CN107525968B

CN107525968B - 一种基于压控晶体振荡器的频率测量系统

Info

Publication number: CN107525968B
Application number: CN201710888519.1A
Authority: CN
Inventors: 雷海东
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: CN107525968A

Abstract

本发明公开了一种基于压控晶体振荡器的频率测量系统，所述测量系统包括：被测频率源，用于输出被测的时域频率信号；归一化处理模块，用于对所述时域频率信号进行归一化处理，获得标准1MHz信号频率；压控晶体振荡模块，用于输出参考频率信号；频率测量模块，用于对所述归一化处理模块输出的标准1MHz信号频率进行时域频率测量，获得测量结果，并将所述测量结果发送至PC机；补偿模块，用于对所述压控晶体振荡模块输出的参考频率信号的输出误差进行补偿；第一单片机，用于对所述归一化处理模块和所述频率测量模块发送控制指令，并控制数据的传输。本发明解决了现有技术中的测量系统对被测频率的范围有限制以及测量误差较大的技术问题。

Description

一种基于压控晶体振荡器的频率测量系统

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种基于压控晶体振荡器的频率测量系统。

背景技术

时域频率信号的频率稳定性评价是时频研究工作的一个重要方面，对于一个信号源而言，其输出信号通常用下式表达：

其中，a(t)表示信号源输出信号随时间的随机幅度起伏，

表示信号源输出信号的相位(也即是频率)随时间的随机起伏，Δ·t表示信号源输出信号的频率随时间的微小单向变化，称之为频率漂移，现在比较好的压控晶体振荡器(VCXO)一般在几×10^-12－×10^-14量级，Δ·t源于信号源内部随时间的老化，引入的输出频率单向变化；

源于组成信号源的各部件噪声对整机频率稳定度的贡献，通常认为，组成信号源的各部件噪声引起的整机输出频率起伏是各态历经的，因此它可以用随机统计理论中的方差表征。

目前，一般采用相对频偏起伏的标准方差来表征信号源的频率稳定度。若令f₀为信号源的平均频率，则在取样时间τ内，输出频率的相对频偏为：

申请人通过长期的研究和实践发现，对于各类信号源输出信号而言，其输出频率的相对频偏起伏量y_τ(t)的大小、快慢受幂律谱噪声模型中所列的5种噪声的影响，其中，幂律谱噪声模型为：

上式中α＝－2，－1,0，1,2；0＜f＜f_h，h_α为常数，大小随具体的信号源而定；f_h为系统的高截止频率。并且被测频率源的频率在进入测量仪时有范围限制，并且现有的测量系统采用外部参考时钟，由于外部参考时钟本身的频率不稳定也会给系统测量带来误差。

可见，现有技术中的测量系统对被测频率的范围有限制以及测量误差较大的技术问题。

发明内容

本发明提供一种基于VCXO的频率测量系统，用以解决现有技术中的测量系统对被测频率的范围有限制以及测量误差较大的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于压控晶体振荡器的频率测量系统，所述测量系统包括：

