CN214503748U

CN214503748U - 一种频标比对装置

Info

Publication number: CN214503748U
Application number: CN202120648481.2U
Authority: CN
Inventors: 陈旭东; 王敬; 喻韬; 刘岩; 马立波; 徐华正; 王宇
Original assignee: BEIJING INSTITUTE OF TRACKING AND COMMUNICATION TECHNOLOGY
Current assignee: BEIJING INSTITUTE OF TRACKING AND COMMUNICATION TECHNOLOGY
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2031-03-30

Abstract

本公开实施例公开了一种频标比对装置。所述装置包括：微控制器、直接数字频率合成器和鉴相器；所述直接数字频率合成器用于调整参考频标生成与被测频标的初测频率同频的参考信号，并将所述参考信号传输至所述鉴相器；所述鉴相器用于将所述参考信号与所述被测频标鉴相后输出误差电压；所述微控制器用于周期性采集所述误差电压，并根据所述误差电压与设定值的差值控制所述直接数字频率合成器调整所述参考频标，以使所述鉴相器根据调整后的所述参考信号实现对所述被测频标的相位锁定。该技术方案解决了任意被测信号不经频率合成和变换就能完成被测信号的频率准确度、频率稳定度测量问题，有效减少了频标比对装置复杂度、降低了成本。

Description

一种频标比对装置

技术领域

本公开涉及时间频率测量技术领域，具体涉及一种频标比对装置。

背景技术

频标比对器是时间频率领域中的一种常用测试仪器，常用于测量频标的时域特性或频域特性。使用时分别输入被测频标和参考频标，测量被测频标与参考频标间的频率、相位偏差值，并通过后续计算得到被测频标的频率准确度、频率稳定度、频率漂移率、频率老化率等指标。

通用频标比对器实现的主要原理是通过频差倍增技术、双混频时差技术和数字式双混频时差技术提高频率测量的分辨力。频差倍增技术和双混频时差技术是由计数器测得两个频标的平均频率差或相位差，再由后处理程序计算时域技术指标；数字式双混频时差技术是对两个频标信号进行数字化采样，经数字下变频、数字鉴相等数字信号处理得到相位差数据，再进一步计算得到时域或频域技术指标。上述方式电路构成复杂、硬件成本高，难以满足小型化测试装置设计需求。

实用新型内容

为了解决相关技术中的问题，本公开实施例提供一种频标比对装置。

本公开实施例中提供了一种频标比对装置。

具体地，所述频标比对装置，包括：微控制器、直接数字频率合成器和鉴相器；

所述直接数字频率合成器用于调整参考频标生成与被测频标的初测频率同频的参考信号，并将所述参考信号传输至所述鉴相器；其中，所述被测频标的初测频率由第一定时器预先测量得到；

所述鉴相器用于将所述参考信号与所述被测频标鉴相后输出误差电压；

所述微控制器与所述鉴相器信号连接，用于周期性采集所述误差电压，并根据所述误差电压与设定值的差值控制所述直接数字频率合成器调整所述参考频标，以使所述鉴相器根据调整后的所述参考信号实现对所述被测频标的相位锁定；其中，所述设定值根据所述鉴相器输入相同的两路参考频标测量得到。

