CN109709393A

CN109709393A - 基于时域信号频率稳定度测量的装置

Info

Publication number: CN109709393A
Application number: CN201811521555.5A
Authority: CN
Inventors: 雷海东
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2019-05-03

Abstract

本发明公开了一种基于时域信号频率稳定度测量的装置，属于频率稳定度测量技术领域，包括第一隔离放大器、第二隔离放大器、第一DDS分频单元、第二DDS分频单元、精密时间测量模块、锁存器单元、单片机、走时计数单元、精密时间间隔测量单元和PC端，第一隔离放大器用于处理参考时钟信号；第二隔离放大器用于处理被测信号；第一DDS分频单元用于对所述参考时钟信号进行DDS分频处理；第二DDS分频单元用于对所述被测信号进行DDS分频处理；单片机用于信号的控制和数据处理。本发明达到可以在保持现有测量方法特性的基础上，能够提高测量的精度以及测量频率范围，以一种更轻便、直观的方法来满足工程任务对时域信号频率稳定度测量的要求的技术效果。

Description

基于时域信号频率稳定度测量的装置

技术领域

本发明属于频率稳定度测量技术领域，特别涉及一种基于时域信号频率稳定度测量的装置。

背景技术

频率稳定度是衡量一台时钟信号源输出频率信号稳定性的重要指标，在时域上，时钟信号频率随时间的变化，可将频率量视为时间t的连续函数，用f(t)表示。f(t)也代表了时间t时的瞬时频率。实际上，由于测量上的困难，瞬时频率只是一种理论上的概念，因为所有测量以及涉及的频率稳定度都需要一定的采样时间，测量结果则为该采样时间内的平均频率。在时间轴上以某个时刻t₀为起始点，连续地对被测信号进行采样，各采样计数值fi与相应时间点ti相对应。则可得到采样时间内的平均频率值。当时间趋于无限小时即可得到各时间点的瞬时频率值。

对于基于时域信号频率稳定度测量的技术而言，常用数字频率测量方法是在给定的采样时间(即闸门时间)内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。这种测量方法的测量精度取决于闸门时间和被测信号频率。当被测信号频率较低时或者闸门时间取得较小时，将产生较大误差。利用被测频率信号的沿作为触发计数与结束计数的“等精度测量”方法，因为每次在闸门时间T内的开始与结束采样计数都是以被测信号的沿作为标准，故在一定程度上提高了测量的精度，且测量精度与被测频率信号频率大小无关。而对于那些高稳定度、高频率的时钟频率源来说，需要更进一步的改进测量的技术。

综上所述，在现有的基于时域信号频率稳定度测量的技术中，存在着在无法在保持现有测量方法特性的基础上，提高测量的精度以及测量频率范围，以一种更轻便、直观的方法来满足工程任务对时域信号频率稳定度测量的要求的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在现有的基于时域信号频率稳定度测量的技术中，存在着在无法在保持现有测量方法特性的基础上，提高测量的精度以及测量频率范围，以一种更轻便、直观的方法来满足工程任务对时域信号频率稳定度测量的要求的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于时域信号频率稳定度测量的装置，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置包括第一隔离放大器，所述第一隔离放大器用于处理参考时钟信号；第二隔离放大器，所述第二隔离放大器用于处理被测信号；第一DDS分频单元，所述第一DDS分频单元和所述第一隔离放大器相通，所述第一DDS分频单元用于对所述参考时钟信号进行DDS分频处理；第二DDS分频单元，所述第二DDS分频单元和所述第二隔离放大器相通，所述第二DDS分频单元用于对所述被测信号进行DDS分频处理；精密时间测量模块，所述精密时间测量模块分别和所述第一隔离放大器、所述第二隔离放大器相通；锁存器单元，所述锁存器单元用于计数的锁存；单片机，所述单片机和所述精密时间测量模块、所述第一DDS分频单元、所述锁存器单元相通，所述单片机用于信号的控制和数据处理；走时计数单元，所述走时计数单元分别和所述第一DDS分频单元、第二DDS分频单元、所述单片机、所述锁存器单元相通，所述走时计数单元用于对所述参考时钟信号和所述被测信号的相位差在所述精密时间测量模块本身固有的最小分辩率测量精密下相差最小时，对所述参考时钟信号和所述被测信号进行计数；精密时间间隔测量单元，所述精密时间间隔测量单元分别和所述第一隔离放大器、所述单片机、所述第二隔离放大器相通，所述精密时间间隔测量单元用于判断此时刻一组所述参考时钟信号上升沿与所述被测信号上升沿具体的时间差值是否达到模块固有最小分辨率测量精度，从而通过所述单片机使能相应的计数器进行工作；PC端，所述PC端和所述单片机相通，所述PC端用于设置软件参数，并输出所述被测频率信号的测量结果。

