時間頻率信號精密測量計數器的設計與實現

李澤寧，溫淑敏，何磊磊，隋朋洲

(內蒙古工業大學 理學院，內蒙古 呼和浩特010051)

時間頻率信號精密測量計數器的設計與實現

李澤寧，溫淑敏，何磊磊，隋朋洲

(內蒙古工業大學 理學院，內蒙古 呼和浩特010051)

在對時間頻率信號計數器測量原理及測量誤差分析的基礎上，綜合采用多周期同步法及時間-幅度轉換方法，設計了LV-1606型通用頻率計數器方案并完成了樣機研制和指標測試。可以達到測量頻率0.001 Hz～200 MHz,測量分辨率10位/s，時間測量20 ns～1 s，時間間隔測量分辨率60 ps，測量精度可達1 ns。該設計方法對測量儀器、深空通信、雷達測距、航空航天和導航定位等領域的精密時間頻率信號測量具有借鑒意義。

時間間隔測量；FPGA；多周期同步；時間-幅度轉換器

0 引言

時間頻率信號精密測量是由多學科、多技術領域交叉形成的一門專業技術，該技術廣泛應用在測量儀器、深空通信、雷達測距、航空航天和導航定位等領域。

常用的測量方法包括[1-5]：脈沖計數法、多周期同步法、時間延展法、時間-幅度轉換法、游標法以及延遲線法等，但單獨使用一種方法都難于實現寬頻段高精度頻率、時間測量。

本文根據工程要求，綜合應用不同測量方法，設計了簡單可行的高精度頻率時間測量方案，并完成了樣機研制和指標測試。

1 LV-1606型計數器總體設計

LV-1606計數器具有時間間隔、頻率、脈沖寬度、上升/下降時間及周期等的測量能力。A/D采用AD7542電路滿足測量分辨率要求，FPGA選用EP1C3T144C8N，MCU選用P1C24FJ128GA010，部分高速電路采用ECL器件。

在時間頻率信號測量方法中，用常用的測量方法測量頻率和周期時，測量低頻信號頻率的精度很低，都存在±1個字的基準計數時鐘誤差。多周期同步法是精度較高的一種，能在帶寬范圍內實現等精度測量，但仍然未解決±1個字的基準計數時鐘誤差，主要是因為預設閘門邊沿與計數閘門邊沿并不同步，如圖1所示[7]。對預設閘門控制START脈沖和STOP脈沖進行周期同步后的基準計數時鐘進行計數，利用被測信號周期對T同步，得到同步電路的輸出STOP脈沖周期T準確地等于被測周期的整倍數[8]。采用時間-幅度轉換法二次量化ΔT1和ΔT2誤差信號，在MCU、FPGA歸一化處理控制下，通過A/D將串行延時、并行計數，消除±1個字的基準計數時鐘誤差，提高精度。

將多周期同步法與時間幅度轉換器方法相結合，能實現寬頻范圍內時間間隔的精密測量。

圖1 計數器時間間隔測量波形圖示

LV-1606型計數器主要由MCU、FPGA、倍頻器、同步電路、時間-幅度轉換器、顯示器、程控接口等部分組成，如圖2所示。采用多周期同步測量技術和時間-幅度轉換技術，FPGA和MCU進行功能控制、測量時序控制、數據處理和結果顯示。

圖2 LV-1606型計數器原理框圖

內部時鐘頻率為10 MHz。選擇預設閘門控制時間START-STOP間為1 s，如圖1所示。當START信號將閘門打開后寄存器即對基準計數時鐘進行計數，到時間控制器STOP信號到來時將閘門關閉，將計數值n存入寄存器。同時再通過同步電路、時間-幅度控制器及MCU軟件，實現時間數字轉換，并分別測得ΔT1和ΔT2，通過計算得出時間頻率間隔測量ΔT=ΔT1-ΔT2，被測信號閘門時間T=nTo+ΔT1-ΔT2。通過鍵盤控制信號參數運算，通過VFD顯示相應參數值并由指示燈指示出來。

2 LV-1606計數器設計與實現

2.1 硬件設計

通過倍頻器電路來實現對10 MHz時鐘信號的倍頻，得到FPGA所需要的20 MHz時鐘信號，通過內部電路產生80 MHz時鐘信號，時鐘周期T=12.5 ns。用直接計數測頻法，通過MCU產生的閘門，由FPGA計出被測信號觸發事件的個數，并存儲在寄存器中。由于計數閘門沒有和信號同步，所以測量誤差0～12.5 ns之間。

被測信號輸入進LV-1606計數器后，首先需要進行50/1 MΩ和AC/DC的耦合處理以及衰減、低通濾波、限幅等的處理，進入高速比較器AD96687。由MCU控制D/A轉換芯片AD7542來產生觸發電平。

