一種雙混頻時差測量方法及測量系統的製作方法
2023-04-28 14:05:26
一種雙混頻時差測量方法及測量系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種雙混頻時差測量方法及測量系統。本發明通過選取一個不間斷的公共源信號，由兩個計數器分別實時獲取該公共源信號的時間計數值，在參考信號和被測信號的上升沿分別到來時，分別獲取當前兩個計數器的時間計數值，使參考信號和被測信號的上升沿個數對齊，並使與對齊個數相對應的兩個時間計數值相減，即可得出準確的時差值，根據該準確的時差值可計算出其他的頻差、相差和阿倫方差等。本發明這種採用公共源信號的方式，可解決傳統異或門方式在沿重疊或兩個沿時差小於硬體響應時間時不能進行準確測量的問題，即解決了雙混頻時差測量過程中常存在的周期模糊現象。總之，採用本發明可以實現低成本、快速、準確、實時、無限制地進行測量。
【專利說明】—種雙混頻時差測量方法及測量系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種雙混頻時差法，具體地說是一種雙混頻時差測量方法及測量系統。
【背景技術】
[0002]雙混頻時差法是D.ff.Allan在上世紀70年代提出的測量高穩定度原子鐘的方法，發展到今天其已經成為對單一頻率測量準確度最高的方法，國際上許多先進的時間頻率實驗室均採用這一方法進行時標的測量。
[0003]在雙混頻時差測量過程中常存在周期模糊現象。周期模糊現象是指在雙混頻時差系統比對時，參考信號和被測信號由於存在頻率偏差，隨著長時間的測量，參考信號和被測信號會發生重合或者周期跳轉，進而導致測量不準的現象。
[0004]傳統的方法採用時間間隔計數器測量時差，其工作原理是將被測信號Fin和參考信號Ref整形成低頻信號，後經D觸發器，再用一個異或門，以獲取兩個信號沿之間的時差。但是，由於計數器中的電路延時大於500ps，系統的解析度大於lOOps，如果兩個時差小於IOOps就不能準確測量。如圖1所示，圖中示出了參考信號Ref和被測信號Fin的信號沿之間的時差，分別為Λ tl、A t2、A t3、A t4和Λ t5/，但是，由於Λ tl小於IOOps,隨著時間的推移，系統在Λ t5'處將不能分辨出此時差是參考信號Ref的上升沿和下降沿之間的時差，導致計數器漏掉一次測量，最終使得測量結果不準確。
【發明內容】
[0005]本發明的目的之一就是提供一種雙混頻時差測量方法，以解決在雙混頻時差測量過程中常存在周期模糊現象的問題。
[0006]本發明的目的之二就是提供一種雙混頻時差測量系統，以實現快速、準確、實時地進行時差測量。
[0007]本發明是這樣實現的:一種雙混頻時差測量方法，包括如下步驟:
a、選取一個不間斷的公共源信號；
b、採用第一計數器和第二計數器分別實時獲取所述公共源信號的頻率計數並轉換為時間計數；
C、判斷參考信號和被測信號的上升沿是否到來，如果所述參考信號和所述被測信號的上升沿均未到來，則繼續執行步驟c ;如果有任一信號的上升沿到來或者兩個信號的上升沿均到來時，則執行步驟d;
d、當所述參考信號的上升沿到來時，由第一鎖存器對當前所述第一計數器所獲取的時間計數值進行鎖存，並由第三計數器對所述參考信號上升沿的個數進行計數，計數結果由第三鎖存器進行鎖存；當所述被測信號的上升沿到來時，由第二鎖存器對當前所述第二計數器所獲取的時間計數值進行鎖存，並由第四計數器對所述被測信號上升沿的個數進行計數，計數結果由第四鎖存器進行鎖存； e、讀取所述參考信號和所述被測信號的上升沿到來時的時間計數值，同時讀取所述參考信號和所述被測信號的上升沿個數，並將所讀取的數據存入存儲器內；
