基於時標移相的調製域分析測量裝置及其誤差補償法的製作方法

2023-12-01 15:08:21 1

專利名稱：基於時標移相的調製域分析測量裝置及其誤差補償法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種調製域分析技術，尤其涉及一種基於時標移相的調製域 分析測量裝置及其誤差補償法。
背景技術：
調製域是由信號的時間和頻率兩個軸構成的平面域，它反應了信號頻率 與時間的關係，是對信號進行三維(時域、頻域、調製域)測量不可缺少的 一個測量域。調製域分析用於測量信號的頻率、相位、時間間隔隨時間的變 化特性，在抗幹擾通信、捷變頻雷達、電子戰系統、機電系統中有重要應用， 是研製、生產、維護現代軍事及民用電子系統的必備儀器。
調製域分析本質上是測量兩個採樣時間點之間信號的平均頻率，當採樣 速率很高時，就可以用此平均頻率反應信號的瞬時頻率。採樣速率越高才能 越細緻越準確地表徵被測信號的頻率、時間間隔等隨時間變化的特性，但是 採樣速率越高(即閘門時間越小)，測量精度越難提高，要提高測量精度， 就必須對士l個時標計數誤差進行補償，傳統的方法有模擬內插法調製域分 析測量裝置和數字遊標法調製域分析測量裝置
一、模擬內插法調製域分析測量裝置如圖1所示，包括放大整形單元
11、時標產生單元12、可編程分頻器13、第一同步單元14-1、第二同步單 元14-2、異或門15、擴展電路16、誤差計數器17、事件計數器18、時標 計數器19、第一先進先出存儲器(FIF0-1) 10-1、第二先進先出存儲器 (FIF0-2) 10-2、以及單片機(PC)20;
所述的放大整形單元的輸入端連接被測信號Fx，其輸出端分別與同步 單元和事件計數器的輸入端連接；所述的時標產生單元的輸出端分別與可編 程分頻器、時標計數器、第二同步單元及誤差計數器的輸入端連接；所述的 可編程分頻器的輸出端與第一同步單元的輸入端連接；所述的第一同步單元的輸出端分別與第二同步單元、異或門、以及第一先進先出存儲器、第二先 進先出存儲器的輸入端連接；所述的異或門的輸出端與擴展電路的輸入端連 接；所述的擴展電路的輸出端與誤差計數器的輸入端連接；所述的誤差計數
器的輸出端與單片機連接，該單片機並與第一先進先出存儲器、第二先進先 出存儲器雙向連接。
被測信號Fx (經過放大整形電路，得到脈衝序列Ex。然後，對生成的 脈衝序列在閘門信號Tg內計數，共有兩個計數器時標計數器和事件計數 器。時標計數器計算在時段Tg內時標信號的脈衝數N;事件計數器計算在 同樣的時段Tg內脈衝序列的脈衝數M:
Tp是原始閘門信號，Ex是被整形後測量信號，To是時標信號，Tg是由 被測信號同步Tp之後得到的實際閘門信號，Tc是一個虛擬信號，由時標信 號同步Tg得到，Err就是測量過程中所產生的誤差信號。連續測頻時，時 標計數器、事件計數器連續計數，在Tg信號上升沿控制下，依次讀出n、 n + 1時刻的時標計數器值N、 N+l，事件計數器值Mn、 Mn+l及n、 n+l時刻 的ATn、 ATn+l，根據上述測量值就可算出n時刻的頻率值fx:
fx =(Mn+l—Mn)/ [( N+1—N) To + (△ Tn — ATn+l)]
To:為時標信號的周期。
△ T: 土l個時標計數誤差。
重複上述過程，即可測得信號的頻率—時間特性。 忽略測試誤差ATn、 ATn+l，則被測信號頻率為 fx =( M / N) fo 相對測頻誤差為
e = Afx/fx=AM/M— AN/N + Afo/fo 式中fo為時標頻率，AM / M為事件計數器的計數誤差，AN/N為時
間計數器的計數誤差，Afo / fo為時標信號的頻率準確度。
由於計數是在經事件信號同步後的門控信號時段內進行的，故事件計數
器計數值M不存在誤差，即AM二0。但由於被測信號的隨機性，就造成了門
控信號Tg和時標信號fO是隨機的，時間計數值N仍然存在士1誤差。忽略
時標信號頻率穩定度誤差Afo / fo，測頻的最大誤差為
