CN108957121A - 一种时频计量设备 - Google Patents

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毛艳伟
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    • G01R23/02—Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage
    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明涉及一种时频计量设备，包括：GPS/北斗卫星接收机，外接GPS/北斗天线；时间间隔测量模块，其输入端与GPS/北斗卫星接收机的输出端相连；第一锁相环路，其输入端与时间间隔测量模块的输出端相连；铷原子钟，其输入端与第一锁相环路的输出端相连，铷原子钟的输出端与时间间隔测量模块的输入端相连；高稳石英晶体振荡器，其输入端与铷原子钟的输出端相连；第二锁相环路，其输入端与铷原子钟的输出端相连，第二锁相环路的输出端与高稳石英晶体振荡器的输入端相连；倍频功分电路，其输入端与高稳石英晶体振荡器的输出端相连；电源模块，分别与第一锁相环路、第二锁相环路、铷原子钟、高稳石英晶体振荡器、倍频功分电路电性连接。

Description

一种时频计量设备
技术领域
本发明属于时频测量领域，具体涉及一种时频计量设备。
背景技术
现有的时频测量通常采用系统时钟源设备、短稳相噪测试仪和计算机等多台设备联合构成系统来使用。虽然能够实现时频测量，但是存在以下不足之处：1、组成时频测量系统的设备多且不容易拆装；2、不易携至现场测量；3、测试项目单一。
发明内容
发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明公开了一种时频计量设备，其内部集成多个功能模块，能完成多种计量项目，包括实时频率准确度、频率短期稳定度、相位噪声、频率漂移率和时间间隔。
技术方案：一种时频计量设备，包括：
GPS/北斗卫星接收机，外接GPS/北斗天线；
时间间隔测量模块，其输入端与所述GPS/北斗卫星接收机的输出端相连；
第一锁相环路，其输入端与所述时间间隔测量模块的输出端相连；
铷原子钟，其输入端与所述第一锁相环路的输出端相连，铷原子钟的输出端与所述时间间隔测量模块的输入端相连；
高稳石英晶体振荡器，其输入端与所述铷原子钟的输出端相连；
第二锁相环路，其输入端与所述铷原子钟的输出端相连，第二锁相环路的输出端与所述高稳石英晶体振荡器的输入端相连；
倍频功分电路，其输入端与所述高稳石英晶体振荡器的输出端相连；
电源模块，分别与第一锁相环路、第二锁相环路、铷原子钟、高稳石英晶体振荡器、倍频功分电路电性连接。
进一步地，第一锁相环路与第二锁相环路的结构相同。
更进一步地，所述第一锁相环路包括：
鉴相器，用于检测输入信号相位θi(t)和输出信号的相位θo(t)，并将其转换为电压控制信号ud(t)，ud(t)的表达式为：
ud(t)＝ui(t)-uo(t)，其中：
ui(t)为输入电压，uo(t)为输出电压；
为鉴相器的增益，单位为V/rad；
低通滤波器，其输入端与所述鉴相器的输出端相连，用于滤除电压控制信号ud(t)中的高频分量和噪声，滤波后剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uc(t)；
压控振荡器，其输入端与所述低通滤波器的输出端相连，受滤除后的电压控制信号ud(t)控制作用，牵引压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，最终使输出信号与输入信号频率相等。
进一步地，时间间隔测量模块包括处理器模块、两个细测模块、SPI通信模块、粗测模块和两个信号延时模块，
每个信号延时模块的输出端分别与一细测模块的输入端、粗测模块的输入端相连；
粗测模块的输出端与SPI通信模块的输入端相连；
所述理器模块分别与SPI通信模块、两个细测模块通信互联。
有益效果：本发明公开的一种时频计量设备具有以下有益效果：
1、组成模块少，易拆装；
2、体积小，易携带；
3、测试项目多，能完成多种计量项目，包括实时频率准确度、频率短期稳定度、相位噪声、频率漂移率和时间间隔。
附图说明
图1为本发明公开的一种时频计量设备的组成原理示意图；
图2为第一/二锁相环路的结构示意框图；