f、使所述存儲器內所述參考信號上升沿的個數與所述被測信號上升沿的個數對齊；
g、從所述存儲器內提取與所述參考信號和所述被測信號對齊個數相對應的時間計數值進行運算處理，得到時差值；
h、根據所述時差值計算頻差、相差和阿倫方差，並將計算結果存入所述存儲器內；
1、執行步驟C。
[0008]在所述步驟h與所述步驟i之間還包括有如下步驟:
j、判斷所述存儲器內所存儲的數據是否達到存儲器容量的上限，如果是，則執行步驟k;如果否，則執行步驟i ;
k、刪除所述存儲器內對齊位置之前的數據，使剩餘數據從所述對齊位置處前移，之後執行步驟i。
[0009]在所述步驟e與所述步驟f之間還包括有如下步驟:
1、判斷所述第一計數器、所述第二計數器、所述第三計數器和所述第四計數器中是否有數據溢出，若任一計數器中有數據溢出，則執行步驟m;如果所有計數器中均未數據溢出，則執行步驟f;
m、對於有數據溢出的計數器，使其中的計數變量累加一個該計數器的滿值，之後執行步驟f。
[0010]本發明所提供的雙混頻時差測量方法具有如下優點:
第一，本發明通過選取一個不間斷的公共源信號，由兩個計數器分別實時獲取該公共源信號的時間計數值，在參考信號和被測信號的上升沿分別到來時，分別獲取當前兩個計數器的時間計數值，使參考信號和被測信號的上升沿個數對齊，並使與對齊個數相對應的兩個時間計數值相減，即可得出準確的時差值。這種採用公共源信號的方式，完美地解決了傳統異或門方式在沿重疊或兩個沿時差小於硬體響應時間時不能進行準確測量的問題，即解決了雙混頻時差測量過程中常存在的周期模糊現象，而且對時差測量的脈衝寬度沒有任何限制。
[0011]第二，參考信號或被測信號的上升沿到來時，也即發生中斷時；基於中斷嵌套原理，因此本發明測量過程中不會丟掉任何一個時差測量，時差測量可實現無間隙實時採樣。加之本發明採用對參考信號和被測信號上升沿的個數進行統計，並使個數一一對齊，因此實現了真正意義上的時差對齊，省去了傳統技術中對階梯式周期變化進行補齊處理的步驟和對實際周期進行測量的步驟，同時也使得時差測量更加準確、快速。
[0012]第三，本發明可實時監測計數器的溢出情況，並在有溢出時及時使計數變量累加一個該計數器的滿值。這種處理方式是基於計數器周期是一個固定數值的原理進行的，通過這種處理可實現在周期模糊區域進行無縫銜接，很好地解決了傳統方式處理周期模糊現象時所產生的誤差。
[0013]第四，在存儲器容量達到上限時，通過刪減對齊位置之前的數據，可避免存儲器內數據過多造成的溢出及運算速度的減慢。除此之外，本發明還可以對各計數器中進行周期累加的變量進行周期性裁剪，這種處理方法也可避免變量過大造成的溢出及運算速度的減慢，同時由於周期性裁剪變量，所以累加變量沒有上限，不會溢出，如果選擇適當，同時有足夠的存儲空間，理論上可以無限制的進行測量，沒有時間上限的限制。
[0014]本發明還提供了一種雙混頻時差測量系統，包括計數單元、鎖存單元、單片機和存儲器；所述計數單元連接所述鎖存單元，所述鎖存單元連接所述單片機，所述單片機連接所述存儲器；
所述計數單元包括第一計數器、第二計數器、第三計數器和第四計數器；所述鎖存單元包括第一鎖存器、第二鎖存器、第三鎖存器和第四鎖存器；所述第一計數器與所述第一鎖存器相接，所述第二計數器與所述第二鎖存器相接，所述第三計數器與所述第三鎖存器相接，所述第四計數器與所述第四鎖存器相接；
所述第一計數器和所述第二計數器分別用來實時獲取公共源信號的頻率計數並轉換為時間計數；
所述第一鎖存器用於在參考信號的上升沿到來時對當前所述第一計數器所獲取的時間計數值進行鎖存；
所述第二鎖存器用於在被測信號的上升沿到來時對當前所述第二計數器所獲取的時間計數值進行鎖存；