5上式表明，如果忽略時標信號頻率穩定度誤差Afo / fo,則測頻精度 和閘門時間Tg，時標信號的頻率相關，閘門時間越長，時標信號頻率越高， 測頻精度就越高。但是在調製域分析中，要越細緻的反映頻率、相位及時間 間隔隨時間的變化情況，閘門時間越小越好，時標信號頻率也不可能無限提 高，因為極高的頻率對器件和電路板設計都提出了嚴格的要求，在目前的技 術水平和工藝下，實現難度很大。在上述這些客觀因素限制下，要提高測量 精度，就需準確測出ATn 、 ATn+l進行誤差補償。
模擬內插法誤差補償原理就是把ATn、 ATn+l放大d倍，得到ATn，、 ATn+l'，再對時標進行計數測出ATn' 、 ATn+l，，帶入下面公式推出被 測信號頻率。
Tg = Tx (Mn+l—Mn) = To ( N+1—N) + (ATn， /d — ATn+l， /d)
△ Tn' =N1 * To，Nl為ATn'內時標計數值。
△ Tn+1，二 N2 * To， N2為ATn+l'內時標計數值。 Tg:實際閘門時間。
Tx:被測信號周期，取反即為被測信號頻率。 M:事件計數器值。 N:時標計數器值。 To:時標周期。
△ T: 土l個時標計數誤差。
d:表示時標計數誤差放大的倍數。
採用模擬內插後，雖然測ATn、 ATn+l時量化誤差仍然存在，但相對 來說縮小了d倍。如果ad二 1000，則測時分辯率提高三個數量級。
時間擴展原理如圖2所示。時間擴展電路的工作原理是，在ATn時間 內用一個恆流源對電容充電，隨後以(d — l) XATn的時間放電至電容器 的原電平。時間擴展電路由"起始"(Err信號的上升沿)信號開啟，在電 容器恢復至原電平時關閉。
模擬內插法的工作波形如圖3所示
6To是時標信號，Tg是由被測信號同步Tp之後得到的實際閘門信號，Tc 是由時標信號同步Tg得到，Err就是測量過程中所產生的誤差信號，Err， 就是擴展後誤差信號，誤差計數器在Err'高電平時對時標進行計數，目的 是對Err'誤差脈衝進行測量。
採用模擬內插法的缺點是電路結構非常複雜，會降低系統的可靠性，擴 展倍數有限，而且測ATn、 ATn+l時仍然存在量化誤差。
二、數字遊標法調製域分析測量裝置的工作原理如圖4所示。包括第一 遊標振蕩器21-1、第二遊標振蕩器21-2、第-一符合電路23-l、第二符合電 路23-2、時標產生單元24、門控單元25、第一遊標計數器26-1、第二遊標 計數器26-2、粗測計數器27;以閘門時間上升沿作為起始信號輸出到第一 遊標振蕩器21-1和門控單元25，以閘門時間下降沿作為終止信號輸出到第 二遊標振蕩器21-2和第二符合電路23-2，時標產生單元24的輸出分別輸 出到第一符合電路23-1、第二符合電路23-2和門控單元25，門控單元25 的輸出端與粗測計數器27連接，第一符合電路23-l的輸出端與第一遊標振 蕩器21-1的輸入端連接，第二符合電路23-2的輸出端與第二遊標振蕩器 21-2的輸入端連接，第一遊標振蕩器21-1、第二遊標振蕩器21-2的輸出 端分別與第一遊標計數器26-1、第二遊標計數器26-2連接。
數字遊標法調製域分析測量裝置的工作波形圖如圖5所示。
數字遊標法使用了兩種頻率的時標信號，主時標為fo，遊標時鐘為fs， fs〉fo，且非常接近。電路工作時，以Tg的上升沿作為第一遊標振蕩器的起 始信號，下降沿作為第二遊標振蕩器的起始信號。在Tg上升沿的作用下第 一遊標振蕩器輸出遊標時鐘，並由第一遊標計數器計數，當第一遊標振蕩器 時鐘趕上主時標時，產生一個停止脈衝，第一遊標振蕩器停止輸出遊標時鐘， 此時第一遊標計數器的計數為Nl，則有
△ Tn 二 Nl (To — Ts)。 同理得
△ Tn+1 = N2 (To — Ts) 帶入下面公式可推出被測信號頻率。
Tg = Tx (Mn+l—Mn) = To ( N+1—N) — ATn +ATn+lTg:實際閘門時間。
Tx:被測信號周期，取反即為被測信號頻率。 M:事件計數器值。 N:時標計數器值。 To:時標周期。 △ T: 士l個時標計數誤差。
數字遊標法的測時解析度取決於主時標和遊標的接近程度，越接近，分 辨率越高。如果To = 10ns， Ts = 9. 9ns，則測時解析度為100ps。
