CN113933588B - 一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，包括频标信号模块、频标线脉冲变换模块、被测信号模块、被测线脉冲变换模块、时间延迟模块、数据采集模块、闸门控制模块、可编程计数器模块、数据处理模块、显示模块和电源模块；本发明所述的一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，相对于传统的频率测量方法，本发明采用相位模糊区信息采集技术，使频率测量的分辨率和测量精度得到了极大提高，任任意时刻的频率测量分辨率率优于1ps，秒级频率稳定度优于2E‑12，利用FPGA技术使系统结构芯片化，集成度高，降低了开发成本，抑制了噪声，获得了北斗卫星时频装备的高稳定性和高可靠性，为北斗卫星导航系统的高精度授时和定位服务提供了技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及频率测量芯片技术领域，尤其涉及一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片。
背景技术
北斗三号卫星组网成功，标志着我国拥有了完整的全球卫星导航系统，北斗卫星技术的成熟程度可以通过北斗卫星导航系统的广泛应用即“北斗+应用”得到不断完善和验证。北斗时频装备的可靠性、稳定性和抗干扰能力在北斗卫星导航系统中具有重要作用，它决定着北斗高精度的授时和定位服务能力。频率稳定度是影响北斗时频装备尤其是精密频率源系统如各种原子钟、晶体振荡器等性能稳定的一个关键因素，频率稳定度测量所能达到的精度，除高精度的参考源外，主要取决于所使用的频率测量方法。传统的频率测量方法如多周期同步法、模拟内插法、游标法等，其测量过程均需要频率的归一化，复杂的频率变换是必须的，这样不仅使电路结构复杂、体积增大、成本增加，同时还引入了大量的附加噪声，频率测量的高精度难以保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，采用相位模糊区信息采集技术，能够有效解决传统相位处理中的频率归一化问题，大幅度提高被测信号的测量分辨率和测量精度，加强北斗卫星时频装备的稳定性和可靠性，为北斗卫星导航系统的高精度授时和定位服务提供技术支持。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，包括频标信号模块、频标线脉冲变换模块、被测信号模块、被测线脉冲变换模块、时间延迟模块、数据采集模块、闸门控制模块、可编程计数器模块、数据处理模块、显示模块和电源模块；频标信号模块的信号输出端连接频标线脉冲变换模块的信号输入端，频标线脉冲变换模块的信号输出端分别连接时间延迟模块的信号输入端、数据采集模块的信号输入端、闸门控制模块的信号输入端和可编程计数器模块的信号输入端，时间延迟模块的信号输出端分别连接数据采集模块的信号输入端、闸门控制模块的信号输入端和可编程计数器模块的信号输入端，被测信号模块的信号输出端连接被测线脉冲变换模块的信号输入端，被测线脉冲变换模块的信号输出端连接数据采集模块的信号输入端，数据采集模块的信号输出端连接闸门控制模块的信号输入端，闸门控制模块的信号输出端连接可编程计数器模块的信号输入端，可编程计数器模块的信号输出端连接数据处理模块的信号输入端，数据处理模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端；
所述的频标信号模块由精密频率源组成，用于提供频率测量的标准信号；
所述的被测信号模块由频率合成器组成，用于提供不同频率的被测信号；
所述的频标线脉冲变换模块由频标线脉冲变换电路组成，用于提供标准线脉冲信号；
所述的时间延迟模块由移相器组成，用于对标准线脉冲信号的时间延迟；
所述的被测线脉冲变换模块由被测线脉冲变换电路组成，用于产生被测线脉冲信号；
所述的数据采集模块由高速AD转换器组成，用于采集相位模糊区及其边沿信息；
所述的闸门控制模块由触发器组成，用于将被采集的相位模糊区及其边沿信息转换为离散脉冲作为可编程计数器的开关信号；
所述的可编程计数器模块由FPGA硬件描述语言通过编程实现，用于标准线脉冲信号和被测线脉冲信号在闸门时间内的脉冲计数测量，获得脉冲计数值；
所述的数据处理模块由单片机组成，用于脉冲计数值的处理，获得被测信号的频率值；
所述的显示模块，用于数据处理模块的处理结果并显示被测信号的频率值。
所述的精密频率源采用OSA 5MHz 8607B高性能晶体振荡器(秒级频率稳定度5E-13)。
所述的频率合成器采用KEYSIGHT E8663D频率合成器。
