荡频率的，超高精度频率测量仪及其测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种超高精度频率测量仪，包括：测量臂，参考臂以及主控系统；所述测量臂和参考臂分别与所述主控系统相连；

所述测量臂和参考臂均分别包括：晶振振荡单元和时钟传输单元；所述主控系统包括：时钟接收单元、时钟处理单元，相干解算单元以及通信单元；

所述晶振振荡单元包括晶振插座及外围电路，可为晶振正常振荡提供稳定的供电环境；所述时钟传输电路可将时钟信号转化为低压差分信号传输；

所述时钟接收单元可将LVDS传输的时钟转换为普通TTL电平；

所述时钟处理单元可对输入的时钟信号进行合适的分频；

所述相干解算可根据相干解算算法，解算出测量臂晶振频率相对于参考臂晶振的频率偏差值；

所述通信单元可完成参数输入及测量结果的输出。

一种超高精度频率测量仪的测量方法，包括以下步骤：

步骤i：利用本征时钟F₁测量被测时钟F₂的分频信号，计算得到被测时钟F₂的初值；设置循环次数；

步骤ii：设置本征时钟分频数N₁为原来的n倍，根据公式设置被测时钟分频数N₂，得到被测时钟F₂的本次循环测量值；其中，n为大于1的自然数；

步骤iii：判断循环次数是否达到，如达到则继续步骤iv，如未达到则返回步骤ii；

步骤iv：测量精度达到要求，结束测量。

在上述技术方案中，步骤i中的循环次数为6次。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的超高精度频率测量仪及其测量方法，采用相干式测量法，实现晶振频率的超高精度测量，理论上只需通过改变测量参数即可提高测量精度及测量范围，不会带来硬件成本上的提升。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的超高精度频率测量仪的系统组成框图。

图2为分频计数器输出信号示意图。

图3为频率相干测量流程图。

图4为频率相干测量流程图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

本发明的超高精度频率测量仪采用相干测量法，由测量臂和参考臂以及主控系统组成，其各部分功能如下：测量臂与参考臂的功能一致，均包含晶振振荡单元以及时钟传输单元；主控系统包含时钟接收单元、时钟处理单元，相干解算单元以及通信单元。

晶振振荡单元：包含晶振插座及必要的外围电路，为晶振正常振荡提供稳定的供电环境；

时钟传输电路：为了较长距离地传输高频时钟信号，需要将时钟信号转化为低压差分（LVDS）信号传输；

时钟接收单元：将LVDS传输的时钟转换为普通TTL电平。

时钟处理单元：根据测量需要，对输入的时钟信号进行合适的分频，以满足最优化的相干测量，提高测量精度，扩大量程；

相干解算：根据相干解算算法，解算出测量臂晶振频率相对于参考臂晶振的频率偏差值；

通信单元：实现人机交互，完成参数输入及测量结果的输出。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

根据图1-4所示，本发明的超高精度频率测量仪，包括：

时钟晶振振荡单元：构建晶振振荡最小电路，使晶振稳定工作，晶振振荡单元输入VCC和GND，输出时钟信号CLK；

时钟处理单元：时钟处理单元实现分频计数器，分频倍数可通过通信单元进行修改，当分频倍数不同时，测量精度及测量时间不同，实际应用中可根据需求进行设置；

相干解算单元，利用参考臂与测量臂的分频计数器信息，进行两颗晶振的频差计算；若参考臂与测量臂的分频倍数分别为N₁和N₂，其晶振频率分别为F₁（本征时钟）和F₂（被测时钟），对两路时钟处理单元得到的分频信号进行逻辑与运算，得到解算信号，利用本地时钟F₁对解算信号进行周期测定，得到其周期为N₀个时钟周期。

关于频率计算：

根据测量臂与参考臂的晶振频率差异可计算得到：

$F_2=F_1\left(\frac{N_2}{N_1}\text{\±}\frac{N_2}{N_0}\right)$     （公式1）

其中其中带*的量表示理论值，假设两颗晶振，其理论值分别为50MHz和60MHz，则根据测试精度要求，可根据该比例关系，设置N₁和N₂的值。当测试两颗频率相近的晶振（理论值相等）时，N₁=N₂,则公式简化为：