图3为时间间隔测量模块的时间间隔分解示意图；
图4为时间间隔测量模块的信号处理流程示意图。
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式详细说明。
一种时频计量设备，包括：
GPS/北斗卫星接收机，外接GPS/北斗天线；
时间间隔测量模块，其输入端与所述GPS/北斗卫星接收机的输出端相连；
第一锁相环路，其输入端与所述时间间隔测量模块的输出端相连；
铷原子钟，其输入端与所述第一锁相环路的输出端相连，铷原子钟的输出端与所述时间间隔测量模块的输入端相连；
高稳石英晶体振荡器，其输入端与所述铷原子钟的输出端相连；
第二锁相环路，其输入端与所述铷原子钟的输出端相连，第二锁相环路的输出端与所述高稳石英晶体振荡器的输入端相连；
倍频功分电路，其输入端与所述高稳石英晶体振荡器的输出端相连；
电源模块，分别与第一锁相环路、第二锁相环路、铷原子钟、高稳石英晶体振荡器、倍频功分电路电性连接。
进一步地，第一锁相环路与第二锁相环路的结构相同。
更进一步地，所述第一锁相环路包括：
鉴相器，用于检测输入信号相位θi(t)和输出信号的相位θo(t)，并将其转换为电压控制信号ud(t)，ud(t)的表达式为：
ud(t)＝ui(t)-uo(t)，其中：
ui(t)为输入电压，uo(t)为输出电压；
为鉴相器的增益，单位为V/rad；
低通滤波器，其输入端与所述鉴相器的输出端相连，用于滤除电压控制信号ud(t)中的高频分量和噪声，滤波后剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uc(t)；
压控振荡器，其输入端与所述低通滤波器的输出端相连，受滤除后的电压控制信号ud(t)控制作用，牵引压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，最终使输出信号与输入信号频率相等。
进一步地，时间间隔测量模块包括处理器模块、两个细测模块、SPI通信模块、粗测模块和两个信号延时模块，
每个信号延时模块的输出端分别与一细测模块的输入端、粗测模块的输入端相连；
粗测模块的输出端与SPI通信模块的输入端相连；
所述理器模块分别与SPI通信模块、两个细测模块通信互联。
如图2所示，第一/二锁相环路的实现：锁相环路是一个使输出信号与输入信号保持频率和相位同步的电路。在同步(锁定状态)时，输出信号和输入信号频率相等，相位差为零，或者保持为常数，即输出信号锁定到输入信号的相位上。
鉴相器把输入信号θi(t)和压控振荡器的输出信号的相位θo(t)进行比较，输出信号为两种信号的电压控制信号ud(t)，该信号正比于输入信号θi(t)和输出信号θo(t)的相位误差，通常为交流信号调制的直流信号。经低通滤波器，滤除交流(高频)分量，产生误差控制电压uc(t)，控制压控振荡器，使其向着减小相位误差的方向改变其频率。使输入信号θi(t)和压控振荡器的输出信号θo(t)的频率相等，相位误差为零或为一恒定值，此时锁相环进入锁定状态。
时间间隔测量模块用于完成时差值的精确测量，基于内插原理的高精度时间间隔测量模块分辨力可达50ps。该计数器利用标准的时钟脉冲对被测时间间隔进行填充，存在的“±1”误差通过设计的TDC(时间数字转换器)转换为数字量，并对时间间隔测量结果进行修正，从而提高计数器的分辩力。
其测量原理如图3所示：首先将待测时间间隔信号Tx和计数时钟分解成T1、T2、T12三部分，Tr为计数时钟周期；
则，Tx可根据下式计算：
Tx＝T1+T12－T2
式中：T1－开始脉冲上升沿到其后的第二个时钟上升沿的时间间隔，Tr≤T1≤2Tr；
T2－结束脉冲上升沿到其后的第二个时钟上升沿的时间间隔，Tr≤T2≤2T；
T12－T1结束到T2结束的时间间隔，其范围是Tr的N倍(N为“0”或正整数)
其中，T12可通过计数法准确测量；T1和T2是需要进行模拟内插的部分，需通过时间/电压转换，再经过A/D转换电路进行间接测量。
时间间隔分解单元由CPLD电路实现，将待测时间间隔Tx脉冲进行分解，并实现上述T1、T2、T12信号与计数时钟的同步。之所以没有选择开始信号到其后的第一个计数时钟上升沿的时间作为T1，是因为如果时间间隔太小(0≤T1≤Tr，例如T1≤2ns)，这么小的时间间隔将难以用实际的脉冲宽度来实现，而无法用作门控信号。然而，如果以其后的第二个时钟上升沿结束，此时Tr≤T1≤2Tr，T1的脉冲宽度很容易用普通的电路实现，从而利用内插电路测量。