所述的频标脉冲变换电路由触发器74LS14N芯片、逻辑非门74LS04N芯片和逻辑与门74LS08N芯片组成，触发器74LS14N芯片的信号输入端连接频标信号模块的信号输出端，触发器74LS14N芯片的信号输出端分别连接逻辑非门74LS04N芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08N芯片的A信号输入端，逻辑非门74LS04N芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08N芯片的B信号输入端，逻辑与门74LS08N芯片的信号输出端作为频标线脉冲变换模块的信号输出端。
所述的移相器采用触发器74LS375N芯片。
所述的被测线脉冲变换电路由触发器74LS14D芯片、逻辑非门74LS04D芯片和逻辑与门74LS08D芯片组成，触发器74LS14D芯片的信号输入端连接被测信号模块的信号输出端，触发器74LS14D芯片的信号输出端分别连接逻辑非门74LS04D芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端，逻辑非门74LS04D芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08D芯片的B信号输入端，逻辑与门74LS08D芯片的信号输出端作为被测线脉冲变换模块的信号输出端。
所述的高速AD转换器采用单片机MSP430F247芯片。
所述的触发器采用触发器74LS74N芯片。
所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75。
所述的单片机采用FPGA自带的单片机。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所述的一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，相对于传统的频率测量方法，本发明采用相位模糊区信息采集技术，使频率测量的分辨率和测量精度得到了极大提高，任任意时刻的频率测量分辨率率优于1ps，秒级频率稳定度优于2E-12，利用FPGA技术使系统结构芯片化，集成度高，降低了开发成本，抑制了噪声，获得了北斗卫星时频装备的高稳定性和高可靠性，为北斗卫星导航系统的高精度授时和定位服务提供了技术支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明所述的北斗时频装备中的高精度频率测量芯片的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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做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。
如图1所示，本发明所述的一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，包括频标信号模块、频标线脉冲变换模块、被测信号模块、被测线脉冲变换模块、时间延迟模块、数据采集模块、闸门控制模块、可编程计数器模块、数据处理模块、显示模块和电源模块；频标信号模块的信号输出端连接频标线脉冲变换模块的信号输入端，频标线脉冲变换模块的信号输出端分别连接时间延迟模块的信号输入端、数据采集模块的信号输入端、闸门控制模块的信号输入端和可编程计数器模块的信号输入端，时间延迟模块的信号输出端分别连接数据采集模块的信号输入端、闸门控制模块的信号输入端和可编程计数器模块的信号输入端，被测信号模块的信号输出端连接被测线脉冲变换模块的信号输入端，被测线脉冲变换模块的信号输出端连接数据采集模块的信号输入端，数据采集模块的信号输出端连接闸门控制模块的信号输入端，闸门控制模块的信号输出端连接可编程计数器模块的信号输入端，可编程计数器模块的信号输出端连接数据处理模块的信号输入端，数据处理模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端。
所述的频标信号模块采用OSA 5MHz 8607B高性能晶体振荡器，用于提供频率测量的标准信号，OSA5MHz 8607B高性能晶体振荡器的秒级频率稳定度为5E-13，是目前世界上具有最高精度的晶体振荡器，且体积小、重量轻、响应时间快、性能高稳定。
所述的被测信号模块采用KEYSIGHT E8663D频率合成器，用于提供各种不同频率的被测信号，KEYSIGHT E8663D频率合成器由于其复杂的频率变换，其秒级频率稳定度为2E-7，能够合成产生出北斗时频装备中各种频率信号且秒级频率稳定度相同。
所述的频标线脉冲变换模块采用频标线脉冲变换电路，用于产生标准线脉冲信号，频标脉冲变换电路由触发器74LS14N芯片、逻辑非门74LS04N芯片和逻辑与门74LS08N芯片组成，触发器74LS14N芯片的信号输入端连接频标信号模块的信号输出端，触发器74LS14N芯片的信号输出端分别连接逻辑非门74LS04N芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08N芯片的A信号输入端，逻辑非门74LS04N芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08N芯片的B信号输入端，逻辑与门74LS08N芯片的信号输出端作为频标线脉冲变换模块的信号输出端；
