頻率測量中長度游標(biāo)的應(yīng)用

(安徽省計(jì)量科學(xué)研究院 安徽 合肥 230000)

一、長度游標(biāo)法

針對時頻測量方法，傳統(tǒng)的定標(biāo)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(guān)門信號，這是一種標(biāo)準(zhǔn)的測量方法，通過周期性地延長時間間隔，進(jìn)而來測量信號之間的周期性。其中，沖擊振蕩器實(shí)際操作起來有困難，可操作性不強(qiáng)。此外，由于很難產(chǎn)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(shí)踐中很難到達(dá)理論上的測量精度。長度標(biāo)記不同于一般的標(biāo)記方法，是將信號的關(guān)系與時間的尺度法相結(jié)合，從而產(chǎn)生的一種新的時頻測量方法。在長度標(biāo)記方法中，開門信號通過的延遲線進(jìn)行傳遞，它的長度總是大于關(guān)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(guān)系來表示，進(jìn)而是確定了系統(tǒng)的實(shí)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(dǎo)致測量的結(jié)果不準(zhǔn)確，因此開、關(guān)信號不能同步，保持一致。此時，2個信號發(fā)生延遲后，對它們進(jìn)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(tǒng)的分辨率，大大提高了測量的準(zhǔn)確性。

二、基于長度游標(biāo)檢測原理

在一些精密的頻率測量實(shí)驗(yàn)中，可以使用2個信號相位重合法來進(jìn)行實(shí)際的測量。如圖9所示，一旦發(fā)現(xiàn)2個不同頻率的信號進(jìn)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(tǒng)的精度。重合檢測電路由3級組成。第1級是傳統(tǒng)的重合檢測電路，可通過編程門陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)。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(chǎn)生的電路中的相位脈沖。設(shè)第 2 級游標(biāo)長度為 Δt，推算得到Δt，越小，相應(yīng)的測量分辨率卻越高。除此之外，Δt也與整條線路的穩(wěn)定性有著密不可分的關(guān)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)獲得的脈沖包絡(luò)寬度變得越來越窄，甚至沒有達(dá)到原來的一半，因此明顯減少被測信息中的模糊區(qū)，得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

三、基于長度游標(biāo)法的頻率測量實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)為生成實(shí)際的數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成對被測信號(fx)和標(biāo)頻信號(f0)的測量工作，可以根據(jù)以下公式進(jìn)行一系列地推導(dǎo)：

計(jì)算被測信號的頻率大小，其中N0為標(biāo)頻的信號，Nx為被測的信號，它們在規(guī)定的時間內(nèi)完成了數(shù)據(jù)的測量工作，進(jìn)而可以明顯提高檢測信息的準(zhǔn)確性，大大提高了工作的效率，具體的系統(tǒng)測量原理如圖 12 所示。在這種情況下，可以準(zhǔn)確地同步數(shù)據(jù)，脈沖計(jì)數(shù)值更加接近于真實(shí)的數(shù)據(jù)，明顯地提高了系統(tǒng)的精度。為了驗(yàn)證實(shí)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(chǎn)的最新產(chǎn)品，該產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可操作性更強(qiáng)，價格相較于其他產(chǎn)品價格更合理，本文使用的是86 075 MHz OCXO結(jié)合頻率合成器。

為系統(tǒng)提供了普通頻率點(diǎn)10 MHz和特殊頻率點(diǎn)16.384 MHz兩種情況，對它們分時段進(jìn)行測量，具體的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 頻率的測量數(shù)據(jù)

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

四、結(jié)束語

綜上所述，本文提出了一種結(jié)合利用信號的時空關(guān)系檢與異頻相位重合檢測技術(shù)相結(jié)合的方案。對傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，產(chǎn)生了新的相位疊加檢測系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了仿真操作。能有效地消除±1個字計(jì)數(shù)誤差，減小了模糊區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了更精確的測量。長度游標(biāo)的測量方法是一種新的技術(shù)突破，它不僅依靠線路上的改進(jìn)來提高測量的精度，更重要的是利用人類對自然現(xiàn)象的規(guī)律性認(rèn)識，進(jìn)行規(guī)律地測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以表明，該方案的精度可達(dá)(10-12)/s。這種新型的頻率測量系統(tǒng)的測量精度還是有很大的上升發(fā)展空間。