CN207232254U - 一种高精度小型频率计数器模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高精度小型频率计数器模块，包括：分频单元，用于完成参考信号和被测信号的降频；高精度时间测量单元，所述高精度时间测量单元包含粗时间测量单元和精细时间测量单元，所述粗时间测量单元用于完成计数器整数倍的计数，所述精细时间测量单元用于完成计数器小数倍的计算；数字滤波跟踪单元，用于滤除时间测量的误差，进一步计算得出高精度的频率。本实用新型具有测量精度高、成本低、应用范围广的优点，能够满足时间频率测量行业的大部分应用。
Description
技术领域
本实用新型属于测量测试技术领域，具体涉及一种高精度小型频率计数器模块。
背景技术
在导航技术中，时频技术是导航技术的基础，10M和10.23等特殊频点的测量是时频技术的关键技术，传统电子频率测量有两种方法：直接测频法，就是在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接侧频率，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，，间接测频法适用于低频信号的频率测量。直接测频法受到积分时间影响，即积分时间越长，其测量精度越高，但数据更新速率也就更慢度，其测量精度和测量数据更新率为一对不可调和的矛盾量。但间接测频法不是利用周期累加测得，间接测频法是测量与频率相关的时间信息或其他信息进一步计算出频率，达到测频计数目的，频率测量的精度受间接测量量的测量精度决定。数字计数很难实现高精度的测量，主要原因在于数字计数的采样率限制了其精度，一般来说，要实现10-9的测量精度，就需要有1G的采样率。如果要在秒级实现10-12的频率测量精度，采用数字方法很难实现。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种高精度小型频率计数器模块。本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种高精度小型频率计数器模块，包括：
分频单元，用于完成参考信号和被测信号的降频；
高精度时间测量单元，所述高精度时间测量单元包含粗时间测量单元和精细时间测量单元，所述粗时间测量单元用于完成计数器整数倍的计数，所述精细时间测量单元用于完成计数器小数倍的计算；
数字滤波跟踪单元，用于滤除时间测量的误差，进一步计算得出高精度的频率。
上述的一种高精度小型频率计数器模块，所述粗时间测量单元用于计算开始脉冲信号和停止脉冲信号之间的时间间隔；所述精细时间测量单元用于计算开始脉冲信号和停止脉冲信号之间的精细时间值。
上述的一种高精度小型频率计数器模块，所述精细时间间隔测量单元包括若干个延迟时间链单元，每个延迟时间链单元串联后形成时间延迟链，各个延迟时间链的末端输出采集到的脉冲值；
所述精细时间间隔测量收到开始脉冲信号后，在各个延迟单元采样脉冲信息。
上述的一种高精度小型频率计数器模块，所述分频包含傅里叶粗测频和抽采样降频处理；
首先采用傅里叶变换IP核进行粗测频，区分特殊频点10MHz和10.23MHz，经粗测频后进一步抽采样进行降频，使参考频率和被测频率降到1KHz进行上升沿的时间间隔测量。
上述的一种高精度小型频率计数器模块，所述数字滤波跟踪单元是以时间间隔量和被测信号的频率为动态状态，构建起动态模型，以时间间隔为测量量，采用Kalman滤波进行频率的估计。
上述的一种高精度小型频率计数器模块，所述动态模型为：
Phasek+1＝Phasek+Frequencek
Frequencek+1＝Frequencek+σk
其中：Phase代表时间间隔，k代表测量时间，Frequence代表频率，σ代表频率噪声。
上述的一种高精度小型频率计数器模块，所述粗时间测量单元自检测到开始脉冲信号的上升沿后就开始计数，等到检测到停止脉冲信号就停止计数，计算开始脉冲信号和停止脉冲信号之间的本地时钟间隔，该时钟间隔作为粗计数值送到运算模块逻辑模块中。
上述的一种高精度小型频率计数器模块，所述延迟时间链单元由加法器的进位链构成。
本实用新型的有益效果：
本实用新型的分频处理既能有效降低数据的处理量，又能保证高速的频率更新速率，采用延时链的精细时间间隔测量，时间间隔的测量精度与延时链的延时精度相同，提高被测信号和参考信号的时间间隔测量为高精度的频率测量提供了基础，采用具有动态模型的Kalman滤波跟踪处理时间间隔信息，进一步得出频率值，本实用新型具有测量精度高，成本低，应用范围广的优点，满足时间频率测量行业的大部分应用。
