一种频标比对装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种基于FPGA的频标比对装置及方法，用于解决现有频标比对装置及方法中存在响应时间长、精度和分辨率低的技术问题，频标比对装置，包括频率合成模块、信号调理模块、相位重合检测模块、相位重合点标定模块和频标计算模块；频标比对方法实施步骤为：获取中介信号，并分别对中介信号、参考信号和被测信号进行信号调理，得到对应的方波信号；将中介方波信号分别与参考方波信号和被测方波信号进行相位重合检测，并将检测结果转换为时间间隔计数值，同时对进行检测结果进行标定；将计数值和标定结果输入频标计算模块进行计算，得到频标比对结果，本发明专利技术的响应实时性强，精度和分辨率高，可用于原子频标准确度和稳定度测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于时间频率测量领域，涉及一种频标比对装置及方法，可用于原子频标的频率准确度和稳定度测量。
技术介绍
频标比对技术涉及到航空航天、导航定位、国防电子技术、通讯工程、电子仪器、天文和计量等众多精密时间和频率测控技术的领域，而且频率标准之间的比对技术是保证这些高新科技发展的基础技术。随着原子频标的研制和生产技术的日趋成熟，原子频标的频率准确度和稳定度稳步提高，制造成本不断降低，原子频标的应用范围也迅速扩大。为了能够更好、更广泛地发挥这些频标的作用，对高精度、高分辨率的频标比对技术的需求也越来越迫切。传统的频标比对方法主要有以下几种：相位比对法、示波器法、频差倍增法、差频周期法和时差法等，其中频差倍增法、差频周期法、时差法和相位比对法都能获得较高的比对分辨率和比对精度。虽然相位比对法的比对分辨率较高，但是比对的响应时间太长，并且存在明显的测量死区和非线性区，只适合于长期指标的测量；频差倍增法的实现结构复杂，并且要用到大量倍频器、混频器和选频线路，附加噪声的来源也多，所以造价高而且比对分辨率的提高潜力有限；差频周期法也要用到低频混频器和低通滤波器等，会引入附加噪声，比对分辨率的提高都受限于混频器的噪声；时差法的实现结构也比较复杂，同样用到了多个混频器、低通滤波器和过零检测器，所以比对分辨率的提高也很受限。传统的频标比对方法存在着比对分辨率低和比对响应时间较长等问题，在众多科技工作者的不懈努力下，研发出了一些比对分辨率较高，比对响应时间较短的频标比对方法。目前应用较为广泛的方法是双混频时差法。传统的双混频时差法，首先，利用频率合成器产生中介频率信号；其次，将中介频率信号分别与参考信号和被测信号送到两个双平衡混频器的输入端，并通过对输出信号进行低通滤波得到两路差频信号；接下来，对两个差频信号分别进行过零检测，并将检测结果分别作为计数闸门的开始信号和结束信号，产生计数闸门；然后，利用时间间隔计数器在计数闸门时间内，对参考信号计数，得到计数结果；最终，利用计数结果计算，得到频标比对结果。利用这种方法获得的频标比对结果，其分辨率取决于差频信号的频率与参考信号频率的比值，由于差频信号的频率远远小于参考频率，因此采用该方法获得的频标比对结果具有较高的比对分辨率，且由于该方法采用双混频的方式进行频差获取，因此该方法的比对响应时间也较短。但是这种方法有明显的缺陷，即采用了混频器、滤波电路和过零检测器等模拟器件，引入了大量的附加噪声，致使比对分辨率和比对精度的提高受到器件精度的制约。近年来，许多科研工作者在传统的双混频时差法的基础上对其进行改进，提出了一些新的频标比对装置及方法。例如，王海2007年在名为“精密时频测量和控制技术研究”的博士论文中提出的一个基于等效鉴相频率的高分辨率频率标准比对器，该频标比对器中包括，用于产生中介频率信号的公共频率源；FPGA，包括两个相位重合检测模块、一个计数闸门生成模块、一个延迟控制模块和一个时间间隔计数模块，用于间接地对被测信号和参考信号进行相位重合检测，并将检测结果转换为时间间隔计数值；微处理器，用于计算频标比对的结果；LCD，用于显示频标比对的结果。