CN113093510B - 一种时钟频率信号误差测量仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种时钟频率信号误差测量仪及方法，包括以下步骤：时钟基准信号输出端发出标准时钟信号，被测时钟的信号源发出被测时钟信号；标准时钟信号作为一路输入信号，被测时钟信号作为另一路输入信号，两路信号输入和差化积模块完成叠加求和运算，并转化为乘积形式，输出时钟信号的误差值，实现时钟误差的精密测量。

Description

一种时钟频率信号误差测量仪及方法

技术领域

本发明涉及时钟误差测量领域，具体为一种时钟频率信号误差测量仪及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着科学技术的快速发展，计算机、物联网设备、通信设备、测量设备和计时器等设备的时钟信号的精确度要求越来越高，时钟频率也随之提高，特别是专业计时器的信号源已从低频电子信号逐步发展到高频、超高频、特高频、微波以及光波频率，频率提高，区分时间的微小分辨率才能提高。

当频率提高到一定程度，组成计时器的各个部件都会受到高频率的影响，构成的系统也存在系统误差，系统误差通常需要采取补偿的方式才能确保其输出的结果准确可用，例如解决原子钟误差的补偿技术，在原子钟误差在补偿之前，必须能够快速、方便测量到原子钟的误差值，然后才能补偿。而目前，时钟信号精度越来越高，测量其误差值的设备精度要求随之提高，目前的技术无法满足要求。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供时钟频率信号误差测量仪及测量方法，输入标准时钟信号和被测时钟信号利用和差化积模块完成调幅模式，使得振幅被调制，检出包络波，经倍频后测量时钟信号的误差值。

本发明的第一个方面提供时钟频率信号误差测量方法，包括以下步骤：

基准时钟信号源发出标准时钟信号，被测时钟信号源发出被测时钟信号；

标准时钟信号作为一路输入信号，被测时钟信号作为另一路输入信号，上述两路信号输入和差化积模块完成叠加求和运算，并转化为乘积形式，输出时钟信号的误差值。

和差化积模块功能：输入两路时钟信号，输出乘积模式的电信号，完成调幅模式，振幅被调制，出现包络波。波的频率是两个输入频率的均值，振幅变化的包络波变化频率是两个输入波差值的一半，波形式与调幅广播的已调制波雷同。

本发明的第二个方面提供基于上述时钟频率信号误差测量方法搭建的装置，

包括基准信号输出端、被测信号输出端和和差化积模块；基准信号输出端输出标准时钟信号经放大后传输给和差化积模块，被测信号输出端输出被测信号经放大后传输给和差化积模块，和差化积模块接收两部分信号完成叠加求和运算，输出时钟信号的误差值。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

利用调幅广播机理实现时钟误差的精密测量，测量精度高、测量成本低、易操作，且稳定性高。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的时钟频率信号误差测量仪和差化积模块原理图；

图2(a)-(c)是本发明一个或多个实施例提供的调幅广播信号调制原理图；

图3(a)-(c)是本发明一个或多个实施例提供的利用调幅测量时钟信号频率误差的波形变化原理图。

具体实施方式

以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术中所描述的，时钟信号频率提高到一定程度，组成计时器的各个部件都会产生影响，构成的系统也存在系统误差。例如《基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置及方法》中解决原子钟误差的补偿技术方案，原子钟误差在补偿之前，必须能够快速、方便测量到原子钟的误差，然后才能补偿。

多普勒效应：多普勒效应Doppler effect是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。多普勒效应的内容为：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。多普勒效应指出，波在波源移向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低，上述变化是时钟信号频率产生误差值的一个原因。

