CN113848384A - 一种基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量装置及方法，该方法通过FPGA利用等精度测频法粗测被测时频脉冲的频率fx；DDS根据经过FPGA粗测过的fx自动合成频率fx’；将fx、fx’送入鉴频鉴相器进行鉴频鉴相，然后经电荷泵、低通滤波电路、A/D转换器后送至FPGA，FPGA对鉴频鉴相器得到的频率差处理后传递给DDS，形成负反馈频率测量系统，使得DDS根据频率差测量结果不断调整fx’，直至DDS稳定输出，从而实现对待测时频脉冲的精确测量。本发明在传统等精度测频的基础上，加入鉴频鉴相器模块，并利用负反馈系统的特性，使得频率测量系统的测量精度在等精度测频的基础上提高了5‑10倍，并且提高了频率测量系统的稳定性。

Description

一种基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量装置及方法
技术领域
本发明属于电子测量技术领域的频率信号测量技术，尤其涉及一种基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量装置及方法。
背景技术
高精度频率测量技术是现代电子测量技术中最基本、最重要的测量技术之一，在电子通讯、工业、国防等多个领域均有较为广泛的应用价值。随着科技的发展，对信息传输和处理的要求越来越高，所以需要更高精度的频率测量技术。
由于集成电路的高速发展，电子计数法因其具有测量速度快、测量过程自动化而被广泛应用。目前常用的测量频率的方法是直接计数法，分为M法、T法和M/T法，但是这3种方法都存在±1个字的计数误差问题。为了克服±1个字的计数误差，出现了游标法、相位重合检测法、模拟内插法等其他方法。游标法存在不易设计、高精度只能在短时间内保持等缺点；相位重合检测法虽然能实现高精度测量，但由于需要捕获被测信号和参考信号之间的相位重合点，故其测量闸门的时间不能太短；模拟内插法虽然大幅度提高了测量分辨率，但是存在转换时间过长、线性度较差等缺点。以上这些方法虽然都一定程度上提高了频率测量的精度，但是在实际使用中都存在一定的局限性，如测量稳定性差、闸门时间不确定等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有方案的不足，提供一种基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量装置及方法。本发明在等精度测频的基础上，引入了鉴频鉴相器模块，在闸门时间一定的情况下提高了频率测量的精度，且测量数据直接输出，易于查看。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量装置，包括基准信号模块、倍频模块、FPGA、DDS直接数字频率合成器、鉴频鉴相器和被测时频信号；
所述基准信号模块产生基准信号并分成两路，一路信号连接到FPGA并作为FPGA工作的时钟源，另一路信号连接到倍频模块，对基准信号模块的信号倍频后作为DDS直接数字频率合成器工作的时钟源Fclk。
被测时频信号分成两路信号，一路作为FPGA的初步被测频率，另一路信号连接到鉴频鉴相器，与DDS直接数字频率合成器直接合成的频率信号进行鉴频鉴相。
所述DDS直接数字频率合成器在FPGA的控制下调整输出频率，首先FPGA进行粗测得到被测信号fx，DDS直接数字频率合成器根据其粗测结果，通过频率控制字M合成一个与被测信号fx接近的参考信号fx’；在鉴频鉴相器开启后，DDS直接数字频率合成器在FPGA的控制下，根据被测信号fx和DDS直接数字频率合成器自身合成的信号fx’鉴频鉴相的差值，不断调整DDS直接数字频率合成器的输出频率，直至达到稳定状态，由FPGA输出此时的测量结果。
进一步地，该装置还包括电荷泵、低通滤波器和AD转换器；所述电荷泵接收鉴频鉴相器的输出信号，产生参考信号与被测信号之间相位差的电流输出信号，所述低通滤波与电荷泵的输出连接，将电荷泵输出的电流信号转换为电压信号，并连接到AD转换器将模拟信号转换为数字信号，传递给FPGA；FPGA输出达到稳定状态时的测量结果。