被测频率源，用于输出被测的时域频率信号；

归一化处理模块，用于对所述时域频率信号进行归一化处理，获得标准1MHz信号频率；

压控晶体振荡模块，用于输出参考频率信号；

频率测量模块，用于对所述归一化处理模块输出的标准1MHz信号频率进行时域频率测量，获得测量结果，并将所述测量结果发送至PC机；

补偿模块，用于对所述压控晶体振荡模块输出的参考频率信号的输出误差进行补偿；

第一单片机，用于对所述归一化处理模块和所述频率测量模块发送控制指令，并控制数据的传输。

可选的，所述归一化处理模块包括：

隔离放大单元，用于对所述参考频率进行放大处理；

第一分频单元，用于对进行放大处理后的参考频率进行分频处理；

第二分频单元，用于对所述时域频率信号进行分频处理；

第二单片机，用于对所述第一分频单元和所述第二分频单元发送控制指令，并控制数据的传输。

可选的，所述第二分频单元包括：

第一分频子单元，用于对被测频率信号进行1/100分频处理；

第二分频子单元，用于将被测频率信号作为参考时钟信号；

第三单片机，用于计算与所述第二分频子单元通讯用的分频值；

第一计数器，用于对参考时钟进行计数；

第一锁存器，用于对所述计数器的数值进行锁存。

滤波单元，用于对经过所述第二分频子单元输出的频率信号进行低通滤波，获得1MHz频率信号。

可选的，所述补偿模块包括：

第一电压基准模块，用于提供第一电压，并将所述第一电压输送至所述压控晶体振荡模块；

第二电压基准模块，用于提供参考电压，并将所述参考电压输送至数模转换模块的外部电压参考端；

数模转换模块，用于输出大小可调整的第二电压，并将所述第二电压输送至所述压控晶体振荡模块；

温度控制模块，设置于压控晶体振荡模块地外壁上，用于控制工作环境温度；

第四单片机，用于控制所述数模转换模块输出的第二电压值，并控制所述温度控制模块的温度设定值。

可选的，所述第一电压基准模块与所述第二电压基准模块具有相同的温度系数。

可选的，所述温度控制模块包括热敏电阻，所述热敏电阻设置于所述压控晶体振荡模块的表面，用以感知所述压控晶体振荡模块的实际工作环境温度。

可选的，所述温度控制模块还包括第一电阻，所述第一电阻与所述热敏电阻并联连接。

可选的，所述温度控制模块还包括第一保护电阻，所述第一保护电阻与所述热敏电阻串联后接地。

可选的，所述温度控制模块还包括第二保护电阻，所述第二保护电阻与所述第一电阻串联后接地。

可选的，所述温度控制模块还包括运算放大器，用于将温度控制模块电桥两端的电压差放大后转换为温度补偿电压，并将所述温度补偿电压输送至电压源。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例提供的基于压控晶体振荡器的频率测量系统，通过归一化处理模块对所述时域频率信号进行归一化处理，获得标准1MHz信号频率，并通过压控晶体振荡模块输出参考频率信号，频率测量模块对所述归一化处理模块输出的标准1MHz信号频率进行时域频率测量，获得测量结果，并将所述测量结果发送至PC机；且采用补偿模块对所述压控晶体振荡模块输出的参考频率信号的输出误差进行补偿，在进行频率测量时，通过压控晶体振荡模块输出参考频率信号，并采用采用补偿模块对所述压控晶体振荡模块输出的参考频率信号的输出误差进行补偿，可以将压控晶体振荡模块输出的参考频率控制在小范围内，并且可以补偿由于老化漂移引起的频率变化的影响，同时可以减小因外部参考时钟本身的频率不稳定给系统测量带来误差，从而可以准确获取被测频率的值，解决了现有技术中的测量系统对被测频率的范围有限制以及测量误差较大的技术问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于压控晶体振荡器的频率测量系统的结构示意图；

图2为图1中归一化处理模块的结构示意图；

图3为第二分频单元的结构示意图；

图4为补偿模块的结构示意图；

图5为温度控制模块的原理图；

图6为图4中补偿模块的原理图；

图7为频率测量模块的测量信号图；

图8为频率测量模块的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供本本发明提供一种基于VCXO的频率测量系统，用以解决现有技术中的测量系统对被测频率的范围有限制以及测量误差较大的技术问题。

本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：

一种基于压控晶体振荡器的频率测量系统，所述测量系统包括：被测频率源，用于输出被测的时域频率信号；归一化处理模块，用于对所述时域频率信号进行归一化处理，获得标准1MHz信号频率；压控晶体振荡模块，用于输出参考频率信号；频率测量模块，用于对所述归一化处理模块输出的标准1MHz信号频率进行时域频率测量，获得测量结果，并将所述测量结果发送至PC机；补偿模块，用于对所述压控晶体振荡模块输出的参考频率信号的输出误差进行补偿；第一单片机，用于对所述归一化处理模块和所述频率测量模块发送控制指令，并控制数据的传输。

上述系统在进行频率测量时，通过压控晶体振荡模块输出参考频率信号，并采用采用补偿模块对所述压控晶体振荡模块输出的参考频率信号的输出误差进行补偿，可以将压控晶体振荡模块输出的参考频率控制在小范围内，并且可以补偿由于老化漂移引起的频率变化的影响，同时可以减小因外部参考时钟本身的频率不稳定给系统测量带来误差，从而可以准确获取被测频率的值，解决了现有技术中的测量系统对被测频率的范围有限制以及测量误差较大的技术问题。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种基于压控晶体振荡器的频率测量系统，请参考图1，所述测量系统包括：被测频率源、归一化处理模块、频率测量模块、压控晶体振荡模块、频率测量模块、补偿模块和第一单片机，其中，

