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一种高精度频率测量装置制造方法
【专利摘要】本发明为了更稳定地实现频率的测量，提供了一种高精度频率测量装置，包括：铯钟标准频率发生器、第一整形电路、第二整形电路、倍频电路、相控跟随电路、高频基准频率发生器、闸门信号产生器、第一数字频率乘法器、第二数字频率乘法器、第一DDS、第二DDS、第三DDS和MCU。本发明的方案能够有效地提高频率信号的稳定性，减少模拟频率测量环节。
【专利说明】一种高精度频率测量装置

【技术领域】
[0001] 本发明属于电测量【技术领域】，具体涉及一种高精度频率测量装置。

【背景技术】
[0002] 随着科学技术的飞速发展，频率计作为一种测量工具已经成为科研、实验、教学工 作中不可缺少的工具。市售的数字频率计都是由专门的频率测量芯片组装而成，其精度高、 功能强，但价格昂贵且操作复杂。
[0003] 用于频率测量的方法有很多，频率测量的准确度主要取决于所测量的频率范围和 被测对象的特点。测量的精度不仅仅取决于作为标准器使用的频率源的精度，也取决于所 用的测量设备和测量方法。目前常用的频率测量方法有：直接测频法、多周期同步测频法、 模拟内插法、时间-幅度转换法和游标法等。
[0004] 目前，基于群相位的频率测量方法是测量方法的研究热点，其是建立在被测信号 fx与频标信号f〇存在一定关系即频率关系固定且存在一定频差的基础之上的，这种情况 下，相位量子的变化规律具有一定的线性特征，运用群相位关系实现频率的高分辨率测量。
[0005] 申请人:向国家知识产权局提交的申请号为CN201110279368的发明专利申请提出 一种基于频率与相位关系辅助处理的频率和相位差精密测量方法，铯钟输出的10MHz频标 先经过整形电路和可调脉冲产生电路生成脉冲信号，再由DDS自动合成频率f0, f0的值取 决于经过单片机粗测过的fx，使得fx与f〇的群周期的整数倍等于测量闸门的时间值，并 且fx与f〇的群相位量子的值等于群相位重合检测电路的分辨率，然后将f〇, fx送入异频 相位重合检测电路产生实际测量闸门，控制计数器工作，MCU根据计数结果计算出fx的值， 最终由IXD显示输出。
[0006] 然而，上述方案使用了多个计数器和两个闸门，并利用了多周期同步测频法进行 测量，其测量精度受到计数器和闸门控制精度的制约。而且，在测量初始阶段，由于被测信 号本身的原因产生振荡或自激。


【发明内容】

[0007] 为了克服现有技术的不足，同时仍然确保频率测量的高精度和高稳定度效果，本 发明提出了一种高精度频率测量装置。
[0008] 为了达到上述目的，采用如下的技术方案：一种高精度频率测量装置，包括铯钟 标准频率发生器、第一整形电路、第二整形电路、倍频电路、相控跟随电路、高频基准频率发 生器、闸门信号产生器、第一数字频率乘法器、第二数字频率乘法器、第一 DDS、第二DDS、第 三DDS和MCU，其中，所述铯钟标准频率发生器产生的标准频率输入到第一整形电路，第一 整形电路的输出端分别连接到倍频电路和相控跟随电路，倍频电路的输出端分别连接高频 基准频率发生器的输入端和第一数字频率乘法器的输入端，被测频率端经第二整形电路的 输出以及相控跟随电路的输出输入到第一数字频率乘法器，第一数字频率乘法器的输出端 连接闸门信号产生器，闸门信号产生器的输出端与被测频率端的输出端口共同连接到第一 DDS的输入端，被测频率端经过第二整形电路连接到第二数字频率乘法器的一个输入端以 及相控跟随电路，第二数字频率乘法器的另外两个输入端分别连接第一 DDS的输出端和高 频基准频率发生器的输出端，第二数字频率乘法器具有两个输出端，其中一个连接第二DDS 的输入端，另一个连接第三DDS的输入端，第二DDS的输出端以及第三DDS的输出端连接 MCU，MCU输出被测频率的测量结果。
[0009] 进一步地，所述第一整形电路和第二整形电路分别包括放大器和滤波器。
[0010] 进一步地，所述第二整形电路还包括数字化整形单元。
[0011] 进一步地，所述数字化整形单元为IIR滤波器。
[0012] 进一步地，所述倍频电路还可以是占空比可调整的分频电路。
[0013] 本发明的有益效果如下： (1)采用多个DDS进行频率数字化处理，能够提高频率信号的稳定性，减少了模拟频率 的测量。
[0014] (2)采用相控跟随器和数字频率乘法器共同作为反馈环节的核心，能够对被测频 率产生数字化的反馈。
[0015] (3)减少了闸门电路和计数器电路，使频率测量更容易从数字域的角度实现高精 度、高稳定度的测量。
[0016] (4)倍频电路或分频电路、多个数字频率乘法器的使用使得测量精度、测量速度是 可控的和可调的，从而在不需要最高精度运行的情况下可以使用，使得本发明的装置具有 广泛的测量场景，适用性强。