$F_2=F_1\left(\text{1\±}\frac{N_2}{N_0}\right)$

关于符号判定：

由于上式中只能计算出频率差异的绝对值大小，无法确定是上偏还是下偏，所以需要通过辅助手段，确定其符号，使得测量值具有唯一性。由于符号由分频后信号周期大小决定，所以通过对分频后信号进行周期计数，则周期数多者频率低，当测量臂的周期数少于参考臂时，符号为正，否则为负。

关于测量精度：

测量精度与N₁和N₂的值有关，当对测量精度要求较高时，则选择较大的N₁和N₂的值，但这会使得测量时间变长。由于N₀为整数，其所以测量误差为(-1,1)，所以最大测量误差为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔF}}_2=F_1(1+\frac{N_2}{N_0-1})-F_1(1+\frac{N_2}{N_0+1})\\ =F_1\left(\frac{2N_2}{(N_0-1)(N_0+1)}\right)\\ \≈F_1\left(\frac{{2N}_2}{N_0^2}\right)\end{array}$     （公式2）

通信单元：

通信单元完成与上位机的通信，通过RS232通信链路，上位机可根据公式设置N₁和N₂的值，并将相干结算单元计算得到的测量值N₀及符号标志位返回给上位机，由上位机利用公式（1）和公式（2）进行频率及误差计算及显示。

本发明的超高精度频率测量仪的测量方法具体如下：

晶振的相干测量流程见图3所示，首先，对被测时钟进行分频（以1000分频为例，该值可设置，该值越大，则粗侧结果精度越高），然后利用本征时钟测量该分频信号的周期并将该值返回上位机，上位机计算得到被测信号频率粗测值，上位机根据被测时钟的频率粗侧值和本征时钟的倍数关系，给出相干测量的分频初值（本征分频数N₁每次循环次按一定倍数依次递增），每次相干测量的结果，作为下一次分频初值，通过多次循环，可逐步提高测量精度，实际应用中，可根据精度测量需求，设置循环次数以及本征分频数的递增规律。

以本征时钟为100MHz，被测时钟为71MHz为例，首先，利用本征时钟测量被测时钟的分频信号（1000分频）为71KHz，则计算得到被测频率初值为7.097MHz，粗侧误差为27.6kHZ；则设置本征分频数为2000，被测时钟分频数为1419，通过相干解算，得到被测频率误差为-35.2HZ；设置本征分频数为4000，被测时钟分频数为2839，相干解算，得到被测频率误差为-8.8HZ；经过6次循环，本征分频数为64000，被测时钟分频数为45439，相干解算，得到被测频率误差为-0.0344Hz，测量精度达到4.8×10^-4PPM，最后一次相干测量时间为29s，总测量时间为38秒，6次循环的测试仿真结果见图4。实际应用中可根据精度测量要求及测试速度要求对循环次数及步长进行设置。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种超高精度频率测量仪，其特征在于，包括：测量臂，参考臂以及主控系统；所述测量臂和参考臂分别与所述主控系统相连；

所述测量臂和参考臂均分别包括：晶振振荡单元和时钟传输单元；所述主控系统包括：时钟接收单元、时钟处理单元，相干解算单元以及通信单元；

所述晶振振荡单元包括晶振插座及外围电路，可为晶振正常振荡提供稳定的供电环境；所述时钟传输电路可将时钟信号转化为低压差分信号传输；

所述时钟接收单元可将LVDS传输的时钟转换为普通TTL电平；

所述时钟处理单元可对输入的时钟信号进行合适的分频；

所述相干解算可根据相干解算算法，解算出测量臂晶振频率相对于参考臂晶振的频率偏差值；

所述通信单元可完成参数输入及测量结果的输出。

2.根据权利要求1所述的超高精度频率测量仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤i：利用本征时钟F₁测量被测时钟F₂的分频信号，计算得到被测时钟F₂的初值；设置循环次数；

步骤ii：设置本征时钟分频数N₁为原来的n倍，根据公式设置被测时钟分频数N₂，得到被测时钟F₂的本次循环测量值；其中，n为大于1的自然数；

步骤iii：判断循环次数是否达到，如达到则继续步骤iv，如未达到则返回步骤ii；

步骤iv：测量精度达到要求，结束测量。

3.根据权利要求2所述的超高精度频率测量仪的测量方法，其特征在于，步骤i中的循环次数为6次。