CN207964942U

CN207964942U - 一种时域测量系统

Info

Publication number: CN207964942U
Application number: CN201720819156.1U
Authority: CN
Inventors: 罗会容
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2018-10-12
Anticipated expiration: 2027-07-07

Abstract

本实用新型涉及时域测量技术，具体涉及一种时域测量系统，包括被测频率源、归一化模块、VCXO、频率测量仪、单片机、补偿模块和PC；被测频率源连接归一化模块，归一化模块分别与VCXO、频率测量仪、单片机相连，单片机分别与频率测量仪、补偿模块相连，频率测量仪分别与VCXO、PC相连。该系统克服了被测频率源的频率在进入测量仪时有范围限制以及外部参考时钟本身的频率不稳定给系统测量带来误差的缺陷。能够提供稳定的参考时钟信号，降低了测量误差；增加了进入测量仪的被测频率源的频率范围。

Description

一种时域测量系统

技术领域

本实用新型属于时域测量技术领域，尤其涉及一种时域测量系统。

背景技术

时域频率信号的频率稳定性评价是时频研究工作的一个重要方面。

对于一个信号源而言，其输出信号通常用下式表达：

其中，a(t)表示信号源输出信号随时间的随机幅度起伏，表示信号源输出信号的相位(即频率)随时间的随机起伏，Δ·t表示信号源输出信号的频率随时间的微小单向变化，称之为频率漂移，现在比较好的VCXO一般在几×10^-12－×10^-14量级。

Δ·t源于信号源内部随时间的老化，形成的输出频率单向变化。

源于组成信号源的各部件噪声对整机频率稳定度的贡献，通常认为，组成信号源的各部件噪声引起的整机输出频率起伏是各态历经的，因此它可以用随机统计理论中的方差表征。

早期人们用相对频偏起伏的标准方差来表征信号源的频率稳定度。若令f₀为信号源的平均频率，则在取样时间τ内，输出频率的相对频偏为：

研究表明，对于各类信号源输出信号而言，其输出频率的相对频偏起伏量y_τ(t)的大小、快慢受幂律谱噪声模型中所列的5种噪声的影响，幂律谱噪声模型为：

式中α＝－2，－1,0，1,2；0＜f＜f_h，h_α为常数，大小随具体的信号源而定；f_h为系统的高截止频率。

实际使用表明，被测频率源的频率在进入测量仪时有范围限制，这是缺陷之一；其次外部参考时钟本身的频率不稳定也会给系统测量带来误差。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种频率稳定的测量装置，减少了进入测量仪的被测频率源频率范围的限制。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种时域测量系统，包括被测频率源、归一化模块、VCXO、频率测量仪、单片机、补偿模块和PC；被测频率源连接归一化模块，归一化模块分别与VCXO、频率测量仪、单片机相连，单片机分别与频率测量仪、补偿模块相连，频率测量仪分别与VCXO、PC相连。

在上述的时域测量系统中，归一化模块包括第一隔离放大器，第一DDS分频率单元，第二DDS分频率单元；第一隔离放大器分别与第一DDS分频率单元和频率测量仪连接，第一DDS分频率单元连接单片机，第二DDS分频率单元分别与单片机和频率测量仪连接。

在上述的时域测量系统中，单片机通过RS232串行接口与PC端通讯连接。

在上述的时域测量系统中，第二DDS分频率单元包括第二隔离放大器、DDS2、第一走时计数器、第一锁存器、DDS3、低通滤波模块；第二隔离放大器分别与DDS2和DDS3连接，DDS2分别连接第一走时计数器和单片机，第一走时计数器连接第一锁存器，DDS3分别连接低通滤波模块和单片机，第一锁存器与单片机连接。

在上述的时域测量系统中，补偿模块包括电压基准1、电压基准2、D/A直流电压、温控模块；电压基准1连接VCXO，电压基准2连接D/A直流电压，D/A直流电压分别连接单片机、VCXO，温控模块分别与单片机、VCXO连接。