频标信号被送入触发器74LS14N芯片进行整形转换为反相的频标方波脉冲信号，该频标方波脉冲信号再次被送入逻辑非门74LS04N芯片进行相位取反(逻辑非门74LS04N芯片除具有相位取反功能外，还具有延迟功能)，相位取反后的频标方波脉冲信号与原频标方波脉冲信号分别送入逻辑与门74LS08N芯片的A1信号输入端和B1信号输入端，获得标准线脉冲信号。
所述的被测线脉冲变换模块采用被测线脉冲变换电路，用于产生被测线脉冲信号，被测线脉冲变换电路由触发器74LS14D芯片、逻辑非门74LS04D芯片和逻辑与门74LS08D芯片组成，触发器74LS14D芯片的信号输入端连接被测信号模块的信号输出端，触发器74LS14D芯片的信号输出端分别连接逻辑非门74LS04D芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端，逻辑非门74LS04D芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08D芯片的B信号输入端，逻辑与门74LS08D芯片的信号输出端作为被测线脉冲变换模块的信号输出端；
将KEYSIGHT E8663D频率合成器提供的各种不同频率被测信号送入触发器74LS14D芯片进行整形转换为反相的被测方波脉冲信号，该被测方波脉冲信号再次被送入逻辑非门74LS04D芯片进行相位取反(逻辑非门74LS04D芯片除具有相位取反功能外，还具有延迟功能)，相位取反后的被测方波脉冲信号与原被测方波脉冲信号分别送入逻辑与门74LS08D芯片的A2信号输入端和B2信号输入端，获得被测线脉冲信号。
所述的时间延迟模块由移相器组成，触发器74LS375N芯片，用于对标准线脉冲信号的时间延迟；
标准线脉冲信号时间延迟分辨率为触发器74LS375N芯片的时钟周期，通过调节触发器74LS375N芯片的时钟周期可以获得各种不同时间延迟分辨率的标准线脉冲信号，有利于相位模糊区边沿信息的采集，缩短频率测量系统的响应时间，加快频率测量的速度。
所述的数据采集模块由高速AD转换器组成，采用自带的高速AD转换器的单片机MSP430F247芯片，用于采集相位模糊区及其边沿信息，相位模糊区及其边沿信息存在于被测信号的零点处，即被测信号零点处的相位信息，由于该相位信息在相位处理中无法被检测电路所识别，所以被称为相位模糊区信息；
将标准线脉冲信号和延迟后的标准线脉冲信号分别作为单片机MSP430F247芯片的时钟信号对相位模糊区及其边沿信息进行采集，获得闸门信号对应值。
所述的闸门控制模块由触发器组成，采用触发器74LS74N芯片，用于将被采集的相位模糊区及其边沿信息即闸门信号对应值转换为离散脉冲作为可编程计数器的开关信号。
所述的可编程计数器模块由FPGA硬件描述语言通过编程实现，用于标准线脉冲信号和被测线脉冲信号在闸门时间内的脉冲计数测量，获得脉冲计数值。
所述的数据处理模块由单片机组成，采用FPGA自带的单片机，用于脉冲计数值的处理，最终获得被测信号的频率值。
所述的显示模块采用LCD液晶显示器，用于数据处理模块的处理结果并显示被测信号的频率值。
所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75，用于实现可编程计数器、单片机以及74LS系列芯片的逻辑功能；本发明中，除高性能晶体振荡器、频率合成器、AD转换器和液晶显示器外，整个频率测量均在FPGA芯片内。
本发明的有益效果为：
本发明所述的一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，无需频率归一化，在射频范围内能够实现任意信号之间的直接频率测量；相对于传统的频率测量方法，本发明采用相位模糊区信息采集技术，使频率测量的分辨率和测量精度得到了极大提高，任任意时刻的频率测量分辨率率优于1ps，秒级频率稳定度优于2E-12，利用FPGA技术使系统结构芯片化，集成度高，降低了开发成本，抑制了噪声，获得了北斗卫星时频装备的高稳定性和高可靠性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，其特征在于：包括频标信号模块、频标线脉冲变换模块、被测信号模块、被测线脉冲变换模块、时间延迟模块、数据采集模块、闸门控制模块、可编程计数器模块、数据处理模块、显示模块和电源模块；所述频标信号模块的信号输出端连接频标线脉冲变换模块的信号输入端，所述频标线脉冲变换模块的信号输出端分别连接时间延迟模块的信号输入端、数据采集模块的信号输入端、闸门控制模块的信号输入端和可编程计数器模块的信号输入端，所述时间延迟模块的信号输出端分别连接数据采集模块的信号输入端、闸门控制模块的信号输入端和可编程计数器模块的信号输入端，所述被测信号模块的信号输出端连接被测线脉冲变换模块的信号输入端，所述被测线脉冲变换模块的信号输出端连接数据采集模块的信号输入端，所述数据采集模块的信号输出端连接闸门控制模块的信号输入端，所述闸门控制模块的信号输出端连接可编程计数器模块的信号输入端，所述可编程计数器模块的信号输出端连接数据处理模块的信号输入端，所述数据处理模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端；