以下实施例的目的是提供一种时钟频率信号误差测量仪及方法，其结构简单且能够显著提高时钟信号误差的测量精度。

实施例一：

一种时钟频率信号误差测量方法，包括以下步骤：

采用时钟基准信号输出端输出标准时钟信号作为源信号，由被测时钟的信号源提供被测信号。

标准时钟信号作为一路输入信号，被测时钟信号作为另一路输入信号，上述两路信号输入和差化积模块完成叠加求和运算，并转化为乘积形式，输出时钟信号的误差值。

以下为一种实施方式：

如图1-3所示，标准时钟信号源信号：作为时间定标的、或者说时间衡量标准的时间信号源，提供时间标准信号，以此信号的时间作为时间标准。

x＝Asin(wt-a) (1)

上式中：x--时间标准的时钟信号，认为正弦波，A--标准时钟信号的振幅，W--标准时钟信号的角频率，t--时间，a--标准时钟信号的初始相位角。

标准时钟信号经锁存放大后传输给后续的和差化积模块完成计算。

由被测时钟的信号源提供被测信号：接收被测时钟信号。

y＝Bsin(wt-vt-b) (2)

上式中：y--被测时钟信号，B--被测时钟信号的振幅，w--被测时钟信号的频率，v--与标准信号源的误差值，b--被测时钟信号的初始相位角。

被测时钟信号同样经锁存放大后传输给后续的和差化积模块完成计算。

两路信号输入和差化积模块完成叠加求和运算，并转化为乘积形式，输出调制波，具体为：

原理依据：三角函数的和差化积公式：

sina+sinb＝2sin((a+b)/2)*cos((a-b)/2) (3)

输入两路信号x，y完成和差化积功能：

x+y＝2cos(vt/2+(b-a)/2)*sin(wt-vt/2-(a+b)/2) (4)

和差化积后获得调制波，调制波中包含的包络波的周期就是振幅变化的周期，在调幅广播中，调幅的包络波就是语音信号，即被发送的信号。本实施例利用调幅广播机理实现时钟误差的精密测量，包络波的周期、频率就是时钟信号误差值的二分之一。

检波：接受调制波，检出包络波，去掉载波信号。检波过程在调幅广播信号的接收端，是普通收音机常用的技术。这里将检波过程应用在测量时钟信号误差的过程中。

倍频：由于振幅变化的包络波只反映频率衰减值的一半，因此需要还原频率，倍频完成频率乘2的作用。

显示：显示处理后信号结果：频率、误差值、标准时钟频率、被测时钟频率，以及被测时钟的误差值。

本实施例证明了可以利用调幅广播的机理实现对时钟信号频率误差值的测量，能够应用在大型、先进设备的时钟信号误差测量：如服务器、大型计算机及通信设备等，或是原子钟以及民用时钟的误差测量。

在获得被测时钟的误差值后，利用该误差值完成时钟信号的补偿。例如《基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置及方法》中提出的：

若原子钟电磁波源输出的频率大于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道远离原子钟电磁波源，即沿逆时针方向在频率微调换滑动，由于多普勒效应，使接收到的频率比波源频率低；如果速度适当，正好抵消波源频率偏高基准时钟信号，接收到的电磁波信号频率比波源更接近基准时钟频率，计时精度得到提高。

若原子钟电磁波源输出的频率小于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道靠近原子钟电磁波源，即沿顺时针方向在频率微调换滑动，接近波源。由于多普勒效应，接收到的频率比波源频率高；如果速度适当，正好抵消波源频率偏低基准时钟信号，接收到的电磁波信号频率比波源更接近基准时钟频率，计时精度得到提高。

实施例二：

基于上述时钟频率信号误差测量方法搭建的装置，包括基准信号输出端、被测信号输出端和和差化积模块；

基准信号输出端输出标准时钟信号经放大后传输给和差化积模块，被测信号输出端输出被测信号经放大后传输给和差化积模块，和差化积模块接收两部分信号完成叠加求和运算，输出时钟信号的误差值。