被测频率源，用于输出被测的时域频率信号；

压控晶体振荡模块，用于输出参考频率信号；

下面，结合图1-图8对本申请提供的基于压控晶体振荡器的频率测量系统详细介绍：

本发明实施例中的频率测量系统中，通过被测频率源输出被测的时域频率信号，通过压控晶体振荡模块VCXO输出高稳定度频率信号源，作为参考频率信号。然后通过归一化处理模块对被测频率源输出的信号进行归一化处理，得到标准的1MHz检定用信号频率标准，再通过频率测量仪对归一化模块输出的信号频率按照采样时间T＝10秒进行时域频率测量，并将测量结果送至PC中；其中，在通过压控晶体振荡模块VCXO输出高稳定度频率信号源后，还通过设置补偿模块对VCXO输出误差频率进行补偿。从而可以对所述压控晶体振荡模块输出的参考频率信号的输出误差进行补偿，并将压控晶体振荡模块输出的参考频率控制在小范围内，并且可以补偿由于老化漂移引起的频率变化的影响，同时可以减小因外部参考时钟本身的频率不稳定给系统测量带来误差，从而可以准确获取被测频率的值，解决了现有技术中的测量系统对被测频率的范围有限制以及测量误差较大的技术问题。

在本发明提供的频率测量系统中，请参见图2，所述归一化处理模块包括：

隔离放大单元，用于对所述参考频率进行放大处理；

第一分频单元，用于对进行放大处理后的参考频率进行分频处理，获得第一分频值。

第二分频单元，用于对所述时域频率信号进行分频处理，获得第二分频值。

具体来说，压控晶体振荡模块输出的参考频率信号f₀经过隔离放大单元后被送至第一分频单元的外时钟输入端，作为第一分频单元工作外部参考时钟，同时第一分频单元的外部通讯端口连接至第二单片机，用以接受来自第二单片机的控制字命令及双向的数据传输。具体来说，第一分频单元和第二分频单元的DDS芯片内部有2个48位频率控制寄存器(F0、F1)，对于本装置参考频率信号f₀为10MHz，当不使用DDS内部PLL倍频功能时，48位的频率控制寄存器F0全填充1时，DDS会有10MHz频率信号输出，因此为得到标准的采样时间周期信号T(如1秒、10秒)，需要对DDS中频率控制寄存器F0设置相应的分频数值，具体计算的方法是：

其中，D为所需要计算的具体分频数值，f₀为参考信号频率，本装置中f₀为10MHz，f为所需要分频的采样时间信号频率，对于f为1Hz(1秒)及0.1Hz(10秒)的情况，第二分频值D应为2⁴⁸×10^-7或2⁴⁸×10^-8。具体的采样时间T可以通过用户根据实际采样过程中的需要，然后通过PC端软件设置的，而第二分频值是第二单片机通过RS232串行接口与PC端通讯得到用户设置的采样时间T后，运用上述公式计算得到。第二单片机根据DDS相应的串行通讯时序，将第二分频值D写入DDS相应缓存器后，得到最终的DDS端采样时间信号T输出。

在本发明提供的频率测量系统中，请参见图3，所述第二分频单元包括：

第一分频子单元，用于提供第一外部时钟信号；

第二分频子单元，用于提供第二外部时钟信号；

第三单片机，用于计算与所述第二外部时钟信号通讯用的分频值；

计数器，用于对参考时钟进行计数；

锁存器，用于对所述计数器的数值进行锁存。

具体来说，当被测信号频率为上百兆甚至几百兆赫兹时，考虑到计数器对被测频率范围的限制，本实施例通过设计其中一路第二分频单元对被测频率信号进行1/100分频处理。被测信号经隔离放大单元后直接送入第二分频子单元的输入端，作为第二分频子单元工作时的参考时钟。第二分频子单元的外部通讯端口连接至第三单片机，第三单片机根据式(1)得到的2⁴⁸×10^-2分频数值通过串行通讯时序写入缓存区，并通过第一分频子单元得到的1/100分频率信号后，送至计数器进行粗频率测量，第三单片机读取锁存器305对计数器304取样的数值后，记录下此时的频率数值，乘以100后便可得到被测信号的粗频率值F。

另一路经过隔离放大单元2的被测信号被送至第二分频子单元的外部时钟输入端，作为第二分频子单元工作时的参考时钟。同时第二分频子单元的外部通讯端口连接至第三单片机，第三单片机根据式(1)计算得到与DDS3通讯用的分频数值：

其中F为通过计数器304计数、第三单片机运算得到的被测信号的粗频率值，f取1MHz，并通过串行通讯时序将所得的具体分频数值写入第二分频子单元缓存区，经第二分频子单元后得到1MHz的频率信号，将所得的频率信号再送至低通滤波模块后得到最终的1MHz频率信号输出。