采用多周期同步技術，對時間和頻率分別計數，并存儲在寄存器中，通過同步電路、數字積分電路、時間-幅度轉換器、FPGA和MCU軟件實現時間-數字變換等高精度測量。時間基準周期為To，分辨率隨著時間基準頻率的增大而提高。

被測信號輸入LV-1606型計數器，經過前端的放大整形電路后進入同步電路，被測信號與閘門嚴格同步后一部分進入計數電路計量出To；取出嚴格同步后閘門的START信號和STOP信號與時鐘信號經處理得到ΔT1、ΔT2，ΔT1與ΔT2經過時間-幅度轉換電路得以精確測量，最終得到高精度的被測時間T=nTo+ΔT1-ΔT2。時間-幅度轉換是LV-1606計數器的核心技術，該部分的電路直接影響ΔT1和ΔT2的測量，也就直接關系到計數器的穩定性和測量準確性。

作為計數器追求測量精度，原理上只要取基準頻率值足夠大，測量精度也就高，如基準頻率值為10 GHz，測量精度可達到100 ps。但實際計數器應用中，要考慮設計實現的性價比。且器件的計數速度遠沒有這么快。所以要提高測量精度不能通過無限制的提高基準頻率。

采用模擬內插技術，擴展誤差信號。2個中斷子程序使被測信號的START和STOP邊沿被激活，啟動2個計數器開始分別計數，完成誤差ΔT測量。

通過預置閘門，得到計數閘門前沿、后沿都與被測信號經過2次同步，得到一個與被測信號完全同步的閘門，如圖3所示[11]。

圖3 同步電路原理圖

在被測時間間隔ΔT很小時，后級時間—幅度變換器中電流的切換速率、充放電起點和終點的非線性使變換器性能急劇惡化。因此，把Start-to-Clock的脈沖寬度擴展為T+ΔT，即12.5～25 ns，有利于消除起點和終點死區和零區非線性。Q(ΔT)端輸出即為被測的時間間隔Start-to-Clock。

利用觸發電平就是通過電路處理輸入及MCU歸一化處理的待觸發信號，找到其中間電位。

這樣就取出了ΔT1時間間隔。同理，結束脈沖的信號經過相同的電路后，也可取出ΔT2時間間隔，這樣為下一步做積分電路提供了需要的脈沖。

經過上述的電路，系統已經取到了短時間間隔ΔT1和ΔT2的脈沖信號Start_ck和Stop_ck。將2個脈沖信號轉變為電壓信號，可以使用積分電路實現。

通過一個積分電路可得到與時間成線性關系的電壓信號，該信號被放大電路放大為取值范圍為0～3.3 V的電壓信號，該信號要轉換為數字信號，需經過采樣、采樣-保持、量化編碼。

在LV-1606型計數器采樣-保持電路中，誤差數字積分電路電平變換輸出，經A/D轉換器AD7875KN變換，MCU采集到AD7578數字電壓信號，量化和歸一化編碼后，將其再由AD7542輸出，得到一個比較穩定的觸發電平。A/D轉換器為12位，有212=4 096 bit，輸入電壓為0～5 V，設計電壓范圍為0～3.3 V，占AD7875KN的3.3/5的變化范圍，即 4 096*3.3/5≈2 703。時間-數字變換器的理論分辨率為12.5 ns/2 703 ≈ 4.6 ps/bit。

2.2 軟件設計

在LV-1606計數器整機控制程序存儲在PIC16位單片機中，程序主要實現工作流程控制、數值運算等功能，包括整機的初始化、硬件計數控制、閘門控制、顯示控制、計數運算、譯碼等部分，軟件流程圖如圖4所示[12]。

圖4 LV-1606計數器整機軟件流程圖

2.3 影響性能的因素分析

由于計數器的測量精度受到許多因素的影響，因此，在計數器設計時需要特別注意以下幾個方面：

① 電源紋波干擾。因為高速測量單元的測量偏差與電源電壓密切相關，在芯片額定電壓范圍內，紋波小于15 mV，電壓越高，偏差越小，采用恒流源差動放大電路作為主體電路，接收整形級輸出的脈沖信號，對脈沖信號幅度與電平進行精密調理，保證 50 Ω輸出阻抗下 3.3 V幅度脈沖輸出要求。因此本方案在電路設計時配置了穩壓模塊和電源濾波模塊。

② 時鐘的穩定性和準確性帶來的誤差。參考時鐘(10 MHz)穩定性和準確性直接反映基準計數時鐘(80 MHz)穩定性和準確性，影響對微小時間間隔的測量結果。建議參考時鐘的穩定性應優于10-9。