可选地，所述装置还包括：

第一低通滤波器，设置在所述直接数字频率合成器与所述鉴相器之间，用于对所述参考信号进行滤波处理，消除所述参考信号的高频分量；和/或

第二低通滤波器，设置在所述鉴相器与所述微控制器之间，用于对所述误差电压进行滤波处理，消除所述误差电压的抖动。

可选地，模拟数字转换器，设置在所述第二低通滤波器与所述控制器之间，用于数字化采集所述第二低通滤波器输出的误差电压。

可选地，所述装置还包括：

USB/串口转换器，与所述微控制器连接。

本公开实施例提供的频标比对装置，包括：微控制器、直接数字频率合成器和鉴相器；所述直接数字频率合成器用于调整参考频标生成与被测频标的初测频率同频的参考信号，并将所述参考信号传输至所述鉴相器；其中，所述被测频标的初测频率由第一定时器预先测量得到；所述鉴相器用于将所述参考信号与所述被测频标鉴相后输出误差电压；所述微控制器与所述鉴相器信号连接，用于周期性采集所述误差电压，并根据所述误差电压与设定值的差值控制所述直接数字频率合成器调整所述参考频标，以使所述鉴相器根据调整后的所述参考信号实现对所述被测频标的相位锁定；其中，所述设定值根据所述鉴相器输入相同的两路参考频标测量得到。该技术方案根据鉴相器输出的误差电压，利用直接数字频率合成器对被测频标的同频参考信号进行调整，进而根据调整量计算被测频标的频率参数，解决了任意被测信号不经频率合成和变换就能完成被测信号的频率准确度、频率稳定度测量问题，有效减少了频标比对装置复杂度、降低了成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：

图1示出根据本公开实施例的频标比对装置的结构原理示意图；

图2示出根据本公开实施例的频标比对方法的流程图；

图3示出根据本公开实施例的频标比对方法的工作原理示意图。

具体实施方式

下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施例，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施例无关的部分。

在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。

另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

在本公开中，如涉及对用户信息或用户数据的获取操作或向他人展示用户信息或用户数据的操作，则所述操作均为经用户授权、确认，或由用户主动选择的操作。

现有技术中，通用频标比对器实现的主要原理是通过频差倍增技术、双混频时差技术和数字式双混频时差技术提高频率测量的分辨力。频差倍增技术和双混频时差技术是由计数器测得两个频标的平均频率差或相位差，再由后处理程序计算时域技术指标；数字式双混频时差技术是对两个频标信号进行数字化采样，经数字下变频、数字鉴相等数字信号处理得到相位差数据，再进一步计算得到时域或频域技术指标。上述方式电路构成复杂、硬件成本高，难以满足小型化测试装置设计需求。

本公开实施例提供的技术方案，根据鉴相器输出的误差电压，利用直接数字频率合成器对被测频标的同频参考信号进行调整，进而根据调整量计算被测频标的频率参数，解决了任意被测信号不经频率合成和变换就能完成被测信号的频率准确度、频率稳定度测量问题，有效减少了频标比对装置复杂度、降低了成本。

图1示出根据本公开实施例的频标比对装置的结构原理示意图。

如图1所示，频标比对装置包括：微控制器1、直接数字频率合成器2、第一低通滤波器3、鉴相器4、第二低通滤波器5和模拟数字转换器6；

所述直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)2用于调整参考频标生成与被测频标的初测频率同频的参考信号，并将所述参考信号传输至所述鉴相器4；其中，所述被测频标的初测频率由第一定时器预先测量得到；

所述鉴相器4用于将所述参考信号与被测频标信号鉴相后输出误差电压；

所述微控制器1与所述鉴相器4信号连接，用于周期性采集所述误差电压，并根据所述误差电压与设定值的差值控制所述直接数字频率合成器2调整所述参考频标，以使所述鉴相器4根据调整后的所述参考信号实现对所述被测频标的相位锁定；其中，所述设定值根据所述鉴相器输入相同的两路参考频标测量得到；

第一低通滤波器3设置在所述直接数字频率合成器2与所述鉴相器4之间，用于对所述参考信号进行滤波处理，消除所述参考信号的高频分量；

第二低通滤波器5设置在所述鉴相器4与所述微控制器1之间，用于对所述误差电压进行滤波处理，消除所述误差电压的抖动；

模拟数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)6设置在所述第二低通滤波器5与所述微控制器1之间，用于数字化采集所述第二低通滤波器5输出的误差电压。

根据本公开的实施例，微控制器1是频标比对装置的数据处理模块，通过例如SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口的接口控制直接数字频率合成器2实现频率、相位微调功能，并可通过SPI接口读取模拟数字转换器6采集鉴相器4输出的电压值。

