一種高精度頻率測量裝置制造方法
【專利摘要】本發明為了更穩定地實現頻率的測量，提供了一種高精度頻率測量裝置，包括：銫鐘標準頻率發生器、第一整形電路、第二整形電路、倍頻電路、相控跟隨電路、高頻基準頻率發生器、閘門信號產生器、第一數字頻率乘法器、第二數字頻率乘法器、第一DDS、第二DDS、第三DDS和MCU。本發明的方案能夠有效地提高頻率信號的穩定性，減少模擬頻率測量環節。
【專利說明】一種高精度頻率測量裝置
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電測量【技術領域】，具體涉及一種高精度頻率測量裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的飛速發展，頻率計作為一種測量工具已經成為科研、實驗、教學工 作中不可缺少的工具。市售的數字頻率計都是由專門的頻率測量芯片組裝而成，其精度高、 功能強，但價格昂貴且操作復雜。
[0003] 用于頻率測量的方法有很多，頻率測量的準確度主要取決于所測量的頻率范圍和 被測對象的特點。測量的精度不僅僅取決于作為標準器使用的頻率源的精度，也取決于所 用的測量設備和測量方法。目前常用的頻率測量方法有：直接測頻法、多周期同步測頻法、 模擬內插法、時間-幅度轉換法和游標法等。
[0004] 目前，基于群相位的頻率測量方法是測量方法的研究熱點，其是建立在被測信號 fx與頻標信號f〇存在一定關系即頻率關系固定且存在一定頻差的基礎之上的，這種情況 下，相位量子的變化規律具有一定的線性特征，運用群相位關系實現頻率的高分辨率測量。
[0005] 申請人:向國家知識產權局提交的申請號為CN201110279368的發明專利申請提出 一種基于頻率與相位關系輔助處理的頻率和相位差精密測量方法，銫鐘輸出的10MHz頻標 先經過整形電路和可調脈沖產生電路生成脈沖信號，再由DDS自動合成頻率f0, f0的值取 決于經過單片機粗測過的fx，使得fx與f〇的群周期的整數倍等于測量閘門的時間值，并 且fx與f〇的群相位量子的值等于群相位重合檢測電路的分辨率，然后將f〇, fx送入異頻 相位重合檢測電路產生實際測量閘門，控制計數器工作，MCU根據計數結果計算出fx的值， 最終由IXD顯示輸出。
[0006] 然而，上述方案使用了多個計數器和兩個閘門，并利用了多周期同步測頻法進行 測量，其測量精度受到計數器和閘門控制精度的制約。而且，在測量初始階段，由于被測信 號本身的原因產生振蕩或自激。
【發明內容】
[0007] 為了克服現有技術的不足，同時仍然確保頻率測量的高精度和高穩定度效果，本 發明提出了一種高精度頻率測量裝置。
[0008] 為了達到上述目的，采用如下的技術方案：一種高精度頻率測量裝置，包括銫鐘 標準頻率發生器、第一整形電路、第二整形電路、倍頻電路、相控跟隨電路、高頻基準頻率發 生器、閘門信號產生器、第一數字頻率乘法器、第二數字頻率乘法器、第一 DDS、第二DDS、第 三DDS和MCU，其中，所述銫鐘標準頻率發生器產生的標準頻率輸入到第一整形電路，第一 整形電路的輸出端分別連接到倍頻電路和相控跟隨電路，倍頻電路的輸出端分別連接高頻 基準頻率發生器的輸入端和第一數字頻率乘法器的輸入端，被測頻率端經第二整形電路的 輸出以及相控跟隨電路的輸出輸入到第一數字頻率乘法器，第一數字頻率乘法器的輸出端 連接閘門信號產生器，閘門信號產生器的輸出端與被測頻率端的輸出端口共同連接到第一 DDS的輸入端，被測頻率端經過第二整形電路連接到第二數字頻率乘法器的一個輸入端以 及相控跟隨電路，第二數字頻率乘法器的另外兩個輸入端分別連接第一 DDS的輸出端和高 頻基準頻率發生器的輸出端，第二數字頻率乘法器具有兩個輸出端，其中一個連接第二DDS 的輸入端，另一個連接第三DDS的輸入端，第二DDS的輸出端以及第三DDS的輸出端連接 MCU，MCU輸出被測頻率的測量結果。
[0009] 進一步地，所述第一整形電路和第二整形電路分別包括放大器和濾波器。
[0010] 進一步地，所述第二整形電路還包括數字化整形單元。
[0011] 進一步地，所述數字化整形單元為IIR濾波器。
[0012] 進一步地，所述倍頻電路還可以是占空比可調整的分頻電路。
[0013] 本發明的有益效果如下： (1)采用多個DDS進行頻率數字化處理，能夠提高頻率信號的穩定性，減少了模擬頻率 的測量。
[0014] (2)采用相控跟隨器和數字頻率乘法器共同作為反饋環節的核心，能夠對被測頻 率產生數字化的反饋。
[0015] (3)減少了閘門電路和計數器電路，使頻率測量更容易從數字域的角度實現高精 度、高穩定度的測量。