进一步地，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置包括所述精密时间间隔测量单元采用TDC-GP1模块。

进一步地，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置包括所述第二DDS分频单元包括：第二DDS模块，所述第二DDS模块对所述被测信号进行1/100分频处理，经所述第二DDS模块得到的1/100分频率信号。

进一步地，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括第一走时计数器，所述经所述第二DDS模块得到的1/100分频率信号后，传递至所述第一走时计数器进行粗频率测量。

进一步地，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括第一锁存器，所述单片机读取所述第一锁存器对所述第一走时计数器取样的数值后，记录下此时的频率数值，乘以100后得到所述被测信号的粗频率值F。

进一步地，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括第三隔离放大器，所述第三隔离放大器用于处理被测信号。

进一步地，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括第三DDS模块，所述第三DDS模块和所述第三隔离放大器相通，所述第三DDS模块用于对所述被测信号进行DDS分频处理。

进一步地，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括低通滤波模块，所述低通滤波模块和所述第三DDS模块相通，所述第三DDS模块位于所述低通滤波模块和所述单片机之间。

进一步地，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括第三走时计数器，所述第三走时计数器和所述单片机相通，所述被测信号的另一路经过所述第三隔离放大器后，传递至所述第三隔离放大器的外部时钟输入端，以作为所述第三走时计数器工作时的参考时钟。

进一步地，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括所述传递至所述第三隔离放大器的外部时钟输入端的所述被测信号，通过所述第三DDS模块后得到1MHz的频率信号，并将所述1MHz的频率信号传递至所述低通滤波模块后得到最终的1MHz频率信号来输出。

有益效果：

本发明提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置，通过第一隔离放大器用于处理参考时钟信号；第二隔离放大器用于处理被测信号；第一DDS分频单元和所述第一隔离放大器相通，所述第一DDS分频单元用于对所述参考时钟信号进行DDS分频处理；第二DDS分频单元和所述第二隔离放大器相通，所述第二DDS分频单元用于对所述被测信号进行DDS分频处理；精密时间测量模块分别和所述第一隔离放大器、所述第二隔离放大器相通；锁存器单元用于计数的锁存；单片机和所述精密时间测量模块、所述第一DDS分频单元、所述锁存器单元相通，所述单片机用于信号的控制和数据处理；走时计数单元分别和所述第一DDS分频单元、第二DDS分频单元、所述单片机、所述锁存器单元相通，所述走时计数单元用于对所述参考时钟信号和所述被测信号的相位差在所述精密时间测量模块本身固有的最小分辩率测量精密下相差最小时，对所述参考时钟信号和所述被测信号进行计数；精密时间间隔测量单元分别和所述第一隔离放大器、所述单片机、所述第二隔离放大器相通，所述精密时间间隔测量单元用于判断此时刻一组所述参考时钟信号上升沿与所述被测信号上升沿具体的时间差值是否达到模块固有最小分辨率测量精度，从而通过所述单片机使能相应的计数器进行工作；PC端和所述单片机相通，所述PC端用于设置软件参数，并输出所述被测频率信号的测量结果。从而达到可以在保持现有测量方法特性的基础上，能够提高测量的精度以及测量频率范围，以一种更轻便、直观的方法来满足工程任务对时域信号频率稳定度测量的要求的技术效果。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的等精度计数测量原理图；