进一步地，所述FPGA包括等精度测频模块、精密测频模块和频率测量处理模块；所述等精度测频模块接收被测时频信号的一路信号，进行粗测得到被测信号fx；所述精密测量模块与鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、AD转换器及DDS直接数字频率合成器组成一个负反馈系统，调整DDS直接数字频率合成器合成的参考信号fx’，直至达到稳定状态，即在满足误差范围内fx’＝fx，实现精测过程；所述频率测量处理模块用于检测等精度测频模块的粗测完成信号，并开启精密测量模块。
本发明还提供了一种鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量方法，包括以下步骤：
(1)在FPGA中用等精度测频法粗测被测信号fx；
(2)根据步骤(1)粗测得到的结果fc，确定DDS直接数字频率合成器的参考时钟Fclk、相位累加器位数N，通过下式得到DDS直接数字频率合成器的控制字M，DDS直接数字频率合成器根据频率控制字M直接合成参考信号fx’，并输出一个粗测完成信号flag＝1；
M＝(2N×fc)/Fclk
(3)将被测信号fx和步骤(2)得到的DDS直接数字频率合成器直接合成的信号fx’连接到鉴频鉴相器进行鉴频鉴相；
(4)将步骤(3)鉴频鉴相器的输出端连接到电荷泵，然后经低通滤波器、A/D转换器后，将两个信号之间的频率和相位差转换成电压值传递给FPGA；
(5)根据下式频率f和相位p之间的关系，计算步骤(4)中得到的两个信号之间的频率差，根据频率差对DDS直接数字频率合成器的控制字M进行负反馈调整，进行精测过程输出精测频率值并把粗测完成信号置零flag＝0。
p＝∫f dt
所述负反馈调整为：当FPGA接收到经鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、A/D转换器转换处理得到的被测信号fx和DDS直接数字频率合成器直接合成的信号fx’之间的频率差Δf之后，转换为DDS直接数字频率合成器控制字的变化量ΔM去调整fx’，并继续利用鉴频鉴相器比较fx’与被测信号fx之间的频率差，直至达到稳定状态，即fx’＝fx，FPGA输出此时的测量结果。
进一步地，所述步骤(3)中鉴频鉴相器只有在粗测完成后才会开始对信号进行精测。
本发明的有益效果是：本发明提出的基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量装置及方法，利用鉴频鉴相器对于微小相位误差更为敏感的特点，结合负反馈系统控制精度高、系统稳定性好的优点，在等精度测频的基础上，提高了频率测量的精度，后期可以利用PID控制或相关控制算法可以更为快速的完成频率测量，且频率测量的结果直接以数字量输出，便于数据的采集和处理。
附图说明
图1是基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量方法的原理方框图；
图2是基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量方法的时序图；
图3是本发明实施例的测量结果图。
具体实施方式
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，所述实施例仅是本发明部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，应均属于本发明的保护范围。
如附图1所示，本发明所述的一种基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量装置，组成部分包括基准信号模块1、倍频模块2、FPGA3、DDS4、鉴频鉴相器5、电荷泵6、低通滤波器7、AD转换器8、被测时频信号9。