在本发明提供的频率测量系统中，请参见图4，所述补偿模块包括：

第四单片机405，用于控制所述数模转换模块输出的第二电压值，并控制所述温度控制模块的温度设定值。

在本发明提供的频率测量系统中，所述第一电压基准模块与所述第二电压基准模块具有相同的温度系数。

在本发明提供的频率测量系统中，所述温度控制模块包括热敏电阻，所述热敏电阻设置于所述压控晶体振荡模块的表面，用以感知所述压控晶体振荡模块的实际工作环境温度。

在本发明提供的频率测量系统中，所述温度控制模块还包括第一电阻，所述第一电阻与所述热敏电阻并联连接。

在本发明提供的频率测量系统中，所述温度控制模块还包括第一保护电阻，所述第一保护电阻与所述热敏电阻串联后接地。

在本发明提供的频率测量系统中，所述温度控制模块还包括第二保护电阻，所述第二保护电阻与所述第一电阻串联后接地。

在本发明提供的频率测量系统中，所述温度控制模块还包括运算放大器，用于将温度控制模块电桥两端的电压差放大后转换为温度补偿电压，并将所述温度补偿电压输送至电压源。

为了更清楚地说明补偿模块的作用，下面从补偿模块的温度控制模块的原理进行详细说明，请参见图5，其中第一电阻R1与热敏电阻Rk并联连接后，第一电阻R1与第二保护电阻R2连接，热敏电阻Rk与第一保护电阻R3连接，其中，第一保护电阻、第二保护电阻以及第一电阻具有相同温度系数的电阻，并且R1、R2和R3的阻值与热敏电阻Rk相当。具体来说，R1的值反映了实际VCXO工作环境温度T，Rk为一个热敏电阻，它贴于VCXO的表面，用以感知VCXO实际的工作环境温度T。那么当VCXO的工作环境温度T无变化时，图5中的电桥处于平衡，输送至压控变换模块的温度补偿电压值为0，如果VCXO的工作环境温度T发生变化，则热敏电阻Rk的阻值将变小(温度升高)或变大(温度降低)，此时电桥两端存在电压差，经运算放大器A差分放大后变为温度补偿电压输送至电压源，同时输出给传统加热丝线圈环路。作为一种优选方式，整个电路的放大增益可以通过运算放大器的负反馈电阻Rw调节，Rw为一数字电位计，通过调节Rw的阻值以达到上述电路补偿因子改变功能。

作为一种优选实施方式，在补偿模块装置中，进行了元件筛选：

1、电压基准1、电压基准2具有相同的温度系数，即温度每变化1℃，引起的相应电压基准参考值变化一致，例如可以为：-1E-3(V/℃)。

2、根据VCXO的温度特征曲线，通过单片机设置VCXO的具体工作温度点，使VCXO在此工作点左右具有与上述1电压基准相反的温度特性(上述为负温度系数，则相应地选择VCXO为正的温度系数)，例如选择具体值为：+1E-10/℃，即温度每变化1℃，将引起VCXO输出信号频率变化+1E-10。

3、结合上述1，选择相应的VCXO的压控斜率值，如选择1E-7/V，由于电压基准作用于VCXO使其输出不同频率，那么结合1后，可以获得相应温度变化引起的电压基准变化作用于VCXO后导致的输出信号频率变化率为：-1E-3(V/℃)×1E-7(V)＝-1E-10/℃；

4、选择老化漂移率较小的VCXO，例如：-1E-6/年，按一年365天换算得到:-2.7E-9/天。

本发明中，补偿模块的原理图如图6所示，其中的曲线部分(VCXO输出)表示的是传统VCXO输出的频率采样曲线。由图6中的曲线部分可以看出，在整个采样过程中，VCXO输出会较大的波动点：频率波动上限、频率波动下限，这样不适用对频率绝对值要求苛刻的场合，例如导弹精确制导、GPS精确导航等，为了增强频率测量的适应性，本发明中对于补偿模块的改进如下：

方案1：在现有VCXO工艺基础上，首先使VCXO、电压基准1、电压基准2均工作在方案要求的工作温度点上，例如T＝20℃，那么VCXO将具有正的温度系数+1E-10/℃，电压基准1和电压基准2将具有负的温度系数-1E-3/℃，相应引起的VCXO输出信号频率变化率为：-1E-10/℃。在VCXO正常工作过程中，由于控温效果的限制，内部的工作模块VCXO、电压基准1、电压基准2将会因为温度的波动受影响，但是按照上述方案1的实施，温度引起的VCXO正频率变化值将和温度引起的电压基准作用于VCXO负频率变化值中和为0。从而解决了温度的变化引起的VCXO输出频率变化的问题。

方案2、通过单片机内部记录VCXO的压控斜率数据，并建立“电压—频率”的关系，如果要实现图6中的预期值f1、f2范围，处理器记录相应的电压值V1、V2。从实现了VCXO输出频率控制在小范围内，即实现图中所示的预期值方框内。