图2为本发明实施例提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的等精度测量误差产生原理图；

图3为本发明实施例提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的示意图1；

图4为本发明实施例提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的TDC－GP1测量单元图；

图5为本发明实施例提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的示意图2；

图6为本发明实施例提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的示意图3；

图7为本发明实施例提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的示意图4。

具体实施方式

本发明公开了一种基于时域信号频率稳定度测量的装置，通过第一隔离放大器用于处理参考时钟信号；第二隔离放大器用于处理被测信号；第一DDS分频单元和所述第一隔离放大器相通，所述第一DDS分频单元用于对所述参考时钟信号进行DDS分频处理；第二DDS分频单元和所述第二隔离放大器相通，所述第二DDS分频单元用于对所述被测信号进行DDS分频处理；精密时间测量模块分别和所述第一隔离放大器、所述第二隔离放大器相通；锁存器单元用于计数的锁存；单片机和所述精密时间测量模块、所述第一DDS分频单元、所述锁存器单元相通，所述单片机用于信号的控制和数据处理；走时计数单元分别和所述第一DDS分频单元、第二DDS分频单元、所述单片机、所述锁存器单元相通，所述走时计数单元用于对所述参考时钟信号和所述被测信号的相位差在所述精密时间测量模块本身固有的最小分辩率测量精密下相差最小时，对所述参考时钟信号和所述被测信号进行计数；精密时间间隔测量单元分别和所述第一隔离放大器、所述单片机、所述第二隔离放大器相通，所述精密时间间隔测量单元用于判断此时刻一组所述参考时钟信号上升沿与所述被测信号上升沿具体的时间差值是否达到模块固有最小分辨率测量精度，从而通过所述单片机使能相应的计数器进行工作；PC端和所述单片机相通，所述PC端用于设置软件参数，并输出所述被测频率信号的测量结果。从而达到可以在保持现有测量方法特性的基础上，能够提高测量的精度以及测量频率范围，以一种更轻便、直观的方法来满足工程任务对时域信号频率稳定度测量的要求的技术效果。

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，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；其中本实施中所涉及的“和/或”关键词，表示和、或两种情况，换句话说，本发明实施例所提及的A和/或B，表示了A和B、A或B两种情况，描述了A与B所存在的三种状态，如A和/或B，表示：只包括A不包括B；只包括B不包括A；包括A与B。

同时，本发明实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本发明实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。

请参见图1、图2、图3、图4、图7，图1为本发明实施例提供的一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的等精度计数测量原理图；图2是本发明实施例提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的等精度测量误差产生原理图；图3是本发明实施例提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的示意图1；图4是本发明实施例提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的TDC－GP1测量单元图。本发明实施例提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置，所述一种基于时域信号频率稳定度测量的装置包括第一隔离放大器、第二隔离放大器、第一DDS分频单元、第二DDS分频单元、精密时间测量模块、锁存器单元、单片机、走时计数单元、精密时间间隔测量单元和PC端。现分别对第一隔离放大器、第二隔离放大器、第一DDS分频单元、第二DDS分频单元、精密时间测量模块、锁存器单元、单片机、走时计数单元、精密时间间隔测量单元和PC端进行以下详细说明：

对于第一隔离放大器和第二隔离放大器而言：

第一隔离放大器用于处理参考时钟信号；第二隔离放大器用于处理被测信号。

请继续参见图1。第一隔离放大器可以是指隔离放大器1。第二隔离放大器可以是指隔离放大器2。频率稳定度是衡量一台时钟信号源输出频率信号稳定性的重要指标，在时域上，时钟信号频率随时间的变化，可将频率量视为时间t的连续函数，用f(t)表示。f(t)也代表了时间t时的瞬时频率。实际上，由于测量上的困难，瞬时频率只是一种理论上的概念，因为所有测量以及涉及的频率稳定度都需要一定的采样时间，测量结果则为该采样时间内的平均频率。在时间轴上以某个时刻t₀为起始点，连续地对被测信号进行采样，各采样计数值f_i与相应时间点t_i相对应。则可得到采样时间内的平均频率值。当时间趋于无限小时即可得到各时间点的瞬时频率值。对于用式(1)阿仑方差：以及式(2)哈达玛方差：表征的时域频率稳定度来说，需要设计相应的频率测量装置对被测信号进行监测，从而得到相应采样时间T内对应的频率值，进一步通过方差计算相应的频率稳定度。式中τ为采样时间与采样周期，表明阿仑方差是无间隙采样，f_k为采样时间内相应的差频值，N为测量次数。τ为取样时间，y_k为每个取样时间测得的相应差频值，m为测量次数。