數字遊標法的缺點是當測時分辯率很高時，兩個時鐘電路必須嚴格屏 蔽，否則可能因頻率牽引而無法正常工作。

發明內容
本發明是為了克服現有技術存在的缺點，而提供的一種對土l個時標計 數誤差進行補償的基於時標移相的調製域分析測量裝置及其誤差補償法。
為了實現上述目的，本發明基於時標移相的調製域分析測量裝置，包括 放大整形單元、時標產生單元、可編程分頻器、同步單元、事件計數器、時 標計數器、第一先進先出存儲器、第二先進先出存儲器、以及單片機；其特 點是，
所述的時標計數器有a個(a為大於等於1的正整數)； 還包括a-1個移相器；
所述的放大整形單元的輸入端連接被測信號，其輸出端分別與同步單元 和事件計數器的輸入端連接；
所述的時標產生單元的輸出端分別與可編程分頻器、a個時標計數器中 之一時標計數器、以及各移相器的輸入端連接；所述的各移相器的輸出端分 別與各自對應的其餘的時標計數器連接；
所述的各時標計數器的輸出端與加法器連接；該加法器的輸出端與第二 先進先出存儲器的輸入端連接；
所述的可編程分頻器的輸出端與同步單元的輸入端連接；
所述的第一先進先出存儲器、第二先進先出存儲器的輸出端與單片機連
8接。
上述基於時標移相的調製域分析測量裝置，其中，所述的同步單元由觸 發器構成。
基於時標移相的調製域分析測量裝置的誤差補償方法，其特點是，在調 制域分析測量對士l個時標計數誤差進行補償，所述的補償包括以下步驟
步驟1 、把時標信號移相b次(b為大於等於1的正整數，b=a)，即把 時標接到n-l個移相器輸入端，移相後將n路時標送到n個時標計數器，每 次移相的相位等於360度/移相次數再乘以m(ra為大於等於1的正整數，最大 值等於b-l);
步驟2 、對移相後的各時標在實際閘門時間內同時計數；
步驟3、在實際閘門時間內對步驟2各時標的計數值進行求和，得到等
效時標頻率，補償土l個時標計數誤差。
上述基於時標移相的調製域分析測量裝置的誤差補償方法，其中，所述
的移相的相位分別為360度/移相次數再乘以m(m為大於等於1的正整數，
最大值等於b-l)
上述基於時標移相的調製域分析測量裝置的誤差補償方法，其中，所述 的時標移相次數與原時標頻率和移相元器件有關移相元器件決定最小的移 相度數；原時標頻率越低，最小移相度數可以越小，移相次數可以越多。
上述基於時標移相的調製域分析測量裝置的誤差補償方法，其中，所述 的移相後的時標上升沿的抖動範圍不超過其前後相鄰相位時標的上升沿。
上述基於時標移相的調製域分析測量裝置的誤差補償方法，其中，所述 的時標信號b次移相的相位相等。
本發明由於採取了以上的技術方案，其工作原理是把時標信號等相位移 相，然後對移相後的各時標分別計數，如果移相b次，就相當於把時標頻率 提高b倍，從而很好補償土l個時標計數誤差，提高了測量精度。


本發明的具體特徵、性能由移相的實施例及其附圖進一步描述。 圖1是現有技術採用模擬內插法的調製域分析測量裝置電方框圖。圖2是圖1中時間擴展原理圖。 圖3是圖1的工作波形示意圖。
圖4是現有技術採用數字遊標法調製域分析測量裝置電方框圖。 圖5是圖4的工作波形圖。
圖6是本發明基於時標移相的調製域分析測量裝置的一種實施例(採用
時標四次移相法原理)的電方框圖。 圖7是圖6的工作波形圖。
具體實施例方式
在調製域分析技術中，傳統的方法是採用模擬內插法或數字遊標法對士 l個時標計數誤差進行補償。但是模擬內插法電路結構非常複雜，誤差脈衝
擴展倍數有限，而且士l個時標誤差測量仍然存在量化誤差；數字遊標法當 測時分辯率很高時，兩個非常靠近的時鐘電路必須嚴格屏蔽，否則可能因頻 率牽引而無法正常工作。
本發明所採用的時標移相法就是把時標信號等相位移相，然後對移相後 的各時標分別同時計數，如果移相b次，相當於把時標頻率提高b倍。時標 移相法的優點是可用較低的時標頻率，成倍的提高測時解析度，從而提高測 量精度，而且由於時標頻率較低，硬體很容易實現和調試。還可以和模擬內 插法一起使用，得到極高的測時解析度。