所述第三計數器用於在參考信號的上升沿到來時對當前所述參考信號上升沿的個數進行計數；
所述第四計數器用於在被測信號的上升沿到來時對當前所述被測信號上升沿的個數進行計數；
所述第三鎖存器用於在參考信號的上升沿到來時對當前所述第三計數器的計數結果進行鎖存；
所述第四鎖存器用於在被測信號的上升沿到來時對當前所述第四計數器的計數結果進行鎖存；
所述單片機包括第一判斷單元、數據讀取單元、個數對齊單元和計算單元；
所述第一判斷單元用於實時判斷參考信號和被測信號的上升沿是否到來；
所述數據讀取單元用於從所述鎖存單元中讀取參考信號和被測信號的上升沿到來時的時間計數值以及參考信號和被測信號的上升沿個數，並將所讀取的數據存入所述存儲器內；
所述個數對齊單元用於使所述存儲器內所述參考信號上升沿的個數與所述被測信號上升沿的個數對齊；
所述計算單元用於從所述存儲器內提取與所述參考信號和所述被測信號對齊個數相對應的時間計數值進行運算處理，得到時差值，之後根據所述時差值計算頻差、相差和阿倫方差，並將計算結果存入所述存儲器內。
[0015]所述單片機還包括第二判斷單元和數據刪減單元；
所述第二判斷單元用於判斷所述存儲器內所存儲的數據是否達到存儲器容量的上
限；
所述數據刪減單元用於在所述第二判斷單元的判斷結果為是時刪除所述存儲器內對齊位置之前的數據，使剩餘數據從所述對齊位置處前移。
[0016]所述單片機還包括第三判斷單元和計數變量累加單元；
所述第三判斷單元用於判斷所述第一計數器、所述第二計數器、所述第三計數器和所述第四計數器中是否有數據溢出；
所述計數變量累加單元用於在所述第三判斷單元判斷出任一計數器中有數據溢出時，使該溢出數據的計數器中的計算變量累加一個該計數器的滿值。
[0017]本發明所提供的雙混頻時差測量系統，可以實現快速、實時地進行時差測量，可完全解決參考信號和被測信號之間存在頻率偏差時的比對測量問題，保證了測量的準確性。而且，本發明理論上可以實現任意不同頻點的比對測量，測量時間可以無限長。再有，本發明與現有的測量系統相比，可節省硬體成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是傳統採用時間間隔計數器測量時差產生誤差的原理示意圖。
[0019]圖2是本發明雙混頻時差測量系統中計數單元和鎖存單元的結構框圖。
[0020]圖3是本發明測量時差的原理示意圖。
[0021]圖4是本發明雙混頻時差測量方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0022]實施例1，一種雙混頻時差測量系統。
[0023]本發明所提供的雙混頻時差測量系統包括計數單元、鎖存單元、單片機和存儲器。計數單元連接鎖存單元，鎖存單元連接單片機，單片機連接存儲器。
[0024]如圖2所示，圖中示出了計數單元和鎖存單元的結構框圖。計數單元包括第一計數器、第二計數器、第三計數器和第四計數器；鎖存單元包括第一鎖存器、第二鎖存器、第三鎖存器和第四鎖存器。第一計數器與第一鎖存器相接，第二計數器與第二鎖存器相接，第三計數器與第三鎖存器相接，第四計數器與第四鎖存器相接。
[0025]第一計數器和第二計數器分別用來實時獲取公共源信號O的頻率計數並轉換為時間計數。第一鎖存器用於在參考信號Ref的上升沿到來時對當前第一計數器所獲取的時間計數值進行鎖存，該時間計數值即為參考信號Ref的時間計數值，第一鎖存器可將該數據輸出；參考信號Ref的上升沿到來時即為參考信號Ref中斷時。第二鎖存器用於在被測信號Fin的上升沿到來時對當前第二計數器所獲取的時間計數值進行鎖存，該時間計數值即為被測信號Fin的時間計數值，第二鎖存器可將該數據輸出；被測信號Fin的上升沿到來時即為被測信號Fin中斷時。
