一种和DDS结合的高分辨率频率计设计_白丽娜.pdf
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1、收稿日期: 网络出版时间: 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( , )作者简介: 白丽娜( ) , 女, 高级工程师, : 网络出版地址: : : 一种和 结合的高分辨率频率计设计白 丽 娜, 周渭, 赵桀, 张 清 兰( 西安电子科技大学 机电工程学院, 陕西 西安 )摘要:介绍了基于直接数字式频率合成器( ) 的高分辨率频率计的设计方法, 并以简单的电路完成对频率信号的高分辨率测量 在测频方案中, 利用 跟踪被测频率的值, 自动合成合适的频标信号, 可实现在宽范围内, 对任意频率信号的高分辨率等精度测量 样机实测数据表明, 高分辨率频率计的测量分辨率可以达到 量级关键词:直接数字式频率
2、合成器; 高分辨率; 频率计; 测频中图分类号: 文献标识码:文章编号: ( ) , , , ( , , , ) : ( ) , : ; ; ; 基于群相位关系的频率测量方案的误差主要来源于群相位重合点捕捉的误差, 要实现高分辨率测量, 就必须提高群相位重合点捕捉的准确度但由于被测信号的频率值是不确定的, 它与频标信号的相位关系的规律也就不确定, 所以基于群相位关系的频率测量方案往往对某些频点的信号的测量分辨率很高, 而对某些频点的测量分辨率较低, 无法对任意频率信号都实现高分辨率测量基于群相位关系的高分辨率频率测量方案在使用过程中会发现其存在两个问题:() 当被测信号的频率值与频标信号的频率
3、值很接近时, 由于群周期太大, 形成不了实际闸门, 无法进行测量;() 当被测信号与频标信号的频率关系复杂时, 相位量子的值太小, 而且群相位重合点的分布情况复杂, 群相位检测的准确度下降, 使最终的频率测量分辨率降低 下面具体分析这两种情况当被测信号的频率值与频标信号的频率值太接近时, 比如 , 而 , 它们的群周期 , 相位量子 此时有两个不良因素:() 群周期太大, 闸门时间不可控, 甚至可能造成实际闸门无法形成;() 相位量子太小, 群相位重合点的捕捉准确度不高 鉴于以上分析, 只要群周期太大, 相位量子太小, 都无法进行正常的高分辨率测量可以类推, 当被测信号接近频标信号的频率值的整
4、数倍时, 或者频标信号接近被测信号的整数倍时, 群周期的值也很大, 相位量子也很小, 同样无法进行正常的测量当被测信号与频标信号的频率关系复杂时, 例如, , 而 , 在它们的 年月第 卷第期西安电子科技大学学报( 自然科学版) : 一个最小公倍数周期 中, 存在多个不连续近似的群相位重合点, 受到噪声以及器件分辨力的影响, 群相位重合点的捕捉准确度会大大降低, 这样使得在这些频点的测量分辨率会较低用基于群相位关系的方法实现对频率的高分辨率测量, 是建立在与存在一定关系的基础上的, 如果不满足这个关系, 则得不到高分辨率的测量结果 为了实现对任意频率信号在要求的闸门时间内的高分辨率测量, 测频
5、系统就必须根据的值, 通过直接数字式频率合成器( ) 自动合成出一个频标信号 让与形成一定的关系, 使得与的群周期的整数倍接近测量闸门的时间值, 并使与的相位量子的值恰好接近群相位重合检测器件的分辨率, 这样就可以准确地捕捉到群相位重合点, 从而达到在要求的测量闸门下对被测信号的频率进行高分辨率测量的目的基于 的高分辨率频率计的实现为实现对宽频范围内的任意频率信号进行高分辨率测量, 系统中需要一个频率合成器, 合成与被测信号成一定关系的频标信号图高分辨率频率计系统框图 基于 的高分辨率频率计的系统方案图是基于 的高分辨率频率计系统框图高稳定度的 频标信号先经过信号调理电路被放大成方波信号, 再
6、由 ( 型号 ) 自动合成频率的值取决于经过单片机粗测过的, 使得与的群周期的整数倍接近测量闸门的时间值, 并且与的相位量子的值恰好接近群相位重合检测器件的分辨率然后将和送入群相位重合检测电路产生计数闸门, 控制计数器工作, 微控制单元( ) 将根据计数结果计算出的值, 最终由液晶显示器( ) 显示输出图增加了 频率合成器, 引入了粗测, 是为了得到被测信号的大概的频率值, 测量分辨率能达到 量级即可 这样给系统自动合成频标值提供了依据 基于 的高分辨率频率计系统各个模块的实现 频率合成模块在文中系统中选用高性价比的 芯片:内部系统时钟可以高达 ; 位频率控制字; 双路 位 输出; 个可编程时
7、钟倍频器; 输出频率上限可达 ; 内部超高速比较器, 其输出均方根抖动为 ; 合成输出的信号相噪低, 输出 时, 在 处单边带相位噪声为 图是 及其外围电路图 输出的两路差分信号各自经过一个截止频率为 的低通滤波器后, 进入 内部的高速比较器, 输出低压互补型金属氧化物半导体( ) 电平的方波信号 将此方波信号作为输入到“ 相检测频模块” 改进滤波器的设计后, 经测定, 该系统的 在输出信号点频信号时, 相位抖动可以小于 , 秒级频率稳定度优于 输出的频率值是根据输入信号粗测得到的频率值来确定的, 首先要使与的频率接近且存在一定的频差 在文中系统中, 输出信号的频率范围为 , 而被测的信号高达
8、 当被测信号的频率值较高时, 让接近的分数频率, 且存在一定的差值; 当被测信号频率值较低时, 为了提高测量的分辨率, 让接近的倍数频率, 在 以下, 倍数越高越好, 且存在一定的差值 其次, 为了能在要求的闸门时间下完成高分辨率测量, 还必须使与的群周期为测量闸门的分数值 最后为了减小群相位重合检测电路的误触发概率, 尽量使相位量子接近器件的检测分辨率表中是根据与的群相位关系和闸门时间进行选择的 实验表明, 采用表中的值, 可以得到更高的测量分辨率第期白丽娜等: 一种和 结合的高分辨率频率计设计 : 图 原理图表不同比对信号下的群周期和相位量子 群相位重合检测电路由于引入了 ,和的频率关系就
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