所述基准信号模块1产生基准信号并分成两路，一路信号连接到FPGA3并作为FPGA3工作的时钟源，另一路信号连接到倍频模块2，将基准信号模块1(参考源)进行倍频后作为DDS4工作的时钟源Fclk。
被测时频信号9分成两路信号，一路作为等精度测量模块301的初步被测频率连接到FPGA3，另一路信号连接到鉴频鉴相器5与DDS直接数字频率合成器4直接合成的频率信号进行鉴频鉴相。
所述DDS直接数字频率合成器4在FPGA3的控制下调整输出频率，首先FPGA3内部的等精度测频模块301进行粗测得到被测信号fx，DDS直接数字频率合成器4根据其粗测结果，通过频率控制字M合成一个与fx接近的参考信号fx’；在鉴频鉴相器5开启后，DDS直接数字频率合成器4在FPGA3的控制下，根据被测信号fx和DDS直接数字频率合成器4自身合成参考信号fx’鉴频鉴相的差值，不断调整DDS直接数字频率合成器4的输出频率，直至整个负反馈测频系统达到稳定状态，即fx’＝fx，由FPGA3输出此时的测量结果。
所述电荷泵6接收鉴频鉴相器5的输出信号，产生参考信号与被测信号之间相位差的电流输出信号，所述低通滤波器7与电荷泵6的输出连接，将电荷泵6输出的电流信号转换为电压信号，并连接到AD转换器8将模拟信号转换为数字信号，传递给FPGA3中的精密测频模块302。AD转换器8的位数为24位或32位。
所述FPGA3是作为整个系统的主要控制逻辑、参数存储逻辑以及测量算法实现的核心处理器。FPGA3芯片内部逻辑程序主要分为以下几个部分：等精度测频模块301、精密测频模块302和频率测量处理模块303。主要功能：在闸门信号为高1时，对输入被测信号进行测粗(等精度测频模块301)，根据粗测结果控制DDS产生相应的频率信号fx’并输出一个粗测完成信号flag＝1；频率测量处理模块303在检测到闸门信号为低0并且粗测完成信号flag＝1时，开启精密测频模块302；精密测频模块302与鉴频鉴相器5、电荷泵6、低通滤波器7、AD转换器8及DDS直接数字频率合成器4组成一个负反馈系统，该负反馈系统的控制周期将由精密测频模块302进行配置，鉴频鉴相器5作为整个负反馈系统的判断部分，在负反馈系统的工作下，DDS直接数字频率合成器4的输出将达到最后的稳定状态。
本发明还提供了一种基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量方法，具体步骤是：
(1)FPGA3通过内部分频得到闸门信号，在闸门信号为高逻辑1时，开启内部搭建的等精度测频模块301对被测时频信号9分出的信号进行粗测得到被测信号fx。所述等精度测频模块301：在闸门时间T内对被测信号fx和标准信号fs进行计数(fs由FPGA利用内部PLL对基准信号进行倍频得到)，获得被测信号的计数值Nx和标准信号的计数值Ns，根据下式计算出被测信号fx的粗测频率fc。其实际闸门时间为被测信号的整周期数，如附图2所示，避免了被测信号的±1个计数误差，但不能避免对标准信号的±1个计数误差。
fc＝(Nxfs)/Ns
(2)DDS直接数字频率合成器4根据FPGA3粗测得到的频率值fc，通过下式得到DDS直接数字频率合成器4的控制字M，DDS根据频率控制字M合成频率与fx接近的fx’，并输出一个粗测完成信号flag＝1。
M＝(2N×fc)/Fclk
(3)鉴频鉴相器5在接收到粗测完成信号flag＝1并且闸门信号为低逻辑0时开启，将被测信号fx和DDS直接数字频率合成器4直接合成的信号fx’连接到鉴频鉴相器进行鉴频鉴相；鉴频鉴相器5只有在粗测完成后才会开始对信号进行精测，在精测完成之后flag＝0时关闭。
(4)将步骤(3)鉴频鉴相器5的输出端连接到电荷泵6，然后经低通滤波器7、A/D转换器8后，将两个信号之间的频率和相位差转换成电压值传递给FPGA3中的精密测频模块302。AD转换器8的位数为24位或32位。
(5)根据下式频率f和相位p之间的关系，计算步骤(4)中得到的两个信号之间的频率差，根据频率差对DDS的控制字M进行负反馈调整，直至精测完成，输出精测频率值并把测粗完成信号置零flag＝0。
p＝∫f dt
所述负反馈调节包括比例调节、微分调节、积分调节。
