頻率測量中長度游標的應用

(安徽省計量科學研究院 安徽 合肥 230000)

一、長度游標法

針對時頻測量方法，傳統的定標方法是利用兩個不同頻率的沖擊振蕩器與測量時間間隔的開門和關門信號，這是一種標準的測量方法，通過周期性地延長時間間隔，進而來測量信號之間的周期性。其中，沖擊振蕩器實際操作起來有困難，可操作性不強。此外，由于很難產生極窄的脈沖信號，較難檢測到高分辨率的重合性，在這個方面，在具體的實踐中很難到達理論上的測量精度。長度標記不同于一般的標記方法，是將信號的關系與時間的尺度法相結合，從而產生的一種新的時頻測量方法。在長度標記方法中，開門信號通過的延遲線進行傳遞，它的長度總是大于關閉信號的長度，在一般情況下，路徑延遲線的長度差通過時間和空間的關系來表示，進而是確定了系統的實際分辨率，在這種情況下，2路信號的延遲時間大不相同，這種延遲會導致測量的結果不準確，因此開、關信號不能同步，保持一致。此時，2個信號發生延遲后，對它們進行重新測量，并且在每個延遲線之后對齊，可以明顯地提高系統的分辨率，大大提高了測量的準確性。

二、基于長度游標檢測原理

在一些精密的頻率測量實驗中，可以使用2個信號相位重合法來進行實際的測量。如圖9所示，一旦發現2個不同頻率的信號進入到整形電路中，并且它們的有些部分是相互重合的，但是重合的電路分辨率有限，換個說法，重合的信息是模糊不清的，這會大大限制測量系統的精度。重合檢測電路由3級組成。第1級是傳統的重合檢測電路，可通過編程門陣列(FPGA)實現。第2級和第3級完全不同于第1級電路，是新增加的重合檢測電路，3級測試電路的輸出信號就是最終的需要檢測的信息，該信息被送往FPGA時產生的電路中的相位脈沖。設第 2 級游標長度為 Δt，推算得到Δt，越小，相應的測量分辨率卻越高。除此之外，Δt也與整條線路的穩定性有著密不可分的關系，如果該值較大，則分辨率會隨之減小，可靠性變低。

圖1 相位重合檢測工作過程

如圖1所示，最終的相位重合信息由前3個波形相位之和得到。實驗的結果表明，實驗獲得的脈沖包絡寬度變得越來越窄，甚至沒有達到原來的一半，因此明顯減少被測信息中的模糊區，得到更準確的結果。

三、基于長度游標法的頻率測量實驗

該實驗為生成實際的數據，進而完成對被測信號(fx)和標頻信號(f0)的測量工作，可以根據以下公式進行一系列地推導：

計算被測信號的頻率大小，其中N0為標頻的信號，Nx為被測的信號，它們在規定的時間內完成了數據的測量工作，進而可以明顯提高檢測信息的準確性，大大提高了工作的效率，具體的系統測量原理如圖 12 所示。在這種情況下，可以準確地同步數據，脈沖計數值更加接近于真實的數據，明顯地提高了系統的精度。為了驗證實際的頻率測量精度能否和理論上的相符合，需要使用OSA公司生產的最新產品，該產品性能穩定、可操作性更強，價格相較于其他產品價格更合理，本文使用的是86 075 MHz OCXO結合頻率合成器。

為系統提供了普通頻率點10 MHz和特殊頻率點16.384 MHz兩種情況，對它們分時段進行測量，具體的數據如表1所示。

表1 頻率的測量數據

2 組阿倫方差所得結果分別為σ=6.73 ×10-12和σ= 9.81 × 10-12.由此可知，該系統的測量精度能達到 10-12/τ量級． 與傳統的頻率測量系統相比，可以明顯地提高測量的準確度。

四、結束語

綜上所述，本文提出了一種結合利用信號的時空關系檢與異頻相位重合檢測技術相結合的方案。對傳統的檢測系統進行了改進，產生了新的相位疊加檢測系統，并對其進行了仿真操作。能有效地消除±1個字計數誤差，減小了模糊區域，實現了更精確的測量。長度游標的測量方法是一種新的技術突破，它不僅依靠線路上的改進來提高測量的精度，更重要的是利用人類對自然現象的規律性認識，進行規律地測量。實驗結果可以表明，該方案的精度可達(10-12)/s。這種新型的頻率測量系統的測量精度還是有很大的上升發展空間。