本领域普通技术人员可以理解，微控制器1还可以通过USB口、网口等其它接口方式控制直接数字频率合成器2，本公开对此不作限定。

根据本公开的实施例，直接数字频率合成器2在微控制器1控制下，实现参考频标信号的频率、相位微调。具体地，微控制器1通过配置直接数字频率合成器2的频率控制字来调整参考频标的频率，通过配置相位控制字来调整参考频标的相位。根据频率控制字、相位控制字产生频率、相位固定的正弦数字序列，然后转化为同频参考信号，例如模拟信号。

根据本公开的实施例，第一低通滤波器3可以采用12MHz低通滤波器，用于消除同频参考信号高频分量，提高信号质量。一些情况下，第一低通滤波器3也可以采用其它滤波带宽，或者省略，本公开对此不做限制。

根据本公开的实施例，鉴相器4具有实现两路输入信号间的相位差-电压转换功能，在直接数字频率合成器2对参考信号进行频率、相位微调，以实现对被测频标的相位锁定，锁定时输出的误差电压与实际硬件电路有关，不同的电路的值会不一样，可通过输入两个同频同相的信号，测量输出的误差电压，以此作为设定值。若鉴相器4输出的误差电压低于设定值时，则正向调整直接频率合成器4输出的参考信号与被测频标间的频率、相位差值，若鉴相器4输出的误差电压高于设定值时，则反向调整直接频率合成器4输出的参考信号与被测频标间的频率、相位差值。之后记录直接数字频率合成器2的频率、相位调整量作为原始数据计算被测频标信号的频率参数，例如频率准确度、频率稳定度、频率漂移率以及频率老化率中的一种或几种，相应的数据处理可参照国家检定规程对有关频标特性测试的规定。

根据本公开的实施例，第二低通滤波器5可以采用100KHz低通滤波器，用于消除鉴相器4输出电压的抖动。一些情况下，第二低通滤波器5也可以采用其它滤波带宽，或者省略，本公开对此不做限制。

根据本公开的实施例，所述频标比对装置还包括：USB/串口转换器7，与所述微控制器1连接，用于数据交换。

根据本公开的实施例，所述频标比对装置还配置有电源8，具有电源转换功能，可输出3.3V电压供其他芯片使用。

根据本公开的实施例，参考频标可以经过放大器(AMP)处理后输入至直接数字频率合成器2，以提高信号处理精度。同理，被测频标信号也可以经过放大器(AMP)处理后输入至鉴相器4，本公开对此不做限制。

图2示出根据本公开实施例的频标比对方法的流程图。如图2所示，所述频标比对方法包括以下步骤S110-S130：

在步骤S110中，直接数字频率合成器调整参考频标生成与被测频标的初测频率同频的参考信号，并将所述参考信号传输至鉴相器；其中，所述被测频标的初测频率由第一定时器预先测量得到；

在步骤S120中，所述鉴相器将所述参考信号与所述被测频标鉴相后输出误差电压；

在步骤S130中，微控制器周期性采集所述误差电压，并根据所述误差电压与设定值的差值调整所述参考频标，以使所述鉴相器根据调整后的所述参考信号实现对所述被测频标的相位锁定；其中，所述设定值根据所述鉴相器输入相同的两路参考频标测量得到。

根据本公开的实施例，所述根据所述误差电压与设定值的差值调整所述参考频标包括：

根据所述误差电压与设定值的差值调整参考频标的频率和/或相位。

在本公开方式中，可以先粗调参考频标的频率，待误差电压与设定值接近时，再细调参考频标的相位，以实现鉴相器对被测频标的相位锁定，输出与设定值相同的误差电压。

根据本公开的实施例，所述方法还包括：

第一低通滤波器对所述参考信号进行第一滤波处理，消除所述参考信号的高频分量；和/或

第二低通滤波器对采集到的所述误差电压进行第二滤波处理，消除所述误差电压的抖动。

在本公开方式中，分别对参考信号和/或电压值进行滤波处理，以减少被测频标信号的频率参数的计算误差。

根据本公开的实施例，根据所述参考频标、参考频标的调整量计算所述被测频标的频率参数；其中，所述频率参数至少包括以下一种或几种：频率准确度、频率稳定度、频率漂移率以及频率老化率。