[0026]第三計數器用於在參考信號Ref的上升沿到來時對當前參考信號Ref上升沿的個數進行計數；第三鎖存器用於對第三計數器的計數結果進行鎖存，並可輸出參考信號Ref的上升沿個數。第四計數器用於在被測信號Fin的上升沿到來時對當前被測信號Fin上升沿的個數進行計數；第四鎖存器用於對第四計數器的計數結果進行鎖存，並可輸出被測信號Fin的上升沿個數。
[0027]單片機包括第一判斷單元、數據讀取單元、個數對齊單元和計算單元。
[0028]第一判斷單元用於實時判斷參考信號和被測信號的上升沿是否到來。
[0029]數據讀取單元用於從鎖存單元中讀取參考信號和被測信號的上升沿到來時的時間計數值以及參考信號和被測信號的上升沿個數，並將所讀取的數據存入存儲器內。
[0030]個數對齊單元用於使存儲器內參考信號上升沿的個數與被測信號上升沿的個數對齊，即使參考信號的第I個上升沿與被測信號的第I個上升沿對齊，使參考信號的第2個上升沿與被測信號的第2個上升沿對齊，依此類推。
[0031]計算單元用於從存儲器內提取與參考信號和被測信號對齊個數相對應的時間計數值進行運算處理，得到時差值，之後根據時差值，再結合閘門時間，計算頻差、相差和阿倫方差等，最後將計算結果存入存儲器內。如圖3所示，選取與對齊個數相對應的時間計數值，即:使參考信號Ref的第I個上升沿時間計數值Trl對應被測信號Fin的第I個上升沿時間計數值Tf I，參考信號Ref的第2個上升沿時間計數值Tr2對應被測信號Fin的第2個上升沿時間計數值Tf2，依此類推，Tr3對應Tf3，Tr4對應Tf4，Tr5對應Tf5，……;則時差值為Λ tl=Trl-Tfl，A t2=Tr2-Tf2，......。
[0032]單片機還可以包括第二判斷單元、數據刪減單元、第三判斷單元和計數變量累積單元。
[0033]第二判斷單元用於判斷存儲器內所存儲的數據是否達到存儲器容量的上限；數據刪減單元用於在第二判斷單元的判斷結果為是時刪除存儲器內對齊位置之前的數據，使剩餘數據從對齊位置處前移。
[0034]第三判斷單元用於判斷第一計數器、第二計數器、第三計數器和第四計數器中是否有數據溢出；計數變量累加單元用於在第三判斷單元判斷出任一計數器中有數據溢出時，使該溢出數據的計數器中的計算變量累加一個該計數器的滿值。
[0035]當然，單片機還可以包括第四判斷單元和變量裁剪單元。第四判斷單元用於判斷第一計數器、第二計數器、第三計數器和第四計數器中的計數變量是否達到容量的上限；變量裁剪單元用於在第四判斷單元判斷出任一計數器中的計數變量達到容量的上限時，對該計數器中周期累加的變量進行周期性裁剪。
[0036]實施例2，一種雙混頻時差測量方法。
[0037]如圖4所示，本發明所提供的雙混頻時差測量方法包括如下步驟:
①初始化參數，選取一個不間斷的公共源信號作為持續時間測量的基準信號。
[0038]②採用第一計數器和第二計數器分別實時獲取公共源信號的頻率計數並轉換為時間計數。
[0039]③判斷參考信號和被測信號的上升沿是否到來，可採用兩個中斷源分別獲取參考信號和被測信號的上升沿來產生中斷，通過判斷參考信號和被測信號是否中斷進而判斷上升沿是否到來；如果參考信號和被測信號的上升沿均未到來，則繼續執行步驟③；如果有任一信號的上升沿到來或者兩個信號的上升沿均到來時，則執行步驟④。
[0040]④當參考信號的上升沿到來時，由第一鎖存器對當前第一計數器所獲取的時間計數值進行鎖存，並由第三計數器對參考信號上升沿的個數進行計數，計數結果由第三鎖存器進行鎖存；當被測信號的上升沿到來時，由第二鎖存器對當前第二計數器所獲取的時間計數值進行鎖存，並由第四計數器對被測信號上升沿的個數進行計數，計數結果由第四鎖存器進行鎖存。