③ 待測時間擴展的非線性誤差。采用擴展1 000倍量化時鐘對放電時間進行計時，擴展倍數即為分辨率提高的倍數，通過歸一化處理，減少非線性對測量數據的影響[2]。

④ 高速器件的上升/下降時間對測量精度的影響較大，上升/下降時間越小，其測量精度越高，應盡量減小待測信號的上升/下降時間。本計數器采用ECL器件，上升/下降時間較小。

⑤ A/D變換啟動的即時性同步性和量化產生誤差。選用參考電壓較小、分辨率較高的A/D器件。

⑥ 系統布局布線應考慮盡量減少傳輸線之間的寄生電容。在布局時PCB采用獨立的“電源層”和“地層”，時間頻率信號傳輸單獨走層，其上下層都布放“地層”，起到一定的屏蔽和減少寄生電容效果。

3 測試數據與結果

通過E4421B、HP33250A輸出信號對時間間隔精密測量指標進行測試，計數器多組測試和測試數據的分析得出，該計數器的測量誤差在設計允許范圍內，其測量頻率、測量時間范圍數據分別如表1、表2所示，主要性能指標能滿足時間間隔測量要求。

表1 閘門1 s時，頻率測量實際值對比

標準值實測值(閘門1s)0.001Hz0.00123Hz0.01Hz0.010034Hz1Hz0.999986Hz100Hz99.999993Hz1MHz1000000.002Hz100MHz100000000.1Hz200MHz200000000.5Hz

表2 測量時間間隔實際值對比

標準值實測值20ns19.865ns1μs1.000648μs1ms1.00000079ms1s1.000000000s

表3 多組時間間隔標準偏差

測量組數標準偏差結果/ps147254349450

由實驗結果可以看出，LV-1606計數器頻率測量范圍0.001 Hz～200 MHz,測量分辨率10位/s，時間測量范圍20 ns～1 s，時間間隔測量分辨率優于60 ps，測量精度可達1 ns。

4 結束語

文中介紹的時間間隔精密測量方法,結構簡單,易于實現寬頻帶頻率、時間間隔的高精度測量,性價比高，對于同類產品設計具有借鑒意義。

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[2] 孫杰,潘繼飛.高精度時間間隔測量方法綜述[J].計算機測量與控制,2007,15(2):145-148.

[3] 張雪平.單片機多周期同步法提高測頻準確度[J].電子測量技術,2004(3):50-51.

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[5] 楊鴻武,張策,陸曉燕,等.一種改進式TAC的高精度時間間隔測量系統的實現[J].計算機測量與控制,2015,23(12):4008-4012.

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[8] 吳勁松.時間間隔測量技術研究與應用[J].通信技術,2011(4):184-186.

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[11] 張一鳴.基于FPGA的數字頻率計原理設計與實現[J].電子世界,2015(10):69-72.

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[13] 王淑青,吳作健.基于單片機高精度測頻方法的研究[J].湖北工業大學學報(自然科學版),2005,20(4):35-48.

DesignandImplementationofTime-FrequencySignalPrecisionMeasurementCounter

LI Ze-ning,WEN Shu-min,HE Lei-lei,SUI Peng-zhou

(College of Science,Inner Mongolia University of Technology,Inner Mongolia Hohhot 010051,China)

Based on an analysis on the measurement principle and measurement error of time-frequency signal counter,the LV-1606 general frequency counter is designed by a combination of multi-period synchronization method and time-amplitude conversion (TAC) method,and the prototype development and specifications test are completed.The measurement frequency range is 0.001 Hz～200 MHz,the measurement resolution is 10 bit/s,the time range is 20 ns～1 s,the time interval measurement resolution is 60 ps,the measurement precision can be up to 1 ns.The design method provides a good reference for the precise time-frequency signal measurement in the fields of measurement instruments,deep space communications,radar ranging,aerospace and satellite navigation,etc.

time interval measurement;FPGA;multi-period synchronization;time-amplitude conversion

TN911.7

A

1003-3114(2017)06-97-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.23

李澤寧,溫淑敏,何磊磊,等.時間頻率信號精密測量計數器的設計與實現[J].無線電通信技術,2017,43(6):97-100.

[LI Zening,WEN Shumin,HE Leilei,et al.Design and Implementation of Time-Frequency Signal Precision Measurement Counter[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):97-100.]

2017-07-20

內蒙古工業大學“大學生科技實驗計劃” 項目

李澤寧(1996—)，男，本科在讀，主要研究方向：智能檢測技術與控制。溫淑敏(1970—)，女，博士，副教授，主要方向：半導體材料及半導體異質結構的光電性能的理論及實驗研究。