[0016] (4)倍頻電路或分頻電路、多個數字頻率乘法器的使用使得測量精度、測量速度是 可控的和可調的，從而在不需要最高精度運行的情況下可以使用，使得本發明的裝置具有 廣泛的測量場景，適用性強。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明實施例的結構框圖。
[0018] 圖2為本發明實施例的相控跟隨電路的原理框圖。
【具體實施方式】
[0019] 實施例一 如圖1所示，一種高精度頻率測量裝置，包括銫鐘標準頻率發生器、第一整形電路、第 二整形電路、倍頻電路、相控跟隨電路、高頻基準頻率發生器、閘門信號產生器、第一數字頻 率乘法器、第二數字頻率乘法器、第一 DDS、第二DDS、第三DDS和MCU，其中，所述銫鐘標準頻 率發生器產生的標準頻率輸入到第一整形電路，第一整形電路的輸出端分別連接到倍頻電 路和相控跟隨電路，所述倍頻電路的輸出端分別連接高頻基準頻率發生器的輸入端和第一 數字頻率乘法器的輸入端，被測頻率端經第二整形電路的輸出以及相控跟隨電路的輸出被 輸入到第一數字頻率乘法器，第一數字頻率乘法器的輸出端連接閘門信號產生器，閘門信 號產生器的輸出端與被測頻率端的輸出端共同連接到第一 DDS的輸入端，被測頻率端經過 第二整形電路連接到第二數字頻率乘法器的一個輸入端以及相控跟隨電路，第二數字頻率 乘法器的另外兩個輸入端分別連接第一 DDS的輸出端和高頻基準頻率發生器的輸出端，第 二數字頻率乘法器具有兩個輸出端，其中一個連接第二DDS的輸入端，另一個連接第三DDS 的輸入端，第二DDS的輸出端以及第三DDS的輸出端連接MCU，MCU輸出被測頻率的測量結 果。
[0020] 所述第一整形電路包括放大器，所述第二整形電路包括模擬信號濾波器和IIR濾 波器。本高精度頻率測量裝置增加了信號反饋部分，其包括相控跟隨電路、第一數字頻率乘 法器、閘門信號產生器、第一 DDS和第二整形電路。
[0021] 本發明的原理如下： 銫鐘標準頻率發生器產生10MHz的標準頻率fO,經過放大器后得到的幅度的放大。假 定放大倍數為A，則放大后的輸出頻率信號的幅度為A|f〇|，其中|f〇|表示標準頻率f0的 幅值。該幅度為A|f〇|的頻率信號被分成兩路，一路輸入到相控跟隨電路，另一路經過倍頻 電路變為例如20MHz的頻率信號，該20MHz的頻率信號傳輸到高頻基準頻率發生器和第一 數字頻率乘法器兩個單元。
[0022] 高頻基準頻率發生器產生1GHz的高頻頻率，該頻率發生器采用外部高精度的 20MHz頻率進行頻率校準。這種高頻頻率能夠提高在第二數字頻率乘法器進行頻率相乘時 的頻率精度，下面將會更詳細地說明其精度原理。
[0023] 被測頻率經由被測頻率端(一般為頻率探頭）輸入到第一 DDS和第二整形電路中。 這種將信號分為一路經過信號整形以后再使用而另一路不經過整形就直接使用的方式，能 夠最大限度地保留被測信號的成分，使得第二數字頻率乘法器能夠盡可能地得到更豐富的 頻率資源。
[0024] 其中，經過模擬濾波器輸出的被測頻率信號濾除了超高頻帶、超低頻帶等頻帶的 頻率。經過模擬濾波器濾波后的信號分別輸出到相控跟隨電路和第一數字頻率乘法器。
[0025] 該相控跟隨電路主要是由⑶4046集成鎖相環構成的PLL鎖相環電路，包括鑒相器 PD、壓控振蕩器VC0和外接R、C構成的無源低通濾波器LPF，如圖2所示。鎖相環電路的基 本工作原理是通過比較輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的相位差，調節VC0輸出頻率 來達到輸入、輸出信號同相位的目的。
[0026] uO為實際負載電壓相位信號，uO經采樣整形電路產生延時dl，得到方波信號ul。 ul經RC調整延時產生延時補償d2,得到負載電壓相位方波信號u，在傳統鎖相環相位跟蹤 電路中U和u'為同一信號，作為鑒相器的一路輸入。
[0027] i0為開關器件開關換流相位信號，可由VC0輸出的開關器件開關驅動信號il代 替，d0是開關器件開關換流時間，也就是il和i0之間的實際延時差值。il經過RC調整延 時產生延時補償d3,得到開關器件開關換流電流相位方波信號i，作為鑒相器ro的另一路 輸入。
[0028] 由于PLL鎖相環電路的鎖相作用，使得u(或u'）和i兩個方波信號保持同相位， 相位差為零。d4則為uO的過零點與i0的過零點之間的時間間隔，即uO和i0之間的相位 差，顯然 d4 = (d3-d2)-dl-d0。