下面以時標移相四次為例說明本發明的採用時標移相法的基於時標移 相的調製域分析測量裝置及其誤差補償法
請參閱圖6 ，這是本發明基於時標移相的調製域分析測量裝置的採用時 標四次移相法原理的一種實施例電方框圖。本實施例的基於時標移相的調製 域分析測量裝置包括加法器30、放大整形單元31、時標產生單元32、可編 程分頻器33、同步單元34、事件計數器35、第一先進先出存儲器 (FIFO-1)36-1、第二先進先出存儲器(FIFO-2)36-2、以及單片機(PC) 37。 還包括a個時標計數器(a為大於等於1的正整數)、a-1個移相器，本實施 例中因為採用四次移相，因此選擇採用4個時標計數器和3個移相器，其中 4個時標計數器包括第一時標計數器38-1、第二時標計數器38-2、第三時
10標計數器38-3、第四時標計數器38-4， 3個移相器包括第一移相器39-1、 第二移相器39-2和第三移相器39-3。
所述的放大整形單元31的輸入端連接被測信號FX，其輸出端輸出被整 形後的脈衝序列信號EX，分別與同步單元34和事件計數器35的輸入端連 接；
所述的時標產生單元32的輸出的時標信號To分別與可編程分頻器33、 4個時標計數器中之一例如第一時標計數器38-1、以及各移相器39-1、 39-2、 39-3的輸入端連接；所述的各移相器的輸出端分別與各自對應的其 餘的時標計數器例如第二時標計數器38-2、第三時標計數器38-3、第四時 標計數器38-4連接；
所述的各時標計數器的輸出端與加法器30連接；該加法器的輸出端與 第二先進先出存儲器36-2的輸入端連接；
所述的可編程分頻器33的輸出端輸出的被測原始閘門信號Tp與同步單 元34的輸入端連接；該同步單元產生輸出到第一先進先出存儲器、第二先 進先出存儲器，實際閘門信號Tg由被整形後的脈衝序列信號EX同步被測原 始閘門信號Tp後得到；
所述的第一先進先出存儲器(FIFO-1)、第二先進先出存儲器(FIFO- 2 ) 的輸出端與單片機37連接。
本發明的實施例中所述的同步單元可以由觸發器構成。
本發明被測信號Fx經過放大整形電路，得到脈衝序列Ex， Tg是Ex同 步Tp得到，故事件計數器計數值不存在誤差。
本發明釆用時標移相法來補償該誤差，包括以下步驟
基於時標移相的調製域分析測量裝置的誤差補償方法，在調製域分析測 量對±1個時標計數誤差進行補償，所述的補償包括以下步驟
步驟1 、把時標信號移相b次(b為大於等於1的正整數，b])，即把 時標接到a-l個移相器輸入端，移相後時標與原時標總共a路送到a個時標 計數器，每次移相的相位等於360度/移相次數再乘以m(m為係數，其為大 於等於1的正整數，最大值等於b-l);
步驟2 、對移相後的各時標在實際閘門時間內同時計數；
11步驟3、在實際間門時間內對步驟2各時標的計數值進行求和，得到等 效時標頻率，補償土l個時標計數誤差。
具體的說，結合本實施例，就是把時標信號移相90度、180度、270度， 然後與時標一起分別計數，在實際閘門時間內，對四個波形計數值求和，等 於對等效時標Te的計數值，因為移相四次，Te的頻率是原時標To的四倍， 所以通過移相可以等效提高時標頻率，從而提高測量精度。比如fo = lOOOMHz，移相4次，則fe = 4000MHz，測量精度提高4倍。如果移相b 次，等效時標頻率為原時標頻率的b倍，從而測量精度也提高b倍，工作原 理同4次移相。
由下面公式可推出被測信號頻率。
Tg =Tx (Mn+l—Mn)=To [ ( N0+Nl +…Nn )n+l—( N0+Nl+…Nn )n]b Tg:實際閘門時間。
Tx:被測信號周期，取反即為被測信號頻率。 M:事件計數器值。 N:時標計數器值。 To:時標周期。
n:閘門上升沿的時刻。
b:時標移相次數。
圖7是本發明基於時標移相的調製域分析測量裝置的一種實施例(採用
時標四次移相法原理)的工作波形圖。
時標移相法的優點是可用較低的時標頻率，成倍的提高測量精度，而且 由於時標頻率較低，硬體很容易實現和調試。還可以和模擬內插法一起使用， 能得到極高的測時解析度。