以下将结合附图及实施例对本实用新型做进一步详细说明。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是参考信号和被测信号上升沿所触发的时间间隔电平示意图。
图3是时间间隔的粗测量和精细测量图。
图4是时间间隔测量示意图。
图5是时间间隔测量时序图。
图中：10.参考信号；20.被测信号；100.分频单元；200.高精度时间测量单元；210.粗时间测量单元；220.精细时间测量单元；300.时间滤波跟踪单元；30.相位差；40.频率；1.鉴相器；2.高频计数器；3.延迟链路。
具体实施方式
为进一步阐述本实用新型达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本实用新型的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
本实施例公开了一种高精度小型频率计数器模块，包括分频、高精度时间间隔测量单元和数字滤波跟踪单元；分频包含傅里叶粗测频和抽采样降频处理。高精度时间测量单元包含粗时间测量和精细时间测量。数字滤波跟踪单元可以滤除时间测量的误差，进一步计算得出高精度的频率。本实施例是一种高精度实现频率计数的最小单元，具有灵活多变、成本低，应用范围广的优点。
本实施例的高精度小型频率计数器模块，采用Altera公司的EP4CE22FFPGA为核心实施频率计数功能，组成频率计数器小型化模块。高精度小型频率计数器由三部分组成：分频、时间间隔测量和数字滤波跟踪。
分频主要功能完成参考信号和被测信号的降频，具体是对被测信号和参考信号进行抽采样降频处理，把被测信号抽和参考信号采样到1KHz的信号。分频首先对被测信号采用数字傅里叶变换进行粗测频，区分10M和10.23等特殊频点。
时间间隔测量包含粗时间测量和精细时间测量。粗时间测量检测到开始脉冲信号的上升沿后就开始计数，等到检测到停止脉冲信号就停止计数，计算开始脉冲信号和停止脉冲信号之间的时间间隔，该时间间隔作为粗时间测量。精细时间间隔测量单元包含若干个延迟时间链单元，每个延时链单元串联起来形成一个较长的时间延迟链，各个延迟链单元的末端输出采集到的脉冲值。具体是：精细时间测量收到开始脉冲信号后，在各个延迟单元采样脉冲信息，在时钟上升沿计算延迟时间单元输出‘1’的个数，即开始脉冲信号距离时钟上升沿的时间编码；精细时间测量接收到停止脉冲信号后，同样能得到停止脉冲信号距离时钟上升沿的时钟编码。
精细时间测量是将精细时间测量的开始脉冲信号和停止时钟脉冲信号的编码信息相减得到一个值，再将这个值分段作为地址索引查找出对应的数字，再将这个数字乘以一个延迟链单元延迟值，就能计算出精细时间值。通过精细时间测量的测量精度为300ps.
数字滤波是以时间间隔量和被测信号的频率为动态状态，构建起动态模型，以时间间隔为测量量，采用Kalman滤波进行频率的估计。其动态模型如下：
Phasek+1＝Phasek+Frequencek
Frequencek+1＝Frequencek+σk
其中Phase代表时间间隔，k代表测量时间，Frequence代表频率，σ代表频率噪声。
最后计算得到被测信号频率。
频率测量采用1KHz的数据刷新率，实时记录频率的变化特性，频率估计的精度可以达到1E-12@10MHz。
模块接入参考信号和被测信号，FPGA采用傅里叶变换IP核进行粗测频，区分特殊频点10MHz和10.23MHz，经过粗测频可进一步抽采样进行降频，使参考频率和被测频率降到1KHz进行上升沿的时间间隔测量。
本实施例时间间隔测量即为被测信号的上升沿和参考信号的上升沿的时间间隔，如图2，S1与S2为1KHz信号，其时差为T1，该两信号进入鉴相器后产生脉冲信号S3，此高电平信号的宽度为两路秒信号前沿的时差。
时间间隔测量可以分为粗测量和精细测量，时间间隔粗测量完成计数器整数倍计数，时间间隔精细测量用于完成计数器小数倍计算，如图3所示，t1为时间间隔粗测测量的时间，t2为时间间隔精细测量需要测量的时间，两者之和即为秒脉冲时差。
本实施例正是利用上述工作原理进行时间间隔的高精度计算，进一步完成频率的高速高精度的测量。