所述负反馈调整为：当FPGA3接收到经鉴频鉴相器5、电荷泵6、低通滤波器7、A/D转换器8转换处理得到的被测信号fx和DDS直接数字频率合成器4直接合成的信号fx’之间的频率差Δf之后，转换为DDS直接数字频率合成器4控制字的变化量ΔM去调整fx’，并继续利用鉴频鉴相器5比较fx’与被测信号fx之间的频率差，直至整个负反馈系统稳定。
实施例
本发明主要是为了提高频率测量的精度，实施例中所测量的时频信号为频率9998.55Hz的方波信号，占空比为50％。
实施例中，被测时频信号fx的精度需要高于基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量系统的测频精度，以保证测量结果能正确反映出本发明的测量系统的精度。
实施例中，在闸门信号为高逻辑1时，FPGA3开启内部搭建的等精度测量模块301对被测信号fx进行粗测；实际闸门时间为被测信号fx的整周期数；在闸门时间T内对被测信号fx和标准信号fs进行计数，获得被测时频信号的计数值Nx和标准时频信号的计数值Ns，根据公式
Figure BDA0003272884380000051
计算出被测时频信号fx的粗测频率f，本实施例中粗测得到的f在9997.5501Hz～9999.5499Hz之间。
实施例中，DDS直接数字频率合成器4根据FPGA3粗测得到的频率值f，通过M＝(2N×fx)/Fclk得到DDS直接数字频率合成器4的控制字M，DDS直接数字频率合成器4根据频率控制字M合成频率与fx接近的fx’，并输出一个粗测完成信号flag＝1。本实施例中，DDS4的工作时钟源Fclk为64KHz，DDS4的相位累加器为26位，粗测得到的M在10484187～10484292之间。
实施例中，在采集到鉴频鉴相的结果后需要进行模数转换，利用A/D转换器8将模拟量转换为数字量传递给FPGA3，其特征在于A/D转换器8的转换位数应保证可有效数字化原始信号中的微小电压信号，且电压信号不会溢出，本实施例中A/D转换器8的位数为32位。
实施例中，将精测结果数字化后，接着要确定对DDS的控制字的调整量ΔM。ΔM的值可以根据当前时刻与前一时刻相比较得到的频率变化量的值来确定，系统稳定后ΔM的变化量决定了整个负反馈测频系统的精度。实施例中ΔM＝Mdf。
实施例中，在确定DDS4控制字的调整量之后，接着要对FPGA3计算所得结果进行截取操作。其特征在于对前面步骤中，DDS的控制字只能为整数，具体做法为：对得到的控制字进行四舍五入取整操作。
两个信号之间的频率差，根据频率差对DDS的控制字M进行负反馈调整，直至精测完成，输出精测频率值并把测粗完成信号置零flag＝0。
实施例中，在精测完成后，输出基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量系统的频率测量结果，并把测粗完成信号置零flag＝0，如附图2所示。本实施例中，对被测时频信号的频率测量结果的输出控制字M在10484235～10484245之间，经过换算得到精测频率在9998.5456Hz～9998.5553Hz，测量结果如附图3所示。
对比等精度测频结果和基于鉴频鉴相器的高精度反馈式测频结果，本发明在等精度测频的基础上，引入鉴频鉴相器模块，搭建反馈式频率测量系统，将频率测量的精度提高了5～10倍。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量装置，其特征在于，包括基准信号模块(1)、倍频模块(2)、FPGA(3)、DDS直接数字频率合成器(4)、鉴频鉴相器(5)和被测时频信号(9)；
所述基准信号模块(1)产生基准信号并分成两路，一路信号连接到FPGA(3)并作为FPGA(3)工作的时钟源，另一路信号连接到倍频模块(2)，对基准信号模块(1)的信号倍频后作为DDS直接数字频率合成器(4)工作的时钟源Fclk。
被测时频信号(9)分成两路信号，一路作为FPGA(3)的初步被测频率，另一路信号连接到鉴频鉴相器(5)，与DDS直接数字频率合成器(4)直接合成的频率信号进行鉴频鉴相。