在上述的时域测量系统中，温控模块置于VCXO外壁。

在上述的时域测量系统中，温控模块包括电压源、温度采集模块、差分放大器A、负反馈电阻Rw和加热线圈环路；温度采集模块分别连接电压源和差分放大器A，差分放大器A分别连接负反馈电阻Rw、加热线圈环路和电压源。

在上述的时域测量系统中，温度采集模块包括两个电阻R、电阻R1和电阻Rk组成的电桥；且两个电阻R以及电阻R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值与电阻Rk相当。

在上述的时域测量系统中，电阻Rk为热敏电阻，且贴于VCXO的表面。

在上述的时域测量系统中，电阻Rw采用数字电位计。

本实用新型的有益效果为：能够提供稳定的参考时钟信号，降低了测量误差；增加了进入测量仪的被测频率源的频率范围。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例时域测量系统结构示意图；

图2为本实用新型一个实施例归一化模块结构示意图；

图3为本实用新型一个实施例归一化模块流程图；

图4为本实用新型一个实施例第二DDS分频率单元结构示意图；

图5为本实用新型一个实施例补偿模块结构示意图；

图6为本实用新型一个实施例温控模块结构示意图；

图7为本实用新型一个实施例补偿模块原理图；

图8为本实用新型一个实施例频率测量仪时序图；

图9为本实用新型一个实施例测量流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例采用以下技术方案来实现，一种时域测量系统，包括被测频率源、归一化模块、VCXO、频率测量仪、单片机、补偿模块和PC；被测频率源连接归一化模块，归一化模块分别与VCXO、频率测量仪、单片机相连，单片机分别与频率测量仪、补偿模块相连，频率测量仪分别与VCXO、PC相连。

进一步，归一化模块包括第一隔离放大器，第一DDS分频率单元，第二DDS分频率单元；第一隔离放大器分别与第一DDS分频率单元和频率测量仪连接，第一DDS分频率单元连接单片机，第二DDS分频率单元分别与单片机和频率测量仪连接。

进一步，单片机通过RS232串行接口与PC端通讯连接。

进一步，第二DDS分频率单元包括第二隔离放大器、DDS2、第一走时计数器、第一锁存器、DDS3、低通滤波模块；第二隔离放大器分别与DDS2和DDS3连接，DDS2分别连接第一走时计数器和单片机，第一走时计数器连接第一锁存器，DDS3分别连接低通滤波模块和单片机，第一锁存器与单片机连接。

进一步，补偿模块包括电压基准1、电压基准2、D/A直流电压、温控模块；电压基准1连接VCXO，电压基准2连接D/A直流电压，D/A直流电压分别连接单片机、VCXO，温控模块分别与单片机、VCXO连接。

进一步，温控模块置于VCXO外壁。

进一步，温控模块包括电压源、温度采集模块、差分放大器A、负反馈电阻Rw和加热线圈环路；温度采集模块分别连接电压源和差分放大器A，差分放大器A分别连接负反馈电阻Rw、加热线圈环路和电压源。

进一步，温度采集模块包括两个电阻R、电阻R1和电阻Rk组成的电桥；且两个电阻R以及电阻R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值与电阻Rk相当。

进一步，电阻Rk为热敏电阻，且贴于VCXO的表面。

更进一步，电阻Rw采用数字电位计。

具体实施时，如图1所示，一种时域测量系统，包括被测频率源、高稳定度信号源VCXO、归一化模块、频率测量仪、补偿模块、单片机和PC。

并且，被测频率源：输出被测的时域频率信号。VCXO：高稳定度频率信号源。归一化模块：对被测频率源输出的信号进行归一化处理，得到标准的1MHz检定用信号频率标准。频率测量仪：在外部参考源时钟的作用下下，对归一化模块输出的信号频率按照采样时间T＝10秒进行时域频率测量，并将测量结果送至PC中。补偿模块：对VCXO输出误差频率进行补偿。