[0041]本步驟中當參考信號上升沿到來時將當前第一計數器的計數值進行鎖存，當被測信號上升沿到來時將當前第二計數器的計數值進行鎖存，從而可以在後續被相應程序隨時讀取。
[0042]⑤當參考信號上升沿產生中斷時因為第一鎖存器中已經將第一計數器當前計數值進行了鎖存，所以程序可以隨時進行讀取，而被測信號產生中斷時也可實時進行數據讀取，同時可以讀取此時參考信號和被測信號的上升沿個數。本步驟即是讀取參考信號和被測信號的上升沿到來時的時間計數值及參考信號和被測信號的上升沿個數，並將所讀取的數據存入存儲器內。
[0043]⑥判斷第一計數器、第二計數器、第三計數器和第四計數器中是否有數據溢出，如果任何一個計數器中出現數據溢出現象，則執行步驟⑦；如果所有計數器中均未出現數據溢出現象，則執行步驟⑧。
[0044]⑦對於有數據溢出的計數器，使其中的計數變量累加一個該計數器的滿值，之後執行步驟⑧。
[0045]⑧使存儲器內參考信號上升沿的個數與被測信號上升沿的個數對齊，即:使參考信號的第I個上升沿與被測信號的第I個上升沿對齊，使參考信號的第2個上升沿與被測信號的第2個上升沿對齊，依此類推。
[0046]⑨從存儲器內提取與參考信號和被測信號對齊個數相對應的時間計數值進行運算處理，得到時差值。
[0047]具體可參見圖3，選取與對齊個數相對應的時間計數值，即:使參考信號Ref的第I個上升沿時間計數值Trl對應被測信號Fin的第I個上升沿時間計數值Tfl，參考信號Ref的第2個上升沿時間計數值Tr2對應被測信號Fin的第2個上升沿時間計數值Tf2，
依此類推，Tr3對應Tf3, Tr4對應Tf4, Tr5對應Tf5,......;則時差值為Λ tl=Trl-Tfl,
Δ t2=Tr2-Tf2,......。
[0048]⑩根據時差值結合閘門時間，計算頻差、相差和阿倫方差等，並將計算結果存入存儲器內。
[0049]?判斷存儲器內所存儲的數據是否達到存儲器容量的上限，如果是，則執行步驟?；如果否，則執行步驟③。
[0050]?刪除存儲器內對齊位置之前的數據，使剩餘數據從對齊位置處前移，之後執行
步驟③。
【權利要求】
1.一種雙混頻時差測量方法，其特徵是，包括如下步驟: a、選取一個不間斷的公共源信號； b、採用第一計數器和第二計數器分別實時獲取所述公共源信號的頻率計數並轉換為時間計數； C、判斷參考信號和被測信號的上升沿是否到來，如果所述參考信號和所述被測信號的上升沿均未到來，則繼續執行步驟c ;如果有任一信號的上升沿到來或者兩個信號的上升沿均到來時，則執行步驟d; d、當所述參考信號的上升沿到來時，由第一鎖存器對當前所述第一計數器所獲取的時間計數值進行鎖存，並由第三計數器對所述參考信號上升沿的個數進行計數，計數結果由第三鎖存器進行鎖存；當所述被測信號的上升沿到來時，由第二鎖存器對當前所述第二計數器所獲取的時間計數值進行鎖存，並由第四計數器對所述被測信號上升沿的個數進行計數，計數結果由第四鎖存器進行鎖存； e、讀取所述參考信號和所述被測信號的上升沿到來時的時間計數值，同時讀取所述參考信號和所述被測信號的上升沿個數，並將所讀取的數據存入存儲器內； f、使所述存儲器內所述參考信號上升沿的個數與所述被測信號上升沿的個數對齊； g、從所述存儲器內提取與所述參考信號和所述被測信號對齊個數相對應的時間計數值進行運算處理，得到時差值； h、根據所述時差值計算頻差、相差和阿倫方差，並將計算結果存入所述存儲器內； 1、執行步驟C。