所述DDS直接数字频率合成器(4)在FPGA(3)的控制下调整输出频率，首先FPGA(3)进行粗测得到被测信号fx，DDS直接数字频率合成器(4)根据其粗测结果，通过频率控制字M合成一个与被测信号fx接近的参考信号fx’；在鉴频鉴相器(5)开启后，DDS直接数字频率合成器(4)在FPGA(3)的控制下，根据被测信号fx和DDS直接数字频率合成器(4)自身合成的信号fx’鉴频鉴相的差值，不断调整DDS直接数字频率合成器(4)的输出频率，直至达到稳定状态，由FPGA(3)输出此时的测量结果。
2.根据权利要求1所述的基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量装置，其特征在于，该装置还包括电荷泵(6)、低通滤波器(7)和AD转换器(8)；所述电荷泵(6)接收鉴频鉴相器(5)的输出信号，产生参考信号与被测信号之间相位差的电流输出信号，所述低通滤波(7)与电荷泵(6)的输出连接，将电荷泵(6)输出的电流信号转换为电压信号，并连接到AD转换器(8)将模拟信号转换为数字信号，传递给FPGA(3)；FPGA(3)输出达到稳定状态时的测量结果。
3.根据权利要求2所述的基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量装置，其特征在于，所述FPGA(3)包括等精度测频模块(301)、精密测频模块(302)和频率测量处理模块(303)；所述等精度测频模块(301)接收被测时频信号(9)的一路信号，进行粗测得到被测信号fx；所述精密测量模块(302)与鉴频鉴相器(5)、电荷泵(6)、低通滤波器(7)、AD转换器(8)及DDS直接数字频率合成器(4)组成一个负反馈系统，调整DDS直接数字频率合成器(4)合成的参考信号fx’，直至达到稳定状态，即在满足误差范围内fx’＝fx，实现精测过程；所述频率测量处理模块(303)用于检测等精度测频模块(301)的粗测完成信号，并开启精密测量模块(302)。
4.一种基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在FPGA(3)中用等精度测频法粗测被测信号fx；
(2)根据步骤(1)粗测得到的结果fc，确定DDS直接数字频率合成器(4)的参考时钟Fclk、相位累加器位数N，通过下式得到DDS直接数字频率合成器(4)的控制字M，DDS直接数字频率合成器(4)根据频率控制字M直接合成参考信号fx’，并输出一个粗测完成信号flag＝1；
M＝(2N×fc)/Fclk
(3)将被测信号fx和步骤(2)得到的DDS直接数字频率合成器(4)直接合成的信号fx’连接到鉴频鉴相器(5)进行鉴频鉴相；
(4)将步骤(3)鉴频鉴相器(5)的输出端连接到电荷泵(6)，然后经低通滤波器(7)、A/D转换器(8)后，将两个信号之间的频率和相位差转换成电压值传递给FPGA(3)；
(5)根据下式频率f和相位p之间的关系，计算步骤(4)中得到的两个信号之间的频率差，根据频率差对DDS直接数字频率合成器(4)的控制字M进行负反馈调整，进行精测过程输出精测频率值并把粗测完成信号置零flag＝0。
p＝∫fdt
所述负反馈调整为：当FPGA(3)接收到经鉴频鉴相器(5)、电荷泵(6)、低通滤波器(7)、A/D转换器(8)转换处理得到的被测信号fx和DDS直接数字频率合成器(4)直接合成的信号fx’之间的频率差Δf之后，转换为DDS直接数字频率合成器(4)控制字的变化量ΔM去调整fx’，并继续利用鉴频鉴相器(5)比较fx’与被测信号fx之间的频率差，直至达到稳定状态，即fx’＝fx，FPGA(3)输出此时的测量结果。
5.根据权利要求4所述基于鉴频鉴相器的高精度反馈式频率测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中鉴频鉴相器(5)只有在粗测完成后才会开始对信号进行精测。
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