该基于等效鉴相频率的高分辨率频率标准比对器使用FPGA获取参考信号和被测信号之间的相位重合点簇，在提高了频率比对分辨率和比对精度的同时，有效地缩短了频标比对的响应时间。但是由于该频标比对器直接利用得到的相位重合点簇作为计数闸门的开始信号和结束信号，会带来计数误差，从而给频标比对结果带来误差；该频标比对器的比对精度和比对分辨率过多地依赖于相位重合检测的精度，而相位重合检测由于其检测线路或器件实现能力的制约，难以达到很高的检测精度，并且致使难以进一步地提高频标比对的精度和分辨率。并且该频标比对器中采用了延时控制模块，致使比对的实时性还有待进一步的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于FPGA的频标比对装置及方法，用于解决现有基于FPGA的频标比对装置及方法存在的比对精度不高和比对分辨率不高的技术问题。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种频标比对装置，包括频率合成模块、信号调理模块、相位重合检测模块、计数闸门产生模块、时间间隔计数模块和频标计算模块，其中：频率合成模块，用于产生中介信号；信号调理模块，包括参考信号调理电路、被测信号调理电路和中介信号调理电路，用于分别对参考信号、被测信号和中介信号进行滤波整形；相位重合检测模块，包括第一相位重合检测模块和第二相位重合检测生成模块，用于对经过滤波整形的信号进行相位重合检测，并输出检测结果；计数闸门产生模块，利用得到的相位重合检测结果产生计数闸门；时间间隔计数模块，用于在输出的计数闸门内对频率为最大公因子频率整数倍的方波信号进行计数，并输出计数值；频标计算模块，用于计算频标比对结果；其特征在于：所述第一相位重合检测模块，包括第一相位重合点簇生成模块和第一相位重合点检测模块，所述第一相位重合点检测模块的输出端连接有第一相位重合点标定模块；所述第二相位重合检测模块，包括第二相位重合点簇生成模块和第二相位重合点检测模块，所述第二相位重合点检测模块的输出端连接有第二相位重合点标定模块；所述计数闸门产生模块包括第一计数闸门产生模块和第二计数闸门产生模块；所述时间间隔计数模块包括第一时间间隔计数模块和第二时间间隔计数模块。上述第一相位重合点簇生成模块、第二相位重合点簇生成模块、第一相位重合点检测模块、第二相位重合点检测模块、第一计数闸门产生模块、第二计数闸门产生模块、第一时间间隔计数模块、第二时间间隔计数模块和频标计算模块均搭建在FPGA内部。上述第一相位重合点标定模块和第二相位重合点标定模块，均包括一个依次相连的频率偏差器和ADC芯片；频率偏差器，用于产生频率为最大公因子频率整数倍的正弦信号；ADC芯片，用于对有效相位重合点进行标定。上述ADC芯片，被相位重合点检测模块输出的有效相位重合点控制，对频率为最大公因子频率整数倍的正弦信号进行采样，从而完成对有效相位重合点的标定。一种频标比对方法，包含以下步骤：步骤1，利用参考信号，进行频率合成，得到中介信号；步骤2，对参考信号、被测信号和中介信号分别进行信号调理，得到参考方波信号fR、被测方波信号fx和中介方波信号f0；步骤3，利用量化相移原理，对中介方波信号f0分别与参考方波信号fR和待测方波信号fx进行相位重合检测，得到第一路相位重合点簇A和第二路相位重合点簇B；步骤4，利用检测触发电路，对第一路相位重合点簇A中的每个相位重合点的有效性进行检测，判断这些相位重合点是否为有效，若是，输出有效的相位重合点C，若否，丢弃这些相位重合点；同时，对第二路相位重合点簇B中的每个相位重合点的有效性进行检测，判断这些相位重合点是否为有效，若是，输出有效的相位重合点D，若否，丢弃这些相位重合点；步骤5，利用脉冲产生电路，将有效相位重合点C中两个相邻的有效相位重合点分别作为计数闸门的开始信号和结束信号，产生计数闸门ΔtC；同时，将有效相位重合点D中两个相邻的有效相位重合点分别作为计数闸门的开始信号和结束信号，产生计数闸门ΔtD；步骤6，在输出的计数闸门ΔtC内，对频率为参考方波信号fR与中介方波信号f0的最大公因子频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