精密时间间隔测量原理图如图4，高频计数器与时间间隔粗测部分相对应，完成脉冲信号S3计数器整数倍计数，延迟电路部分与时间间隔精细测量部分相对应，时间间隔精细测量部分完成脉冲信号S3计数器分数倍计数。粗测部分采用计数器来实现，计数器的填充脉冲为200MHz，故其精度可达±5ns，5ns以下的精测部分采用FPGA内部延迟链路来实现，每级延迟链的延时大约为200ps，所以共需要大约30级延迟链级联就可以测量5ns以下的时差，加上布线误差其实测精度可到300ps。将粗测部分与细测部分的结果相加就得到了最终精度为300ps的时差测量结果。
如图5所示，其中s3_bm信号的下降沿与图中绿线对齐，假设缓冲器的级数为30，图中m＝18，则计数器小数部分为18/30＝0.6，加上计数器整数部分5，则可得秒差为5.6x 5ns＝28.00ns。
采用时间间隔和频率的动态模型，模型如下:
Phasek+1＝Phasek+Frequencek
Frequencek+1＝Frequencek+σk
其中Phase代表时间间隔，k代表测量时间，Frequence代表频率，σ代表频率噪声，采用Kalman最小均方误差估计，进行频率计算，可得到1E-12@10MHz的频率精度，并且频率更新速度达到1KHz。
本实施例通过以上原理，打破了数字式频率测量的积分时间和测量精度的矛盾，同时提高了频率计算精度和数据刷新速度，并以Altera的EP4CE22F FPGA芯片构建核心处理模块，具有测量精度高、测量范围灵活多变、成本低，应用范围广的优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种高精度小型频率计数器模块，其特征在于，包括：
分频单元，用于完成参考信号和被测信号的降频；
高精度时间测量单元，所述高精度时间测量单元包含粗时间测量单元和精细时间测量单元，所述粗时间测量单元用于完成计数器整数倍的计数，所述精细时间测量单元用于完成计数器小数倍的计算；
数字滤波跟踪单元，用于滤除时间测量的误差，进一步计算得出高精度的频率；
所述分频单元、高精度时间测量单元和数字滤波跟踪单元依次通过通讯方式进行连接。
2.如权利要求1所述的一种高精度小型频率计数器模块，其特征在于，所述粗时间测量单元用于计算开始脉冲信号和停止脉冲信号之间的时间间隔；所述精细时间测量单元用于计算开始脉冲信号和停止脉冲信号之间的精细时间值。
3.如权利要求2所述的一种高精度小型频率计数器模块，其特征在于，所述精细时间间隔测量单元包括若干个延迟时间链单元，每个延迟时间链单元串联后形成时间延迟链，各个延迟时间链的末端输出采集到的脉冲值；
所述精细时间间隔测量收到开始脉冲信号后，在各个延迟单元采样脉冲信息。
4.如权利要求1所述的一种高精度小型频率计数器模块，其特征在于，所述分频包含傅里叶粗测频和抽采样降频处理；
首先采用傅里叶变换IP核进行粗测频，区分特殊频点10MHz和10.23MHz，经粗测频后进一步抽采样进行降频，使参考频率和被测频率降到1KHz进行上升沿的时间间隔测量。
5.如权利要求1所述的一种高精度小型频率计数器模块，其特征在于，所述数字滤波跟踪单元是以时间间隔量和被测信号的频率为动态状态，构建起动态模型，以时间间隔为测量量，采用Kalman滤波进行频率的估计。
6.如权利要求5 所述的一种高精度小型频率计数器模块，其特征在于，所述动态模型为：
其中：Phase 代表时间间隔，k 代表测量时间，Frequence 代表频率，代表频率噪声。
7.如权利要求1所述的一种高精度小型频率计数器模块，其特征在于，所述粗时间测量单元自检测到开始脉冲信号的上升沿后就开始计数，等到检测到停止脉冲信号就停止计数，计算开始脉冲信号和停止脉冲信号之间的本地时钟间隔，该时钟间隔作为粗计数值送到运算模块逻辑模块中。
8.如权利要求3所述的一种高精度小型频率计数器模块，其特征在于，所述延迟时间链单元由加法器的进位链构成。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201720669555.4U CN207232254U (zh) | 2017-06-09 | 2017-06-09 | 一种高精度小型频率计数器模块 |
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Publications (1)
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|---|---|---|---|---|
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2017
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