根据本公开的实施例，所述数据处理模块根据所述参考频标、参考频标的调整量计算所述被测频标的频率参数包括：

将所述参考频标的调整量转换为所述参考频标与所述被测频标之间的频率差值数据、相位差值数据；

根据所述参考频标以及至少一组所述频率差值数据、相位差值数据计算所述被测频标的频率参数。

在本公开方式中，调整量是用二进制表示的，可以通过一定的换算关系转化为频率差值数据、相位差值数据。具体可参照现有技术，本公开在此不予赘述。

在本公开方式中，在微控制器周期性采集所述误差电压的过程中，将周期内每次调整误差电压至设定值得到的频率差值数据、相位差值数据作为一组数据，在之后计算被测频标的频率参数时，至少采用一组数据进行计算。具体地，将频率差值数据、相位差值数据通过拟合算法计算被测频标的频率准确度、频率漂移率，通过阿伦方差公式计算被测频标的频率稳定度。

根据本公开的实施例，所述控制算法为PID算法。

本公开实施例还提供一种频标比对方法。

所述频标比对方法包括：

第一定时器测量被测频标的初测频率；

直接数字频率合成器调整参考频标输出与所述被测频标的初测频率同频的参考信号；

第一低通滤波器对所述参考信号进行滤波处理，消除所述参考信号的高频分量；

鉴相器将所述参考信号与所述被测频标鉴相后输出误差电压；

微控制器周期性采集所述误差电压，并根据所述误差电压与设定值的差值计算调整所述参考频标的频率和/或相位的调整量，控制所述直接数字频率合成器根据所述调整量输出调整后的参考信号，以使所述鉴相器根据调整后的所述参考信号实现对所述被测频标的相位锁定；

根据所述参考频标、至少一组频率和/或相位的调整量计算得到被测频标的频率准确度、频率漂移率或者频率稳定度中的至少一种参数。

具体地，图3示出根据本公开实施例的频标比对方法的工作原理示意图。

如图3所示，频标比对装置工作流程如下：

(1)频标比对装置启动；

(2)频标比对装置初始化；

(3)使用定时器测量外部输入频率(例如被测频标)；

(4)依据外部输入信号频率初始化DDS模块，输出与输入信号同频参考信号；

(5)初始化ADC采集模块；

(6)等待定时器中断，驱动ADC模块采集鉴相器输出电压值，实现模拟信号数字信号转换；

(7)对采集到的鉴相器输出进行卡尔曼滤波，滤除噪声抖动；

(8)使用PI算法，计算DDS调整量，通过调整DDS输出信号频率值，实现鉴相器输入参考信号、被测信号间的相位稳定；

(9)将DDS频率调整量发送至数据处理软件进行后续分析处理；

(10)接收到结束测试指令后停止测试。

数据处理软件工作流程如图3所示：

(1)数据处理软件启动；

(2)数据处理软件初始化；

(3)串口初始化；

(4)软件界面初始化；

(5)等待接受频标比对装置输出的频率调整量；

(6)接受后进行数据解析；

(7)数据调整量存储；

(8)对频率调整量进行平均值计算、一次拟合计算、阿伦方差计算；

(9)显示测试结果；

(10)按下结束测试按钮后结束测试。

本公开实施例提供的技术方案，至少具有以下有益效果：

(1)本公开实施例的频标比对装置可实现被测频标参考频标的频率比对。

(2)本公开实施例的频标比对装置可解决任意被测频标不经频率合成和变换就能完成被测频标的频率准确度、频率稳定度测量问题，有效减少频标比对装置复杂度、降低成本。

(3)本公开实施例的频标比对装置可通过数据处理软件实现被测频标频率准确度、频率稳定度测量。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种频标比对装置，其特征在于，包括：微控制器、直接数字频率合成器和鉴相器；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：

模拟数字转换器，设置在所述第二低通滤波器与所述控制器之间，用于数字化采集所述第二低通滤波器输出的误差电压。

4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，还包括：

USB/串口转换器，与所述微控制器连接。