种频标比对装置，包括频率合成模块、信号调理模块、相位重合检测模块、计数闸门产生模块、时间间隔计数模块和频标计算模块，其中：频率合成模块，用于产生中介信号；信号调理模块，包括参考信号调理模块、被测信号调理模块和中介信号调理模块，用于分别对参考信号、被测信号和中介信号进行滤波整形；相位重合检测模块，包括第一相位重合检测模块和第二相位重合检测生成模块，用于对经过滤波整形的信号进行相位重合检测，并输出检测结果；计数闸门产生模块，利用得到的相位重合检测结果产生计数闸门；时间间隔计数模块，用于在输出的计数闸门内对频率为最大公因子频率整数倍的方波信号进行计数，并输出计数值；频标计算模块，用于计算频标比对结果；其特征在于：所述第一相位重合检测模块，包括第一相位重合点簇生成模块和第一相位重合点检测模块，所述第一相位重合点检测模块的输出端连接有第一相位重合点标定模块；所述第二相位重合检测模块，包括第二相位重合点簇生成模块和第二相位重合点检测模块，所述第二相位重合点检测模块的输出端连接有第二相位重合点标定模块；所述计数闸门产生模块包括第一计数闸门产生模块和第二计数闸门产生模块；所述时间间隔计数模块包括第一时间间隔计数模块和第二时间间隔计数模块。...

【技术特征摘要】
1.一种频标比对装置，包括频率合成模块、信号调理模块、相位重合检测模块、计数闸门产生模块、时间间隔计数模块和频标计算模块，其中：频率合成模块，用于产生中介信号；信号调理模块，包括参考信号调理模块、被测信号调理模块和中介信号调理模块，用于分别对参考信号、被测信号和中介信号进行滤波整形；相位重合检测模块，包括第一相位重合检测模块和第二相位重合检测生成模块，用于对经过滤波整形的信号进行相位重合检测，并输出检测结果；计数闸门产生模块，利用得到的相位重合检测结果产生计数闸门；时间间隔计数模块，用于在输出的计数闸门内对频率为最大公因子频率整数倍的方波信号进行计数，并输出计数值；频标计算模块，用于计算频标比对结果；其特征在于：所述第一相位重合检测模块，包括第一相位重合点簇生成模块和第一相位重合点检测模块，所述第一相位重合点检测模块的输出端连接有第一相位重合点标定模块；所述第二相位重合检测模块，包括第二相位重合点簇生成模块和第二相位重合点检测模块，所述第二相位重合点检测模块的输出端连接有第二相位重合点标定模块；所述计数闸门产生模块包括第一计数闸门产生模块和第二计数闸门产生模块；所述时间间隔计数模块包括第一时间间隔计数模块和第二时间间隔计数模块。2.根据权利要求1所述的频标比对装置，其特征在于：所述第一相位重合点簇生成模块、第二相位重合点簇生成模块、第一相位重合点检测模块、第二相位重合点检测模块、第一计数闸门产生模块、第二计数闸门产生模块、第一时间间隔计数模块、第二时间间隔计数模块和频标计算模块均搭建在FPGA内部。3.根据权利要求1所述的频标比对装置，其特征在于：所述第一相位重合点标定模块和第二相位重合点标定模块，均包括一个依次相连的频率偏差器和ADC芯片；频率偏差器，用于产生频率为最大公因子频率整数倍的正弦信号；ADC芯片，用于对有效相位重合点进行标定。4.根据权利要求3所述的频标比对装置，其特征在于：所述ADC芯片，被相位重合点检测模块输出的有效相位重合点控制，对频率为最大公因子频率整数倍的正弦信号进行采样，从而完成对有效相位重合点的标定。5.一种频标比对方法，包含以下步骤：(1)利用参考信号，进行频率合成，得到中介信号；(2)对参考信号、被测信号和中介信号分别进行信号调理，得到参考方波信号fR、被测方波信号fx和中介方波信号f0；(3)利用量化相移原理，对中介方波信号f0分别与参考方波信号fR和待测方波信号fx进行相位重合检测，得到第一路相位重合点簇A和第二路相位重合点簇B；(4)利...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏，王海，王柯，刘岩，赵伟，秦红波，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61