時標移相次數由原時標頻率和移相元器件決定，移相元器件決定最小的 移相度數，但是，移相後的時標上升沿的抖動範圍不能超過它前後相鄰相位 時標的上升沿，所以移相度數不能太小， 一般講，原時標頻率越低，最小移 相度數可以越小，移相次數可以越多。
本發明採用時標移相法，是一種新穎的對士l個時標計數誤差進行補償 的方法。相對於模擬內插法和數字遊標法，時標移相法可用較低的時標頻率，成倍的提高測時解析度，硬體容易實現，除應用於調製域分析中外，還可廣 泛應用於測頻、測周、測時及測相等各種場合。還可以和傳統的模擬內插法 一起使用，能得到極高的測時解析度，應用在對測量精度極高的場合。
本發明測試精度可以達到預期效果，與傳統方法相比，具有電路設計簡 單、調試方便的優點，極大的提高了測時解析度根據試驗，很好的補償了士 1個時標計數誤差。
權利要求
1、基於時標移相的調製域分析測量裝置，包括放大整形單元、時標產生單元、可編程分頻器、同步單元、事件計數器、時標計數器、第一先進先出存儲器、第二先進先出存儲器、以及單片機；其特徵在於，所述的時標計數器有a個(a為大於等於1的正整數)；還包括a-1個移相器；所述的放大整形單元的輸入端連接被測信號，其輸出端分別與同步單元和事件計數器的輸入端連接；所述的時標產生單元的輸出端分別與可編程分頻器、a個時標計數器中之一時標計數器、以及各移相器的輸入端連接；所述的各移相器的輸出端分別與各自對應的其餘的時標計數器連接；所述的各時標計數器的輸出端與加法器連接；該加法器的輸出端與第二先進先出存儲器的輸入端連接；所述的可編程分頻器的輸出端與同步單元的輸入端連接；所述的第一先進先出存儲器、第二先進先出存儲器的輸出端與單片機連接。
2 、根據權利要求1所述的基於時標移相的調製域分析測量裝置，其特 徵在於，所述的同步單元由觸發器構成。
3、基於時標移相的調製域分析測量裝置的誤差補償方法，其特徵在於， 在調製域分析測量對士l個時標計數誤差進行補償，所述的補償包括以下步 驟步驟1 、把時標信號移相b次(b為大於等於1的正整數，b二a)，每次 移相的相位等於360度/移相次數再乘以m(ni為係數，是大於等於1的正整 數，其最大值等於b-l);步驟2 、對移相後的各時標在實際閘門時間內同時計數； 步驟3 、在實際閘門時間內對步驟2各時標的計數值進行求和，得到等 效時標頻率，補償土l個時標計數誤差。
4 、根據權利要求3所述的基於時標移相的調製域分析測量裝置的誤差 補償方法，其特徵在於，步驟l所述的把時標信號移相b次，是指把時標接 到a-l個移相器輸入端，移相後將a路時標送到a個時標計數器。
5 、根據權利要求3所述的基於時標移相的調製域分析測量裝置的誤差 補償方法，其特徵在於，所述的時標移相次數與時標頻率和移相元器件有關: 移相元器件決定最小的移相度數；時標頻率越低，最小移相度數可以越小， 移相次數可以越多。
6 、根據權利要求5所述的基於時標移相的調製域分析測量裝置的誤差 補償方法，其特徵在於，所述的移相後的時標上升沿的抖動範圍不超過其前 後相鄰相位時標的上升沿。
7 、根據權利要求3所述的基於時標移相的調製域分析測量裝置的誤差 補償方法，其特徵在於，所述的時標信號b次移相的相位相等。
全文摘要
本發明公開了一種基於時標移相的調製域分析測量裝置及其補償方法，包括放大整形單元、時標產生單元、可編程分頻器、同步單元、事件計數器、時標計數器、第一先進先出存儲器、第二先進先出存儲器、以及單片機；其特點是，時標計數器有a個(a為大於等於1的正整數)；還包括a-1個移相器；誤差補償方法，包括把時標信號移相b次的步驟；對移相後的各時標分別計數的步驟；在實際閘門時間內對步驟2分別計數的各時標累加求和，得到等效時標頻率，補償±1個時標計數誤差的步驟。具有電路設計簡單、調試方便的優點，極大的提高了測時解析度，根據試驗，很好的補償了±1個時標計數誤差。
文檔編號G01R23/00GK101458278SQ20071017214
公開日2009年6月17日 申請日期2007年12月13日 優先權日2007年12月13日
發明者成 楊, 楊文舉, 建 王, 韓立群 申請人:中國電子科技集團公司第五十研究所