方案3、结合选用的VCXO老化漂移数据：-2.7E-9/天、以及VCXO的压控斜率值：1E-7/V，单片机按照天对纠偏电压V进行相应的主调整，即每天使纠偏电压V在上述2技术基础之上，加上一个固定的修正值，如：27mV，则相应的引起VCXO输出频率增加1E-7/V×27mV＝+-2.7E-9，这样可以补偿支VCXO因为老化漂移引起的频率变化影响。这里的方案将使上述2获得更好的实施效果。

关于本发明中的频率测量模块的测量，如图7所示，被测频率信号经过第二分频单元得到的1MHz频率信号与10MHz参考时钟信号分别送至频率测量仪模块。

请参见图8，第一单片机依据参考时钟信号经第一分频单元处理后得到的采样时间信号T的上升沿使能两路频率信号进行测量，具体的：在一个采样信号T上升沿后，当被测信号和外部参考时钟信号的上升沿到来时，第一单片机分别使能第二计数器和第三计数器进行频率计数。在一个采样信号T下降沿后，当被测信号和外部参考时钟信号的上升沿到来时，第一单片机分别使能第二计数器、第三计数器结束频率计数，同时获得上图中的一个完整采样信号T时间内，被测信号和外部参考时钟信号的总脉冲数N1和N2。并使能锁存器2和锁存器3分别对第二计数器和第三计数器的计数值进行锁存。设被测信号的频率为Fx，参考时基的频率为fo(实际中为10MHz)，在闸门时间T内，计数器对被测信号及参考时基的计数分别为N1，N2，则有：

由式(2)可知，被测信号的频率fx与参考时基频率fo及两计数器的计数值N₁，N₂有关。在完整的一个采样周期T内，第二锁存器和第三锁存器保存的第二计数器和第三计数器的读数值N1、N2传递给第一单片机，在公式(2)中参考时钟源频率fo是不变的，即10MHz，从而可以顺利获得被测信号的频率值fx。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种基于压控晶体振荡器的频率测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：

被测频率源，用于输出被测的时域频率信号；

压控晶体振荡模块，用于输出参考频率信号；

第一单片机，用于对所述归一化处理模块和所述频率测量模块发送控制指令，并控制数据的传输；

其中，所述补偿模块包括：

第四单片机，用于控制所述数模转换模块输出的第二电压值，并控制所述温度控制模块的温度设定值；

所述温度控制模块包括热敏电阻，所述热敏电阻设置于所述压控晶体振荡模块的表面，用以感知所述压控晶体振荡模块的实际工作环境温度，所述温度控制模块还包括第一电阻，所述第一电阻与所述热敏电阻并联连接；

其中，对补偿模块做出如下改进：根据VCXO的温度特征曲线，通过单片机设置VCXO的具体工作温度点，使VCXO在此具体工作温度点具有与电压基准1和2具有相反的温度特性，通过单片机内部记录VCXO的压控斜率数据，并建立“电压—频率”的关系，再结合选用的VCXO老化漂移数据：-2.7E-9/天以及VCXO的压控斜率值：1E-7/V，用以补偿VCXO因为老化漂移引起的频率变化影响，具体为单片机按照天对纠偏电压V进行相应的主调整，具体为每天使纠偏电压V加上一个固定修正值。

2.如权利要求1所述的频率测量系统，其特征在于，所述归一化处理模块包括：

隔离放大单元，用于对所述参考频率进行放大处理；

第二分频单元，用于对所述时域频率信号进行分频处理；

3.如权利要求2所述的频率测量系统，其特征在于，所述第二分频单元包括：

第一分频子单元，用于对被测频率信号进行1/100分频处理；

第二分频子单元，用于将被测频率信号作为参考时钟信号；

第一计数器，用于对参考时钟进行计数；

第一锁存器，用于对所述计数器的数值进行锁存；

4.如权利要求1所述的频率测量系统，其特征在于，所述第一电压基准模块与所述第二电压基准模块具有相同的温度系数。

5.如权利要求1所述的频率测量系统，其特征在于，所述温度控制模块还包括第一保护电阻，所述第一保护电阻与所述热敏电阻串联后接地。

6.如权利要求1所述的频率测量系统，其特征在于，所述温度控制模块还包括第二保护电阻，所述第二保护电阻与所述第一电阻串联后接地。

7.如权利要求1所述的频率测量系统，其特征在于，所述温度控制模块还包括运算放大器，用于将温度控制模块电桥两端的电压差放大后转换为温度补偿电压，并将所述温度补偿电压输送至电压源。