常用数字频率测量方法是在给定的采样时间(即闸门时间)内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。这种测量方法的测量精度取决于闸门时间和被测信号频率。当被测信号频率较低时或者闸门时间取得较小时，将产生较大误差。后来人们提出了利用被测频率信号的沿作为触发计数与结束计数的“等精度测量”方法，因为每次在闸门时间T内的开始与结束采样计数都是以被测信号的沿作为标准，故在一定程度上提高了测量的精度，且测量精度与被测频率信号频率大小无关。

预置闸门信号(宽度为T)在高电平期间，被测信号第一个脉冲的上升沿，使计数器使能端有效，并分别对参考时基和被测信号计数，当T秒后，预置闸门低电平到来时，此时两计数器并没有停止计数，一直等到随后而至的被测信号的上升沿到来时两计数器同时关闭。这里使能信号(实际闸门信号)的时间宽度，恰好等于被测信号的完整周期数，这正是确保被测信号在任何频率条件下都能保持恒定精度的关键。

如图1所示的等精度测量中，设被测信号的频率为Fx，参考时基的频率为fo，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，则有式(3)：由式(3)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。由于采用了等精度测量法，故对被测信号的计数值N₁不会引入±1误差，即在一个以被测信号沿作为触发开始计数与结束计数标准的实际闸门采样时间宽度内，对被测信号的计数值完全等于其完整周期。而计数值N₂在按照图6所示的测量方案时，是会引入误差的，其误差产生的机理如图2所示。当闸门信号触发沿脉冲到来时，等待下一个被测信号的上升沿，此时刻使能相应计数器进行“开始计数”与“结束计数”操作。由图7可知，使能计数器时刻点A和B与参考时基信号的下一个沿脉冲到来存在着时间差△t₁，△t₂，其具体差值的大小取决于被测信号与参考时基信号在A时刻或B时刻的相位差值，并且其大小也不是一个恒定的固定相位差关系，这就会导致在每次采样时存在着不同的误差，这亦是产生计数误差的原因。对于那些高稳定度、高频率的时钟频率源来说，需要更进一步的改进测量的方法，将时间差△t₁，△t₂减小到最小值甚至为0，以提高其测量精度。

对于第一DDS分频单元和第二DDS分频单元而言：

第一DDS分频单元和所述第一隔离放大器相通，所述第一DDS分频单元用于对所述参考时钟信号进行DDS分频处理；第二DDS分频单元和所述第二隔离放大器相通，所述第二DDS分频单元用于对所述被测信号进行DDS分频处理。请参见图4。第一DDS分频单元可以是指DDS分频单元1。第二DDS分频单元可以是指DDS分频单元2。

本发明目的是这样实现的：在时域频率信号稳定度测量中，参考用频率源信号通常采用10MHz时钟信号作为标准参考输入，并且参考源信号的频率输出可看作为一个较稳定的时钟源，通过对稳定的参考源时钟信号作数字合成分频技术，可以得到标准的采样时间周期信号。对于被测信号来说，人们关心的是频率稳定度测量环节中被测信号的频率范围，为拓宽整个测量装置的应用范围，满足高频信号测量的需求，在保证被测信号源固有稳定度不受影响的前提下，发明中引入了现行比较成熟的DDS芯片及技术，是根据奈奎斯特取样，从连续信号的相位出发将信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表，存在EPROM中。合成时，通过改变相位累加器的频率控制字，来改变相位增量，相位增量不同将导致一周内的取样点数的不同。因角频率在取样频率不变的情况下，通过改变相位累加器的频率控制字，将这种变化的相位/幅值量化成数字信号，通过D/A变换及低通滤波器即可得到人们需要的综合信号。因为其良好的输入输出信噪比，被测信号通过DDS处理之后，可得到稳定度与原被测信号相同且频率较低的信号。由于方案中是将较高频率的原被测信号分频转化为较低频率的被测信号，在DDS芯片使用上没有采用其内部的PLL倍频模块功能，故在DDS输出端可以获得更佳的信噪比输出。且对于那些准确度不高的被测频率信号(如10.123456789MHz)，经过DDS的分频后，可以得到非常精确的周期信号(如1.000000000MHz)。