2.根據權利要求1所述的雙混頻時差測量方法，其特徵是，在所述步驟h與所述步驟i之間還包括有如下步驟: j、判斷所述存儲器內所存儲的數據是否達到存儲器容量的上限，如果是，則執行步驟k;如果否，則執行步驟i ; k、刪除所述存儲器內對齊位置之前的數據，使剩餘數據從所述對齊位置處前移，之後執行步驟i。
3.根據權利要求1或2所述的雙混頻時差測量方法，其特徵是，在所述步驟e與所述步驟f之間還包括有如下步驟: 1、判斷所述第一計數器、所述第二計數器、所述第三計數器和所述第四計數器中是否有數據溢出，若任一計數器中有數據溢出，則執行步驟m;如果所有計數器中均未數據溢出，則執行步驟f; m、對於有數據溢出的計數器，使其中的計數變量累加一個該計數器的滿值，之後執行步驟f。
4.一種雙混頻時差測量系統，其特徵是，包括計數單元、鎖存單元、單片機和存儲器；所述計數單元連接所述 鎖存單元，所述鎖存單元連接所述單片機，所述單片機連接所述存儲器； 所述計數單元包括第一計數器、第二計數器、第三計數器和第四計數器；所述鎖存單元包括第一鎖存器、第二鎖存器、第三鎖存器和第四鎖存器；所述第一計數器與所述第一鎖存器相接，所述第二計數器與所述第二鎖存器相接，所述第三計數器與所述第三鎖存器相接，所述第四計數器與所述第四鎖存器相接；所述第一計數器和所述第二計數器分別用來實時獲取公共源信號的頻率計數並轉換為時間計數； 所述第一鎖存器用於在參考信號的上升沿到來時對當前所述第一計數器所獲取的時間計數值進行鎖存； 所述第二鎖存器用於在被測信號的上升沿到來時對當前所述第二計數器所獲取的時間計數值進行鎖存； 所述第三計數器用於在參考信號的上升沿到來時對當前所述參考信號上升沿的個數進行計數； 所述第四計數器用於在被測信號的上升沿到來時對當前所述被測信號上升沿的個數進行計數； 所述第三鎖存器用於在參考信號的上升沿到來時對當前所述第三計數器的計數結果進行鎖存； 所述第四鎖存器用於在被測信號的上升沿到來時對當前所述第四計數器的計數結果進行鎖存； 所述單片機包括第一判斷單元、數據讀取單元、個數對齊單元和計算單元； 所述第一判斷單元用於實時判斷參考信號和被測信號的上升沿是否到來； 所述數據讀取單元用於從所述鎖存單元中讀取參考信號和被測信號的上升沿到來時的時間計數值以及參考信號和被測信號的上升沿個數，並將所讀取的數據存入所述存儲器內； 所述個數對齊單元用於使所述存儲器內所述參考信號上升沿的個數與所述被測信號上升沿的個數對齊； 所述計算單元用於從所述存儲器內提取與所述參考信號和所述被測信號對齊個數相對應的時間計數值進行運算處理，得到時差值，之後根據所述時差值計算頻差、相差和阿倫方差，並將計算結果存入所述存儲器內。
5.根據權利要求4所述的雙混頻時差測量系統，其特徵是，所述單片機還包括第二判斷單元和數據刪減單元； 所述第二判斷單元用於判斷所述存儲器內所存儲的數據是否達到存儲器容量的上限； 所述數據刪減單元用於在所述第二判斷單元的判斷結果為是時刪除所述存儲器內對齊位置之前的數據，使剩餘數據從所述對齊位置處前移。
6.根據權利要求4或5所述的雙混頻時差測量系統，其特徵是，所述單片機還包括第三判斷單元和計數變量累加單元； 所述第三判斷單元用於判斷所述第一計數器、所述第二計數器、所述第三計數器和所述第四計數器中是否有數據溢出； 所述計數變量累加單元用於在所述第三判斷單元判斷出任一計數器中有數據溢出時，使該溢出數據的計數器中的計算變量累加一個該計數器的滿值。
【文檔編號】G01R23/14GK103869156SQ201410130410
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】鄧志成, 蘇志強, 杜向偉, 馮衛 申請人:石家莊數英儀器有限公司