【专利附图】

【附图说明】
[0017] 图1为本发明实施例的结构框图。
[0018] 图2为本发明实施例的相控跟随电路的原理框图。

【具体实施方式】
[0019] 实施例一 如图1所示，一种高精度频率测量装置，包括铯钟标准频率发生器、第一整形电路、第 二整形电路、倍频电路、相控跟随电路、高频基准频率发生器、闸门信号产生器、第一数字频 率乘法器、第二数字频率乘法器、第一 DDS、第二DDS、第三DDS和MCU，其中，所述铯钟标准频 率发生器产生的标准频率输入到第一整形电路，第一整形电路的输出端分别连接到倍频电 路和相控跟随电路，所述倍频电路的输出端分别连接高频基准频率发生器的输入端和第一 数字频率乘法器的输入端，被测频率端经第二整形电路的输出以及相控跟随电路的输出被 输入到第一数字频率乘法器，第一数字频率乘法器的输出端连接闸门信号产生器，闸门信 号产生器的输出端与被测频率端的输出端共同连接到第一 DDS的输入端，被测频率端经过 第二整形电路连接到第二数字频率乘法器的一个输入端以及相控跟随电路，第二数字频率 乘法器的另外两个输入端分别连接第一 DDS的输出端和高频基准频率发生器的输出端，第 二数字频率乘法器具有两个输出端，其中一个连接第二DDS的输入端，另一个连接第三DDS 的输入端，第二DDS的输出端以及第三DDS的输出端连接MCU，MCU输出被测频率的测量结 果。
[0020] 所述第一整形电路包括放大器，所述第二整形电路包括模拟信号滤波器和IIR滤 波器。本高精度频率测量装置增加了信号反馈部分，其包括相控跟随电路、第一数字频率乘 法器、闸门信号产生器、第一 DDS和第二整形电路。
[0021] 本发明的原理如下： 铯钟标准频率发生器产生10MHz的标准频率fO,经过放大器后得到的幅度的放大。假 定放大倍数为A，则放大后的输出频率信号的幅度为A|f〇|，其中|f〇|表示标准频率f0的 幅值。该幅度为A|f〇|的频率信号被分成两路，一路输入到相控跟随电路，另一路经过倍频 电路变为例如20MHz的频率信号，该20MHz的频率信号传输到高频基准频率发生器和第一 数字频率乘法器两个单元。
[0022] 高频基准频率发生器产生1GHz的高频频率，该频率发生器采用外部高精度的 20MHz频率进行频率校准。这种高频频率能够提高在第二数字频率乘法器进行频率相乘时 的频率精度，下面将会更详细地说明其精度原理。
[0023] 被测频率经由被测频率端(一般为频率探头）输入到第一 DDS和第二整形电路中。 这种将信号分为一路经过信号整形以后再使用而另一路不经过整形就直接使用的方式，能 够最大限度地保留被测信号的成分，使得第二数字频率乘法器能够尽可能地得到更丰富的 频率资源。
[0024] 其中，经过模拟滤波器输出的被测频率信号滤除了超高频带、超低频带等频带的 频率。经过模拟滤波器滤波后的信号分别输出到相控跟随电路和第一数字频率乘法器。
[0025] 该相控跟随电路主要是由⑶4046集成锁相环构成的PLL锁相环电路，包括鉴相器 PD、压控振荡器VC0和外接R、C构成的无源低通滤波器LPF，如图2所示。锁相环电路的基 本工作原理是通过比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，调节VC0输出频率 来达到输入、输出信号同相位的目的。
[0026] uO为实际负载电压相位信号，uO经采样整形电路产生延时dl，得到方波信号ul。 ul经RC调整延时产生延时补偿d2,得到负载电压相位方波信号u，在传统锁相环相位跟踪 电路中U和u'为同一信号，作为鉴相器的一路输入。
[0027] i0为开关器件开关换流相位信号，可由VC0输出的开关器件开关驱动信号il代 替，d0是开关器件开关换流时间，也就是il和i0之间的实际延时差值。il经过RC调整延 时产生延时补偿d3,得到开关器件开关换流电流相位方波信号i，作为鉴相器ro的另一路 输入。
[0028] 由于PLL锁相环电路的锁相作用，使得u(或u'）和i两个方波信号保持同相位， 相位差为零。d4则为uO的过零点与i0的过零点之间的时间间隔，即uO和i0之间的相位 差，显然 d4 = (d3-d2)-dl-d0。
[0029] 对于人为调整好的Rl、R2,则电源工作时d2、d3是固定不变的，因此d4的大小由 d0和dl决定。若d4 = 0,负载工作在准谐振状态，开关器件可实现零电流关断（ZCS)和最 低电压下开通；若d4 < 0,负载工作在感性状态（i0的过零点落后于uO的过零点），此时流 出相开关器件是硬关断的，且由于回路存在引线电感，使开关器件关断时产生一个尖峰电 压；若d4 > 0,负载工作在容性状态（i0的过零点超前于uO的过零点），此时流入相开关器 件导通时电压较高，有导通冲击电流，同时与流出相开关器件串联的二极管换流后会承受 反压，反压越大，反向恢复电流越大，二极管功耗也越大。
[0030] 同时，被测频率经过IIR滤波器后输出到第一数字频率乘法器，与倍频电路的输 出进行相乘，产生经过铯钟标准频率发生器输出的标准信号校准的频率信号。至此，如果被 测频率端得到的待测频率信号有一定的波动，或者刚开始测量时产生不稳定情况，则该不 稳定的频率信号将被相控跟随电路和第一数字频率乘法器进行混合，并反馈回闸门信号产 生器的输入端，通过闸门信号的控制，输入到第一 DDS进行数字化，从而提高了频率信号的 稳定性，尽可能地消除了自激、振荡等情况对于频率测量的干扰。
[0031] 闸门信号产生器采用数字化计数器，例如多位二进制输出串行计数器，常用的有 ⑶4024、⑶4040和⑶4060等，它们都是由T型触发器组成的二进制计数器，不同之处在于 其位数。多位二进制计数器在此主要用于定时。在预定的时刻输出第一数字频率乘法器的 输出信号给第一 DDS。
[0032] 第一 DDS的输出信号与前述1GHz的信号，以及经过IIR滤波器滤波的数字化的被 测频率共同被输入到第二数字频率乘法器。由于1GHz这种高频信号的作用，使得在进行乘 法运算的过程中，被测量的频率信号的低频和高频均被尽可能地放大。第二DDS和第三DDS 分别用于处理低频信号和高频信号，当信号输出到第二DDS和第三DDS时，将被分为低频 DDS和高频DDS适用的两部分信号，分别进行处理时，有利于提高最终测量结果的精确度。
[0033] 第二DDS和第三DDS的输出信号均被输入到MCU的两个输入引脚，其中例如采用 PIC16F690-I/S0单片机作为MCU。处理过程中，对两个输入引脚的信号分别进行计数，并在 计数后相加。最终相加的结果即为被测量的频率。
[0034] 表1信号频率测量实验结果