所述的频标信号模块由精密频率源组成，用于提供频率测量的标准信号；
所述的被测信号模块由频率合成器组成，用于提供不同频率的被测信号；
所述的频标线脉冲变换模块由频标线脉冲变换电路组成，用于提供标准线脉冲信号；
所述的时间延迟模块由移相器组成，用于对标准线脉冲信号的时间延迟；
所述的被测线脉冲变换模块由被测线脉冲变换电路组成，用于产生被测线脉冲信号；
所述的数据采集模块由高速AD转换器组成，用于采集相位模糊区及其边沿信息；
所述的闸门控制模块由触发器组成，用于将被采集的相位模糊区及其边沿信息转换为离散脉冲作为可编程计数器的开关信号；
所述的可编程计数器模块用于标准线脉冲信号和被测线脉冲信号在闸门时间内的脉冲计数测量，获得脉冲计数值；
所述的数据处理模块由单片机组成，用于脉冲计数值的处理，获得被测信号的频率值；
所述的显示模块，用于数据处理模块的处理结果并显示被测信号的频率值；
所述电源模块用于为整个系统供电。
2.根据权利要求1所述的一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，其特征在于：所述的精密频率源采用OSA 5MHz 8607B高性能晶体振荡器，其秒级频率稳定度5E-13。
3.根据权利要求1所述的一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，其特征在于：所述的频率合成器采用KEYSIGHT E8663D 频率合成器。
4.根据权利要求1所述的一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，其特征在于：所述的频标脉冲变换电路由触发器74LS14N芯片、逻辑非门74LS04N芯片和逻辑与门74LS08N芯片组成，触发器74LS14N芯片的信号输入端连接频标信号模块的信号输出端，触发器74LS14N芯片的信号输出端分别连接逻辑非门74LS04N芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08N芯片的A信号输入端，逻辑非门74LS04N芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08N芯片的B信号输入端，逻辑与门74LS08N芯片的信号输出端作为频标线脉冲变换模块的信号输出端。
5.根据权利要求1所述的一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，其特征在于：所述的移相器采用触发器74LS375N芯片。
6.根据权利要求1所述的一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，其特征在于：所述的被测线脉冲变换电路由触发器74LS14D芯片、逻辑非门74LS04D芯片和逻辑与门74LS08D芯片组成，触发器74LS14D芯片的信号输入端连接被测信号模块的信号输出端，触发器74LS14D芯片的信号输出端分别连接逻辑非门74LS04D芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端，逻辑非门74LS04D芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08D芯片的B信号输入端，逻辑与门74LS08D芯片的信号输出端作为被测线脉冲变换模块的信号输出端。
7.根据权利要求1所述的一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，其特征在于：所述的高速AD转换器采用单片机MSP430F247芯片。
8.根据权利要求1所述的一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，其特征在于：所述的触发器采用触发器74LS74N芯片。
9.根据权利要求1所述的一种北斗时频装备中的高精度频率测量芯片，其特征在于：所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75，用于实现可编程计数器、单片机以及74LS系列芯片的逻辑功能。
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