为提高整个测量的精度，在“等精度测量”方法的基础上，引入精密时间测量模块，当周期采样信号开始/结束，对被测信号及参考信号开始/结束计数时，先判断两路信号的相位关系，使周期采样信号到来后的下一个被测信号和参考信号的上升沿尽量重合，当两个脉冲的上升沿时间差为ns量级时，传统的测量脉冲宽度的脉冲计数法已不再适用。这是因为要测的脉冲越窄，所需要的时钟频率就愈高，对芯片的性能要求也越高。本发明装置中引入了TDC-GP1模块，它是利用信号通过逻辑门电路的绝对传输时间提出了一种新的时间间隔测量方法，测量原理如图4所示。START信号和STOP信号之间的时间间隔由非门的个数来决定，而非门的传输时间可以由集成电路工艺精确地确定。

在选用的TDC-GP1模块内，通过其判断此时刻一组参考时钟信号(START)上升沿与被测信号(STOP)上升沿具体的时间差值是否达到最小的分辨率范围内，即参考时钟信号与被测信号此时刻相位差最小时，从而通过单片机使能相应的计数器进行工作，最终使在整个采样周期范围内的被测信号和参考信号的计数器读数尽可能准确，以提高整个频率稳定度测量的精度。方法如下：

步骤1，采用DDS技术对参考信号进行分频处理，从而得到标准的采样时间周期信号。

步骤2，采用DDS技术对被测信号进行分频处理，在保证原被测信号频率稳定度不变的前提下，一方面通过数字分频技术降低被测信号的频率，满足拓宽被测信号频率范围的目的；另一方面通过数字分频处理后，可以得到频率非常准确的被测时钟信号。

步骤3，在“等精度测量”方法的基础上，为更进一步地提高测量精度，引入精密时间测量模块，在周期采样时钟信号沿到来时，根据精密时间测量模块固有的最小分辨率测量范围来判断被测信号与参考时钟信号此时刻的最佳相位差，从而使能相应的计数器工作。

对于精密时间测量模块、单片机、走时计数单元、精密时间间隔测量单元、PC端而言：

精密时间测量模块分别和所述第一隔离放大器、所述第二隔离放大器相通；锁存器单元用于计数的锁存；单片机和所述精密时间测量模块、所述第一DDS分频单元、所述锁存器单元相通，所述单片机用于信号的控制和数据处理；走时计数单元分别和所述第一DDS分频单元、第二DDS分频单元、所述单片机、所述锁存器单元相通，所述走时计数单元用于对所述参考时钟信号和所述被测信号的相位差在所述精密时间测量模块本身固有的最小分辩率测量精密下相差最小时，对所述参考时钟信号和所述被测信号进行计数。

精密时间间隔测量单元分别和所述第一隔离放大器、所述单片机、所述第二隔离放大器相通，所述精密时间间隔测量单元用于判断此时刻一组所述参考时钟信号上升沿与所述被测信号上升沿具体的时间差值是否达到模块固有最小分辨率测量精度，从而通过所述单片机使能相应的计数器进行工作；PC端和所述单片机相通，所述PC端用于设置软件参数，并输出所述被测频率信号的测量结果。

本发明实施例提供的一种基于时域信号频率稳定度测量的装置还可以包括所述第二DDS分频单元包括第二DDS模块，所述第二DDS模块对所述被测信号进行1/100分频处理，经所述第二DDS模块得到的1/100分频率信号。经所述第二DDS模块得到的1/100分频率信号后，传递至所述第一走时计数器进行粗频率测量。所述单片机读取所述第一锁存器对所述第一走时计数器取样的数值后，记录下此时的频率数值，乘以100后得到所述被测信号的粗频率值F。所述第三隔离放大器用于处理被测信号。所述第三DDS模块和所述第三隔离放大器相通，所述第三DDS模块用于对所述被测信号进行DDS分频处理。所述低通滤波模块和所述第三DDS模块相通，所述第三DDS模块位于所述低通滤波模块和所述单片机之间。所述第三走时计数器和所述单片机相通，所述被测信号的另一路经过所述第三隔离放大器后，传递至所述第三隔离放大器的外部时钟输入端，以作为所述第三走时计数器工作时的参考时钟。所述传递至所述第三隔离放大器的外部时钟输入端的所述被测信号，通过所述第三DDS模块后得到1MHz的频率信号，并将所述1MHz的频率信号传递至所述低通滤波模块后得到最终的1MHz频率信号来输出。