基准信号输出端具有标准时钟信号源信号：作为时间定标的或者说时间衡量标准的时间信号源，以此信号的时间作为时间标准。

被测信号输出端具有被测时钟的信号源，提供被测信号，被测信号由所需的测量点获得并接收被测时钟信号。

第一锁存放大器：接收“标准时钟信号”，给予线性放大，振幅放大，电流放大及功率放大。

第二锁存放大器：接收时钟信号源的正弦波信号，锁存一段稳定的信号，以备测量用，并对信号强度进行放大。

和差化积模块：接收基准信号输出端传输来的标准时钟信号，接收被测信号输出端发来的被测时钟信号，两路信号完成叠加求和运算，并转换成调幅波形式的乘积模式。

和差化积模块功能：输入两路正弦波，输出乘积模式的信号，完成调幅模式。振幅被调制，出现包络波。波的频率是两个输入频率的均值，振幅变化的包络波变化频率是两个输入波差值的一半，波形式与调幅广播的已调制波雷同。

检波模块：接收调制波，检出包络波，去掉载波信号。检波过程在调幅广播信号的接收端，是普通收音机常用的技术。这里将检波过程应用在测量时钟信号误差的过程中。

倍频模块：由于振幅变化的包络波只反映频率衰减值的一半。因此需要还原频率，倍频模块完成频率乘2的作用。

显示模块：显示处理后信号结果：频率、误差值、标准时钟频率、被测时钟频率，以及被测时钟的误差值。

包络波的周期为标准时钟信号频率与被测时钟信号频率的差值，该差值为时钟信号的误差值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种时钟频率信号误差测量方法，其特征在于：包括以下步骤；

基准时钟信号源发出标准时钟信号，被测时钟信号源发出被测时钟信号；

标准时钟信号作为一路输入信号，被测时钟信号作为另一路输入信号，两路信号输入和差化积模块完成叠加求和运算，并转化为乘积形式，输出调制波，得到时钟信号的误差值；

具体的：依据三角函数的和差化积公式，输入两路信号x，y完成和差化积：

x+y＝2cos(vt/2+(b-a)/2)*sin(wt-vt/2-(a+b)/2)

其中，x为时间标准的时钟信号，y为被测时钟信号，w为被测时钟信号的频率，v为与标准信号源的误差值，t为时间，a为标准时钟信号的初始相位角，b为被测时钟信号的初始相位角；

和差化积后获得调制波，调制波中包含包络波，包络波的周期和频率为时钟信号误差值的二分之一。

2.基于权利要求1所述方法的一种时钟频率信号误差测量仪，其特征在于：包括基准信号输出端、被测信号输出端和和差化积模块；基准信号输出端输出标准时钟信号经放大后传输给和差化积模块，被测信号输出端输出被测信号经放大后传输给和差化积模块，和差化积模块接收两部分信号输出时钟信号的误差值。

3.如权利要求2所述的一种时钟频率信号误差测量仪，其特征在于：所述基准信号输出端具有第一锁存放大器。

4.如权利要求3所述的一种时钟频率信号误差测量仪，其特征在于：所述第一锁存放大器接收标准时钟信号，给予线性放大，振幅放大，电流放大及功率放大。

5.如权利要求2所述的一种时钟频率信号误差测量仪，其特征在于：所述被测信号输出端具有第二锁存放大器。

6.如权利要求5所述的一种时钟频率信号误差测量仪，其特征在于：所述第二锁存放大器锁存一段信号并对信号强度进行放大。

7.如权利要求2所述的一种时钟频率信号误差测量仪，其特征在于：所述和差化积模块接收基准信号输出端传输来的标准时钟信号，接收被测信号输出端发来的被测时钟信号，两路信号完成叠加求和运算。

8.如权利要求2所述的一种时钟频率信号误差测量仪，其特征在于：所述和差化积模块还具有检波模块，检波模块接收叠加求和运算处理后获得的调制波，检出包络波。

9.如权利要求8所述的一种时钟频率信号误差测量仪，其特征在于：所述和差化积模块还具有倍频模块，倍频模块接收检波模块传递的包络波还原出包络波的频率。

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