而且，归一化模块包括第一隔离放大器、第一DDS分频率单元、第二DDS分频率单元。

如图2所示，VCXO输出的参考频率信号f₀经过隔离放大器1后被送至第一DDS分频率单元的外时钟输入端，作为第一DDS分频率单元工作外部参考时钟，同时第一DDS分频率单元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。实际选用的第一DDS分频率单元的DDS1芯片内部有2个48位频率控制寄存器(F0、F1)，对于本实施例参考频率信号f₀为10MHz，当不使用DDS1内部PLL倍频功能时，48位的频率控制寄存器F0全填充1时，DDS1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DDS1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：

其中，D为所需要计算的具体分频数值，f₀为参考信号频率，本实施例中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DDS1相应的串行通讯时序，将分频数值D写入DDS1相应缓存器后，得到最终的DDS1端采样时间信号T输出。工作流程如图3所示。

被测频率信号送至第二DDS分频率单元工作流程如图4所示。当被测频率信号的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，其中一路DDS2对被测频率信号进行1/100分频处理。被测信号经第二隔离放大器后直接送入DDS2的外部时钟输入端，作为DDS2工作时的参考时钟。DDS2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，送至第一走时计数器进行粗频率测量，单片机读取第一锁存器对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后便可得到被测信号的粗频率值F。

另一路经过第二隔离放大器的被测信号被送至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为通过第一走时计数器计数、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。

而且，如图5所示，补偿模块包括电压基准1、电压基准2、D/A直流电压、温控模块。

并且，电压基准1提供一路稳定的电压输出送至VCXO；电压基准2提供一路稳定的电压参考送至D/A直流电压的外部电压参考端。D/A直流电压受单片机控制输出大小可变的直流电压值，并送至VCXO。VCXO受电压基准1及D/A直流电压输出的电压作用，输出相应的频率。

温控模块，里面含有温控芯片、以及热敏电阻，温控芯片用于控温，热敏电阻用于测温。受单片机控制可以设定温度值T，由于整个温控模块置于VCXO外壁上，所以单片机可以设置VCXO的工作环境温度、以及获得VCXO实际的工作环境温度信息。其原理如图6所示。

其中两个R以及R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值应该选择与Rk相当。这里R1的值反映了实际VCXO工作环境温度T。Rk为一个热敏电阻，它贴于VCXO的表面，用以感知VCXO实际的工作环境温度T。故当VCXO的工作环境温度T无变化时，上图中电桥处于平衡，输送至压控变换模块的温度补偿电压值为0。一旦VCXO的工作环境温度T发生变化，如果温度升高，则热敏电阻Rk的阻值将变小；如果温度降低，则热敏电阻Rk的阻值将变大，那么电桥两端存在电压差，经运算放大器A差分放大后变为温度补偿电压输送至电压源，同时输出给传统加热丝线圈环路。整个电路的放大增益由运算放大器的负反馈电阻Rw调节，Rw为一数字电位计，通过调节Rw的阻值以达到上述电路补偿因子改变功能。

而且，对补偿模块中元件进行筛选：

1、电压基准1、电压基准2具有相同的温度系数，即温度每变化1℃，引起的相应电压基准参考值变化一致，例如为：-1E-3(V/℃)。

2、根据VCXO的温度特征曲线，通过单片机设置VCXO的具体工作温度点，使VCXO在此工作点左右具有与1中所述电压基准相反的温度特性，如，1中电压基准为负温度系数，则相应地选择VCXO为正的温度系数，例如选择具体值为：+1E-10/℃，即温度每变化1℃，将引起VCXO输出信号频率变化+1E-10。

3、选择相应的VCXO的压控斜率值，如选择1E-7/V，由于电压基准作用于VCXO使其输出不同频率，结合1所述可以获得相应温度变化引起的电压基准变化作用于VCXO后导致的输出信号频率变化率为：