请参见图5和图6，图5是本发明实施例提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的示意图2；图6是本发明实施例提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的示意图3。第二DDS模块可以是指DDS2。第一走时计数器可以是指走时计数器1。第一锁存器可以是指锁存器1。第三隔离放大器可以是指隔离放大器3。第三DDS模块可以是指DDS3。低通滤波模块可以是指滤波。第三走时计数器可以是指走时计数器3。PC端可以是指PC。精密时间间隔测量单元可以是指精密时间间隔测量。精密时间测量模块可以是指精密时间测量。具体步骤如下：

步骤1，参考频率信号f₀经过隔离放大器1后被送至DDS的外时钟输入端，作为DDS工作外部参考时钟，同时DDS的外部通讯端口连接至单片机，用以接受来自单片机的控制字命令及双向的数据传输。实际选用的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，具体计算的方法是如式(4)：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，分频数值D应为2⁴⁸×10^-7或2⁴⁸×10^-8。具体的采样时间T是用户根据实际采样过程中的需要而通过PC端软件设置的，而分频数值是单片机通过RS232串行接口与PC端通讯得到用户设置的采样时间T后，运用公式(4)计算得到。单片机根据DDS相应的串行通讯时序，将分频数值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。

步骤2，被测频率信号f_x经过隔离放大器3后分别送至两路DDS处理模块。当被测信号频率为上百兆甚至几百兆赫兹时，考虑到走时计数器对被测频率范围的限制，在本发明中设计其中一路DDS2模块对被测频率信号进行1/100分频处理。被测信号经隔离放大器3后直接送入DDS2的外部时钟输入端，作为DDS2工作时的参考时钟。DDS的外部通讯端口连接至单片机，单片机根据式(4)得到的2⁴⁸×10^-2分频数值通过串行通讯时序写入DDS2缓存区，经DDS2得到的1/100分频率信号后，送至走时计数器1进行粗频率测量，单片机读取锁存器1对走时计数器1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器3的被测信号被送至DDS3的外部时钟输入端，作为DDS3工作时的参考时钟。同时DDS3的外部通讯端口连接至单片机，单片机根据式(4)计算得到与DDS3通讯用的分频数值：其中F为通过走时计数器1计数、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DDS3缓存区，经DDS3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。

请参见图7，图7是本发明实施例提供一种基于时域信号频率稳定度测量的装置的示意图4。被测频率信号经过DDS分频单元2处理后得到的1MHz频率信号与10MHz参考时钟信号分别送至精密时间间隔测量模块，具体的是送至相应时间处理芯片的STOP1与START引脚端。单片机依据参考时钟信号经DDS分频单元1处理后得到的采样时间信号T的上升沿使能精密时间间隔模块对STOP1与START两路频率信号进行相位测量，并将测量结果传送给单片机处理，根据精密时间间隔测量模块的最小分辨率测量范围来判断一组STOP1与START频率信号的上升沿是否达到最小的时间差，即图7中被测信号与参考时钟信号此时时间差△t₁，△t₂最小，随后单片机停止精密时间间隔模块的测量工作，并使能走时计数器1和走时计数器2开始计数工作。当单片机检测到采样时间信号T的下降沿到来时，又一次使能精密时间间隔测量模块对STOP1与START两路频率信号进行相位测量，当判断两路信号此时刻的时间差△t₁，△t₂最小时，单片机停止精密时间间隔测量模块的测量工作，并使能锁存器2和锁存器3分别对走时计数器2和走时计数器3的计数值进行锁存，同时通过单片机使走时计数器2和走时计数器3清零后并使能新一轮的采样计数。在完整的一个采样周期T内，锁存器2和锁存器3保存的走时计数器2和走时计数器3的读数值N₁、N₂传递给单片机，单片机通过RS232串行接口将测量结果N₁、N₂传递到PC机端，PC端软件依据公式(3)得到相应的被测信号实时频率值y₁、y₂……yi(i＝1、2、3……n-1，n为正整数)。同时在PC端利用Visual Bas ic编程环境及DirectX图形处理技术将测量结果及实时的被测信号测量曲线显示在屏幕上。被测信号频率稳定度的计算结果是根据式(1)阿仑方差或者式(2)哈达玛方差得到的。需要说明的是，将测量得到的实时频率值运用公式(1)或(2)具体的计算频率稳定度时，需要在结果中除以被测信号实时频率的平均值的计算方法是将n个采样周期T内的被测信号的频率值做加法平均。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于时域信号频率稳定度测量的装置，其特征在于，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置包括：