[0029] 對于人為調整好的Rl、R2,則電源工作時d2、d3是固定不變的，因此d4的大小由 d0和dl決定。若d4 = 0,負載工作在準諧振狀態，開關器件可實現零電流關斷（ZCS)和最 低電壓下開通；若d4 < 0,負載工作在感性狀態（i0的過零點落后于uO的過零點），此時流 出相開關器件是硬關斷的，且由于回路存在引線電感，使開關器件關斷時產生一個尖峰電 壓；若d4 > 0,負載工作在容性狀態（i0的過零點超前于uO的過零點），此時流入相開關器 件導通時電壓較高，有導通沖擊電流，同時與流出相開關器件串聯的二極管換流后會承受 反壓，反壓越大，反向恢復電流越大，二極管功耗也越大。
[0030] 同時，被測頻率經過IIR濾波器后輸出到第一數字頻率乘法器，與倍頻電路的輸 出進行相乘，產生經過銫鐘標準頻率發生器輸出的標準信號校準的頻率信號。至此，如果被 測頻率端得到的待測頻率信號有一定的波動，或者剛開始測量時產生不穩定情況，則該不 穩定的頻率信號將被相控跟隨電路和第一數字頻率乘法器進行混合，并反饋回閘門信號產 生器的輸入端，通過閘門信號的控制，輸入到第一 DDS進行數字化，從而提高了頻率信號的 穩定性，盡可能地消除了自激、振蕩等情況對于頻率測量的干擾。
[0031] 閘門信號產生器采用數字化計數器，例如多位二進制輸出串行計數器，常用的有 ⑶4024、⑶4040和⑶4060等，它們都是由T型觸發器組成的二進制計數器，不同之處在于 其位數。多位二進制計數器在此主要用于定時。在預定的時刻輸出第一數字頻率乘法器的 輸出信號給第一 DDS。
[0032] 第一 DDS的輸出信號與前述1GHz的信號，以及經過IIR濾波器濾波的數字化的被 測頻率共同被輸入到第二數字頻率乘法器。由于1GHz這種高頻信號的作用，使得在進行乘 法運算的過程中，被測量的頻率信號的低頻和高頻均被盡可能地放大。第二DDS和第三DDS 分別用于處理低頻信號和高頻信號，當信號輸出到第二DDS和第三DDS時，將被分為低頻 DDS和高頻DDS適用的兩部分信號，分別進行處理時，有利于提高最終測量結果的精確度。
[0033] 第二DDS和第三DDS的輸出信號均被輸入到MCU的兩個輸入引腳，其中例如采用 PIC16F690-I/S0單片機作為MCU。處理過程中，對兩個輸入引腳的信號分別進行計數，并在 計數后相加。最終相加的結果即為被測量的頻率。
[0034] 表1信號頻率測量實驗結果
【權利要求】
1. 一種高精度頻率測量裝置，其特征在于包括銫鐘標準頻率發生器、第一整形電路、第 二整形電路、倍頻電路、相控跟隨電路、高頻基準頻率發生器、閘門信號產生器、第一數字頻 率乘法器、第二數字頻率乘法器、第一 DDS、第二DDS、第三DDS和MCU，其中，所述銫鐘標準頻 率發生器產生的標準頻率輸入到第一整形電路，第一整形電路的輸出端分別連接到倍頻電 路和相控跟隨電路，所述倍頻電路的輸出端分別連接高頻基準頻率發生器的輸入端和第一 數字頻率乘法器的輸入端，被測頻率端經第二整形電路的輸出以及相控跟隨電路的輸出被 輸入到第一數字頻率乘法器，第一數字頻率乘法器的輸出端連接閘門信號產生器，閘門信 號產生器的輸出端與被測頻率端的輸出端共同連接到第一 DDS的輸入端，被測頻率端經過 第二整形電路連接到第二數字頻率乘法器的一個輸入端以及相控跟隨電路，第二數字頻率 乘法器的另外兩個輸入端分別連接第一 DDS的輸出端和高頻基準頻率發生器的輸出端，第 二數字頻率乘法器具有兩個輸出端，其中一個連接第二DDS的輸入端，另一個連接第三DDS 的輸入端，第二DDS的輸出端以及第三DDS的輸出端連接MCU，MCU輸出被測頻率的測量結 果。
2. 根據權利要求1所述的高精度頻率測量裝置，其特征在于所述第一整形電路和第二 整形電路分別包括放大器和濾波器。
3. 根據權利要求2所述的高精度頻率測量裝置，其特征在于所述第二整形電路還包括 數字化整形單元。
4. 根據權利要求3所述的高精度頻率測量裝置，其特征在于所述數字化整形單元為 IIR濾波器。
5. 根據權利要求1所述的高精度頻率測量裝置，其特征在于用占空比可調整的分頻電 路代替倍頻電路。
【文檔編號】G01R23/02GK104090160SQ201410242813
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月4日 優先權日:2014年6月4日
【發明者】方潔, 鄧瑋, 曹衛鋒, 吳青娥, 毋媛媛, 方娜, 吳振軍, 鄭曉婉, 劉娜 申請人:鄭州輕工業學院
專業數控銑床產品供應商
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