本发明的时间间隔测量模块的结构示意框图如图4所示。
时间间隔测量模块中，
STAR信号分成两路，一路START_start进入细测模块，一路START进入延时模块；STOP信号分成两路，一路STOP_start进入细测模块，一路STOP进入延时模块。
START信号经过延时模块后形成START_stop信号，START_stop分成两路分别进入粗测模块和细测模块，粗测模块主要完成判断信号上升沿到达的先后顺序，以及用直接计数法测量延时信号间的时间间隔，测量结果由SPI通信模块发送到处理器模块中。同时，START_start和START_stop进入细测，测量数据也由SPI接口传入处理器中处理。
STOP信号经过延时模块后形成STOP_stop信号，STOP_stop分成两路分别进入粗测模块和细测模块，粗测模块主要完成判断信号上升沿到达的先后顺序，以及用直接计数法测量延时信号间的时间间隔，测量结果由SPI通信模块发送到处理器模块中。同时，START_start和START_stop进入细测，测量数据也由SPI接口传入处理器中处理。
处理器在接收齐三组数据后，进行处理数据，计算结果由串口传送出来。
测量时，两路被测信号输入精密时间间隔测量电路，经过延时模块后延时后，分成两路分别进入粗测模块和细测模块；粗测模块主要完成判断信号上升沿到达的先后顺序，以及用直接计数法测量延时信号间的时间间隔两个功能，测量结果由SPI通信模块发送到处理器中；同时两个被测信号分别与各自的延时信号构成两组START-STOP信号，进入两个TDC-GP21中细测，测量数据也由SPI接口传入处理器中处理；处理器在接收齐三组数据后，进行处理数据，计算结果由串口传送到主控机端作显示和处理。
上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种时频计量设备，其特征在于，包括：
GPS/北斗卫星接收机，外接GPS/北斗天线；
时间间隔测量模块，其输入端与所述GPS/北斗卫星接收机的输出端相连；
第一锁相环路，其输入端与所述时间间隔测量模块的输出端相连；
铷原子钟，其输入端与所述第一锁相环路的输出端相连，铷原子钟的输出端与所述时间间隔测量模块的输入端相连；
高稳石英晶体振荡器，其输入端与所述铷原子钟的输出端相连；
第二锁相环路，其输入端与所述铷原子钟的输出端相连，第二锁相环路的输出端与所述高稳石英晶体振荡器的输入端相连；
倍频功分电路，其输入端与所述高稳石英晶体振荡器的输出端相连；
电源模块，分别与第一锁相环路、第二锁相环路、铷原子钟、高稳石英晶体振荡器、倍频功分电路电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种时频计量设备，其特征在于，第一锁相环路与第二锁相环路的结构相同。
3.根据权利要求2所述的一种时频计量设备，其特征在于，所述第一锁相环路包括：
鉴相器，用于检测输入信号相位θi(t)和输出信号的相位θo(t)，并将其转换为电压控制信号ud(t)，ud(t)的表达式为：
ud(t)＝ui(t)-uo(t)，其中：
ui(t)为输入电压，uo(t)为输出电压；
为鉴相器的增益，单位为V/rad；
低通滤波器，其输入端与所述鉴相器的输出端相连，用于滤除电压控制信号ud(t)中的高频分量和噪声，滤波后剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uc(t)；
压控振荡器，其输入端与所述低通滤波器的输出端相连，受滤除后的电压控制信号ud(t)控制作用，牵引压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，最终使输出信号与输入信号频率相等。
4.根据权利要求1所述的一种时频计量设备，其特征在于，时间间隔测量模块包括处理器模块、两个细测模块、SPI通信模块、粗测模块和两个信号延时模块，
每个信号延时模块的输出端分别与一细测模块的输入端、粗测模块的输入端相连；
粗测模块的输出端与SPI通信模块的输入端相连；
所述理器模块分别与SPI通信模块、两个细测模块通信互联。
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钱志文: "《通信电子线路》", 30 June 2018 *

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