-1E-3(V/℃)×1E-7(V)＝-1E-10/℃

选择老化漂移率较小的VCXO，例如：-1E-6/年，按一年365天换算得到:-2.7E-9/天。如图7所示。

而且，频率测量仪的工作流程如图8、图9所示，被测频率信号经过第二DDS分频率单元处理后得到的1MHz频率信号与10MHz参考时钟信号分别送至频率测量仪。如单片机依据参考时钟信号经第一DDS分频率单元处理后得到的采样时间信号T的上升沿使能两路频率信号进行测量，具体的：在一个采样信号T上升沿后，当被测频率信号和外部参考频率信号的上升沿到来时，单片机分别使能第二走时计数器和第三走时计数器进行频率计数。在一个采样信号T下降沿后，当被测频率信号和外部参考频率信号的上升沿到来时，单片机分别使能第二走时计数器和第三走时计数器结束频率计数，同时获得图8中的一个完整采样信号T时间内，被测频率信号和外部参考频率信号的总脉冲数N1和N2。并使能第二锁存器和第三锁存器分别对第二走时计数器和第三走时计数器的计数值进行锁存。设被测频率信号的频率为Fx，参考频率信号的频率为fo(实际中为10MHz)，在闸门时间T内，计数器对被测信号及参考频率信号的计数分别为N1，N2，则有：

由式(5)可知，被测频率信号的频率fx与参考频率信号的频率fo及两计数器的计数值N₁，N₂有关。在完整的一个采样周期T内，第二锁存器和第三锁存器保存的第二走时计数器和第三走时计数器的读数值N1、N2传递给单片机，在公式(5)中我们认为参考频率信号的频率fo是不变的，即10MHz，所以我们可以很容易获得被测信号的频率值fx。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种时域测量系统，其特征是，包括被测频率源、归一化模块、VCXO、频率测量仪、单片机、补偿模块和PC；被测频率源连接归一化模块，归一化模块分别与VCXO、频率测量仪、单片机相连，单片机分别与频率测量仪、补偿模块相连，频率测量仪分别与VCXO、PC相连；被测频率源用于输出被测的时域频率信号；归一化模块用于对被测频率源输出的信号进行归一化处理，得到标准的1MHz检定用信号频率标准；VCXO用于输出参考频率信号；频率测量仪在外部参考源时钟的作用下，对归一化模块输出的信号频率按照采样时间T＝10秒进行时域频率测量，并将测量结果送至PC中；补偿模块对VCXO输出误差频率进行补偿。

2.如权利要求1所述的时域测量系统，其特征是，归一化模块包括第一隔离放大器，第一DDS分频率单元，第二DDS分频率单元；第一隔离放大器分别与第一DDS分频率单元和频率测量仪连接，第一DDS分频率单元连接单片机，第二DDS分频率单元分别与单片机和频率测量仪连接。

3.如权利要求1所述的时域测量系统，其特征是，单片机通过RS232串行接口与PC端通讯连接。

4.如权利要求2所述的时域测量系统，其特征是，第二DDS分频率单元包括第二隔离放大器、DDS2、第一走时计数器、第一锁存器、DDS3、低通滤波模块；第二隔离放大器分别与DDS2和DDS3连接，DDS2分别连接第一走时计数器和单片机，第一走时计数器连接第一锁存器，DDS3分别连接低通滤波模块和单片机，第一锁存器与单片机连接。

5.如权利要求1所述的时域测量系统，其特征是，补偿模块包括电压基准1、电压基准2、D/A直流电压、温控模块；电压基准1连接VCXO，电压基准2连接D/A直流电压，D/A直流电压分别连接单片机、VCXO，温控模块分别与单片机、VCXO连接。

6.如权利要求5所述的时域测量系统，其特征是，温控模块置于VCXO外壁。

7.如权利要求5所述的时域测量系统，其特征是，温控模块包括电压源、温度采集模块、差分放大器A、负反馈电阻Rw和加热线圈环路；温度采集模块分别连接电压源和差分放大器A，差分放大器A分别连接负反馈电阻Rw、加热线圈环路和电压源。

8.如权利要求7所述的时域测量系统，其特征是，温度采集模块包括两个电阻R、电阻R1和电阻Rk组成的电桥；且两个电阻R以及电阻R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值与电阻Rk相当。

9.如权利要求8所述的时域测量系统，其特征是，电阻Rk为热敏电阻，且贴于VCXO的表面。

10.如权利要求7所述的时域测量系统，其特征是，电阻Rw采用数字电位计。