【权利要求】
1. 一种高精度频率测量装置，其特征在于包括铯钟标准频率发生器、第一整形电路、第 二整形电路、倍频电路、相控跟随电路、高频基准频率发生器、闸门信号产生器、第一数字频 率乘法器、第二数字频率乘法器、第一 DDS、第二DDS、第三DDS和MCU，其中，所述铯钟标准频 率发生器产生的标准频率输入到第一整形电路，第一整形电路的输出端分别连接到倍频电 路和相控跟随电路，所述倍频电路的输出端分别连接高频基准频率发生器的输入端和第一 数字频率乘法器的输入端，被测频率端经第二整形电路的输出以及相控跟随电路的输出被 输入到第一数字频率乘法器，第一数字频率乘法器的输出端连接闸门信号产生器，闸门信 号产生器的输出端与被测频率端的输出端共同连接到第一 DDS的输入端，被测频率端经过 第二整形电路连接到第二数字频率乘法器的一个输入端以及相控跟随电路，第二数字频率 乘法器的另外两个输入端分别连接第一 DDS的输出端和高频基准频率发生器的输出端，第 二数字频率乘法器具有两个输出端，其中一个连接第二DDS的输入端，另一个连接第三DDS 的输入端，第二DDS的输出端以及第三DDS的输出端连接MCU，MCU输出被测频率的测量结 果。
2. 根据权利要求1所述的高精度频率测量装置，其特征在于所述第一整形电路和第二 整形电路分别包括放大器和滤波器。
3. 根据权利要求2所述的高精度频率测量装置，其特征在于所述第二整形电路还包括 数字化整形单元。
4. 根据权利要求3所述的高精度频率测量装置，其特征在于所述数字化整形单元为 IIR滤波器。
5. 根据权利要求1所述的高精度频率测量装置，其特征在于用占空比可调整的分频电 路代替倍频电路。
【文档编号】G01R23/02GK104090160SQ201410242813
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】方洁, 邓玮, 曹卫锋, 吴青娥, 毋媛媛, 方娜, 吴振军, 郑晓婉, 刘娜 申请人:郑州轻工业学院