摘 要：本文介紹了一種利用多周期同步法與量化時延法結合測量頻率的方法，在此方法基礎上設計的樣機測量分辨率達到ns量級，由于使用了CPLD器件，該儀器體積小、成本低。
  關鍵詞：多周期同步；量化時延；短時間間隔
  引言    
    時間頻率測量是電子測量的重要領域。頻率和時間的測量已越來越受到重視，長度、電壓等參數(shù)也可以轉化為與頻率測量有關的技術來確定。本文通過對傳統(tǒng)的多周期同步法進行探討，提出了多周期同步法與量化時延法相結合的測頻方法。
多周期同步法
  最簡單的測量頻率的方法是直接測頻法。直接測頻法就是在給定的閘門信號中填入脈沖，通過必要的計數(shù)電路，得到填充脈沖的個數(shù)，從而算出待測信號的頻率或周期。在直接測頻的基礎上發(fā)展的多周期同步測量方法，在目前的測頻系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。多周期同步法測頻技術的實際閘門時間不是固定的值，而是被測信號的整周期倍，即與被測信號同步，因此消除了對被測信號計數(shù)時產(chǎn)生的±1個字誤差，測量精度大大提高，而且達到了在整個測量頻段的等精度測量，其原理框圖和波形圖如圖1所示。
設Na、Nb分別為計數(shù)器A和B記得的數(shù)值，τ’為閘門時間，則
Na=τ'·fx (1)
Nb=τ'·f0 (2)
計數(shù)器A的計數(shù)脈沖與閘門的開閉是完全同步的，因而不存在±1個字的計數(shù)誤差，由式(3)微分可得：
dNb=±1，τ'=Nb/f0 (5)
得到測量分辨率:
dfx/fx=±1/(τ'×f0) (6)
  由式(6)可以看出，測量分辨率與被測頻率的大小無關，僅與取樣時間及時基頻率有關，可以實現(xiàn)被測頻帶內的等精度測量。取樣時間越長，時基頻率越高，分辨率越高。多周期同步法與傳統(tǒng)的計數(shù)法測頻比較，測量精度明顯提高。
  在時頻測量方法中，多周期同步法是精度較高的一種，但仍然未解決±1個字的誤差，主要是因為實際閘門邊沿與標頻填充脈沖邊沿并不同步，如圖2所示。
  從圖2可以得出，Tx=N0T0-△t2+△t1，如果能準確測量出短時間間隔Δt1和Δt2，也就能夠準確測量出時間間隔Tx，消除±1個字的計數(shù)誤差，從而進一步提高精度。
為了測量短時間間隔Δt1和Δt2，通常使用模擬內插法或游標法與多周期同步法結合使用[1]，雖然精度有很大提高，但終未能解決±1個字的誤差這個根本問題，而且這些方法設備復雜，不利于推廣。
要得到精度高，時間響應快，結構簡單的頻率和時間測量方法是比較困難的。
從結構盡量簡單同時兼顧精度的角度出發(fā)，將多周期同步法與基于量化時延的短時間間隔測量方法結合，實現(xiàn)了寬頻范圍內的等精度高分辨率測量。
量化時延法測短時間間隔  
 光電信號可以在一定的介質中快速穩(wěn)定的傳播，且在不同的介質中有不同的延時。通過將信號所產(chǎn)生的延時進行量化，實現(xiàn)了對短時間間隔的測量。
其基本原理是“串行延遲，并行計數(shù)”，而不同于傳統(tǒng)計數(shù)器的串行計數(shù)方法，即讓信號通過一系列的延時單元，依靠延時單元的延時穩(wěn)定性，在計算機的控制下對延時狀態(tài)進行高速采集與數(shù)據(jù)處理，從而實現(xiàn)了對短時間間隔的精確測量。其原理如圖3所示。
  量化時延思想的實現(xiàn)依賴于延時單元的延時穩(wěn)定性，其分辨率取決于單位延時單元的延遲時間。
  作為延時單元的器件可以是無源導線，有源門器件或其他電路。其中，導線的延遲時間較短(接近光速傳播的延遲)，門電路的延遲時間相對較長?？紤]到延遲可預測能力，最終選擇了CPLD器件，實現(xiàn)對短時間間隔的測量。
  將短時間間隔的開始信號送入延時鏈中傳播，當結束信號到來時，將此信號在延時鏈中的延時狀態(tài)進行鎖存，通過CPU讀取，判斷信號經(jīng)過的延時單元個數(shù)就可以得到短時時間間隔的大小，分辨率決定于單位延時單元的延時時間。
  一般來講，為了測量兩個短時間間隔，使用兩組延時和鎖存模塊，但實際上，給定的軟件閘門時間足夠大，允許CPU完成取數(shù)的操作，即能夠在待測時間間隔結束之前取走短時間隔Δt1對應的延時單元的個數(shù)，通過一定的控制信號，可以只用一組延時和鎖存單元，這樣可以節(jié)省
  CPLD內部的資源。利用多周期同步與量化時延相結合的方法，
  計算公式為：
  T=n0t0+n1t1-n2t1 (7)
  式(7)中，n0為對填充脈沖的計數(shù)值；t0為填充脈沖的周期，即100ns；n1為短時間隔Δt1對應的延時單元的個數(shù)；n2為短時間隔Δt2對應的延時單元的個數(shù)；t1為量化延遲器件延時單元的延遲量(4.3ns)。   這樣，利用多周期同步法，實現(xiàn)了閘門和被測信號同步；利用量化時延法，測量了原來測不出來的兩個短時間間隔，從而準確地測量了實際閘門的大小，也就提高了測頻的精度。
測量結果及分析
  把銣頻標作為樣機和XDU－17型頻率計的頻標，把頻率合成器輸出的信號作為被測信號進行測量，其結果如表1所示。
  由于頻率合成器輸出的頻率信號最小只能調到10Hz，把XDU-17的測量值作為標準，可以計算出樣機測頻的精度。
  例如，被測信號為15.000010MHz時被測信號為5.00001002MHz時，
  從上面的計算可以看出，樣機的分辨率已達ns量級，下面從理論分析的角度來說明這一點。
  前面已經(jīng)分析過，多周期同步法測頻時，它的測量不確定度為：
  當輸入f0為10MHz，閘門時間為1s時，測量的不確定度為±1×10-7/s。當與量化延時測量與短時間間隔電路相結合時，測量的不確定度可以從下述推導出來。
  在采用多周期同步法時，Tx為待測的多周期值，T0為采用的時基周期。
Tx= NT0+△t1-△t2 (9)
  與量化延時電路相結合后有：
Tx= NT0+(N1-N2)td±δTx (10)
  這里，δTx為測量的不準確度。
  對上式微分得： δTx≤±2td (11)
  由(11)式可知，此方法的測量精度取決于td，它的穩(wěn)定性與大小直接影響測量值的不確定度。所以采用各種方法，計數(shù)器可在整個頻率量程內實現(xiàn)等精度的測量，而且測量精度有顯著提高，測量分辨率提高到4.3ns，且消除了±1個字的理論誤差，精度提高了20多倍。
結束語   本文將給出了一種新的測頻方法?；诖朔椒ǖ念l率計的數(shù)字電路部分集成在一片CPLD中，大大減小了整個儀器的體積，提高了可靠性，且達到了很高的測量分辨率。