第一隔离放大器，所述第一隔离放大器用于处理参考时钟信号；

第二隔离放大器，所述第二隔离放大器用于处理被测信号；

第一DDS分频单元，所述第一DDS分频单元和所述第一隔离放大器相通，所述第一DDS分频单元用于对所述参考时钟信号进行DDS分频处理；

第二DDS分频单元，所述第二DDS分频单元和所述第二隔离放大器相通，所述第二DDS分频单元用于对所述被测信号进行DDS分频处理；

精密时间测量模块，所述精密时间测量模块分别和所述第一隔离放大器、所述第二隔离放大器相通；

锁存器单元，所述锁存器单元用于计数的锁存；

单片机，所述单片机和所述精密时间测量模块、所述第一DDS分频单元、所述锁存器单元相通，所述单片机用于信号的控制和数据处理；

走时计数单元，所述走时计数单元分别和所述第一DDS分频单元、第二DDS分频单元、所述单片机、所述锁存器单元相通，所述走时计数单元用于对所述参考时钟信号和所述被测信号的相位差在所述精密时间测量模块本身固有的最小分辩率测量精密下相差最小时，对所述参考时钟信号和所述被测信号进行计数；

精密时间间隔测量单元，所述精密时间间隔测量单元分别和所述第一隔离放大器、所述单片机、所述第二隔离放大器相通，所述精密时间间隔测量单元用于判断此时刻一组所述参考时钟信号上升沿与所述被测信号上升沿具体的时间差值是否达到模块固有最小分辨率测量精度，从而通过所述单片机使能相应的计数器进行工作；

PC端，所述PC端和所述单片机相通，所述PC端用于设置软件参数，并输出所述被测频率信号的测量结果。

2.如权利要求1所述基于时域信号频率稳定度测量的装置，其特征在于，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置包括：

所述精密时间间隔测量单元采用TDC-GP1模块。

3.如权利要求2所述基于时域信号频率稳定度测量的装置，其特征在于，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置包括：

所述第二DDS分频单元包括：第二DDS模块，所述第二DDS模块对所述被测信号进行1/100分频处理，经所述第二DDS模块得到的1/100分频率信号。

4.如权利要求3所述基于时域信号频率稳定度测量的装置，其特征在于，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括：

第一走时计数器，所述经所述第二DDS模块得到的1/100分频率信号后，传递至所述第一走时计数器进行粗频率测量。

5.如权利要求4所述基于时域信号频率稳定度测量的装置，其特征在于，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括：

第一锁存器，所述单片机读取所述第一锁存器对所述第一走时计数器取样的数值后，记录下此时的频率数值，乘以100后得到所述被测信号的粗频率值F。

6.如权利要求5所述基于时域信号频率稳定度测量的装置，其特征在于，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括：

第三隔离放大器，所述第三隔离放大器用于处理被测信号。

7.如权利要求6所述基于时域信号频率稳定度测量的装置，其特征在于，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括：

第三DDS模块，所述第三DDS模块和所述第三隔离放大器相通，所述第三DDS模块用于对所述被测信号进行DDS分频处理。

8.如权利要求7所述基于时域信号频率稳定度测量的装置，其特征在于，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括：

低通滤波模块，所述低通滤波模块和所述第三DDS模块相通，所述第三DDS模块位于所述低通滤波模块和所述单片机之间。

9.如权利要求8所述基于时域信号频率稳定度测量的装置，其特征在于，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括：

第三走时计数器，所述第三走时计数器和所述单片机相通，所述被测信号的另一路经过所述第三隔离放大器后，传递至所述第三隔离放大器的外部时钟输入端，以作为所述第三走时计数器工作时的参考时钟。

10.如权利要求9所述基于时域信号频率稳定度测量的装置，其特征在于，所述基于时域信号频率稳定度测量的装置还包括：

所述传递至所述第三隔离放大器的外部时钟输入端的所述被测信号，通过所述第三DDS模块后得到1MHz的频率信号，并将所述1MHz的频率信号传递至所述低通滤波模块后得到最终的1MHz频率信号来输出。