基于多周期同步的无死区频率测量方法研究

作     者：张文浩 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱红;陈法喜

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 

主      题：无死区 多周期同步测频法 ECL DDS 

摘      要：时间是国际单位制中七个基本物理量之一,具有最高测量精度,其它物理量的测量均可溯源于时间。频率与时间本质上是同一量,因此时频技术在计量测试领域具有极其举足轻重的地位。由于传统测量方法存在测量死区以及信号处理速度较慢的问题,导致在无线电对抗战中,不能对敌方电台的跳变频率实现高精度的识别;在研究多普勒频率变化时,不能对频率实现连续观测;在平常使用示波器的时候,也会丢失关键地偶发信号;因此研究无死区的频率测量方法具有很广泛的应用价值。本文从相位比对法、模拟内插法以及双混时差法等传统频率测量方法着手,详细分析比较了几种方法的基本原理架构以及各自优势和不足,提出了一种基于多周期同步无死区的频率测量方法,通过精确检测被测信号与参考信号的最小公倍数周期信号的边沿作为实际测频时的闸门信号前后沿,从而实现被测信号、参考信号和闸门信号的同步,不仅在传统的多周期同步测量方法上消除了计数过程中存在的±1误差,实现了对被测信号两个采样周期之间相位信息的无死区采样,并且在较宽的频率范围内实现相同分辨率的测量。基于多周期同步的无死区频率测量系统的硬件电路,根据功能将其分为五个子模块,其中包括信号变换模块、DDS模块、脉冲提取模块、信号同步模块和电源模块。信号处理过程中利用ECL电平处理速度快,逻辑电平摆幅小的特点,降低信号处理的响应时间,增强抗干扰能力。电源模块是自主设计的线性电源,具有线性电源输出电压波动小、瞬态响应快以及稳定性好的特点,减少了电源模块的电磁干扰。本系统的软件部分主要完成对被测信号的初步测量算法,并控制DDS模块产生参考信号;在与FPGA进行通信过程中,配合脉冲提取模块和信号同步模块,完成从FPGA提取被测信号和参考信号的计数值实现对被测信号的高精度测量,该设计理念充分发挥了MCU开发流程简单与FPGA高并发低延时的优点,保证了系统的可靠性和数据的完整性。最后对整体方案进行多次实验测试,完成系统的自校实验和互比实验,并对导致系统产生误差的主要因素进行全面分析研究,提出对应的优化措施。经过实验验证,该测量方案的测量秒级稳定度能够达到10/s量级,并且该测量方法具有系统稳定、结构简单和背景噪声低等特点,实现了对被测信号的无死区测量,对时频测量领域利用多周期同步测量具有一定的参考意义。后期,计划对PCB的布局进行更加完善的设计,对易受干扰的元器件进行隔离和屏蔽处理,进一步增强系统的抗干扰能力,并考虑增添精密控温模块,改善系统整体的温度特性,从而更好的提升系统测量精度。