賀振中，李孝輝,劉婭

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寬范圍數(shù)字化精密頻率測量系統(tǒng)的研制

賀振中1,2,3，李孝輝1,2,劉婭1,2

（1. 中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院研究生院，北京 100039）

由于奈奎斯特采樣定律的限制，傳統(tǒng)的數(shù)字化精密頻率測量設(shè)備難以對頻率較高的信號進行高精度的精密頻率測量。作者研制了一種寬范圍數(shù)字化精密頻率測量系統(tǒng)，能夠通過基于頻譜分析的粗測過程和基于欠采樣的精測過程，克服奈奎斯特定律的限制。實驗表明，該寬范圍數(shù)字化精密頻率測量系統(tǒng)對于10MHz信號的測量（相對）頻率偏差為1.13×10-11，測量穩(wěn)定度達到1×10-12量級。

數(shù)字化;欠采樣;精密頻率測量

0 引言

精密頻率測量技術(shù)在航空、航天、精確制導(dǎo)以及民用的電力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)都有廣泛的用途，是不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)[1]。相對于模擬精密頻率測量，數(shù)字化精密頻率測量具有測量速度快，精度高，測量便捷等優(yōu)點，更適用于當下的“數(shù)字化時代”。傳統(tǒng)的數(shù)字化頻率測量設(shè)備通常直接進行信號采集，將待測信號數(shù)字化，然后通過數(shù)字信號處理技術(shù)完成對待測信號精密頻率測量。這種方法由于奈奎斯特定理的限制，對于具有較高頻率的信號測量來說，直接模數(shù)轉(zhuǎn)換成本代價極高，難以實現(xiàn)[2-3]。

本文研制的寬范圍數(shù)字化精密頻率測量系統(tǒng)，采用欠采樣頻率測量方法，能夠突破奈奎斯特定理的限制，完成對高頻信號的精密頻率測量[1]。相對于傳統(tǒng)的數(shù)字化測量設(shè)備，本文研制的頻率測量系統(tǒng)具有測量范圍寬，測量精度高，設(shè)備成本較低等優(yōu)勢，是一種能夠廣泛應(yīng)用的數(shù)字化精密頻率測量設(shè)備。

1 寬范圍數(shù)字化精密頻率測量系統(tǒng)的測量原理

1.1 頻率粗測原理

1.2 基于欠采樣的精密測量

數(shù)據(jù)采集后，數(shù)據(jù)按秒進行存儲，第s的數(shù)據(jù)表示為[2-3]

1.3 系統(tǒng)誤差修正過程

2 寬范圍數(shù)字化精密頻率測量系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的總體組成

系統(tǒng)功能的實現(xiàn)基于數(shù)字化與虛擬儀器技術(shù)。根據(jù)數(shù)字化以及虛擬儀器設(shè)備的特點以及設(shè)備功能的需求，設(shè)備由信號輸入連接端口、數(shù)據(jù)采集模塊、軟件模塊、硬件搭載平臺和軟件搭載平臺組成，其構(gòu)成如表1所示。

表1 系統(tǒng)組成表

系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

屏蔽式接線盒通過線纜與數(shù)據(jù)采集卡連接，將待測信號接入系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集卡對接入的待測信號采集、量化、編碼，并通過PCI接口傳入高性能PC機；軟件模塊對傳入計算機的數(shù)據(jù)進行處理，完成對信號的精密頻率測量，并將最終測量結(jié)果顯示給用戶。

2.2 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

軟件模塊是寬范圍數(shù)字化精密頻率測量系統(tǒng)實現(xiàn)精密頻率測量的關(guān)鍵。其作用是利用軟件實現(xiàn)對待測信號的粗測過程和精測過程，完成對待測信號的精密頻率測量任務(wù)。軟件模塊利用Labwindows/CVI平臺進行開發(fā)，用C語言對虛擬儀器進行編程。labwindows/CVI平臺有交互的程序開發(fā)環(huán)境和可用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集和儀器控制應(yīng)用程序的函數(shù)庫，此外，每個庫中的函數(shù)有一個成為函數(shù)面板的交互式界面，為利用軟件實現(xiàn)設(shè)備功能的虛擬儀器創(chuàng)造了良好的環(huán)境[4]。

軟件按功能共分為5個模塊，分別是界面設(shè)置與軟件控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、頻率測量模塊、波形與結(jié)果顯示模塊和數(shù)據(jù)保存模塊。軟件整體設(shè)計如圖2所示。

圖2 軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

在測量時，先由界面設(shè)置與軟件控制模塊進行軟件參數(shù)設(shè)置，并發(fā)出啟動數(shù)據(jù)采集與頻率測量的指令；數(shù)據(jù)采集模塊接收指令后分別對待測信號和參考信號進行數(shù)據(jù)采集；測量模塊接收指令后，按照指令對所采集到的數(shù)據(jù)進行頻率測量，并進行誤差校準，得到最終精密頻率測量結(jié)果；波形與結(jié)果顯示模塊將最終測量結(jié)果與待測信號波形顯示于界面；數(shù)據(jù)保存模塊最終將測量結(jié)果進行保存。

軟件運行時，數(shù)據(jù)采集持續(xù)進行。當軟件使用單一線程時，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)被頻率測量任務(wù)打斷，線程不能及時返回數(shù)據(jù)采集任務(wù)的情況，這樣會導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集緩沖區(qū)溢出，難以完成頻率測量任務(wù)[5]。因此軟件采用多線程技術(shù)，為數(shù)據(jù)采集模塊、頻率測量模塊、波形與結(jié)果顯示模塊在線程池中各自分配一個獨立的線程，在軟件運行過程中操作系統(tǒng)將進行線程切換，使各個線程平穩(wěn)完成各自任務(wù)，順利完成頻率測量任務(wù)[6]。

下面對數(shù)據(jù)采集模塊和頻率測量模塊這2個軟件中的核心模塊作詳細介紹。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊用于設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡工作參數(shù)、讀取并分配所采數(shù)據(jù)。工作流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集工作流程圖

數(shù)據(jù)采集模塊在接收數(shù)據(jù)采集指令后，首先通過Labwindows/CVI中的DAQmx函數(shù)庫對數(shù)據(jù)采集卡進行采樣時鐘、采樣方式、采樣通道、采樣頻率等數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置。完成設(shè)置后利用DAQmxReadAnalogF64()函數(shù)讀取所采集的數(shù)據(jù)，并按照所分配通道的順序依次向每個通道的存儲空間分配所采集的數(shù)據(jù)[4]。

由于數(shù)據(jù)采集是連續(xù)的，因此數(shù)據(jù)讀取需要循環(huán)進行，在Labwindows/CVI環(huán)境下，常用for()函數(shù)和定時器控件實現(xiàn)循環(huán)功能。然而由于數(shù)據(jù)采集任務(wù)采樣率較高，數(shù)據(jù)時效性要求較強，而for()函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取循環(huán)所占用內(nèi)存和處理器資源較大，定時器控件的時間控制精確度較低，難以達到需求。因此軟件利用DAQmxRegisterEveryNSamplesEvent()函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取的循環(huán)，其工作原理是當該函數(shù)執(zhí)行時，將所采數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)采集卡的板載緩存中，當寫入的數(shù)據(jù)量達到設(shè)置的大小時，函數(shù)激活數(shù)據(jù)讀取函數(shù)將所存數(shù)據(jù)讀出并清空緩存空間，由于數(shù)據(jù)寫入緩存是持續(xù)的，便實現(xiàn)了數(shù)據(jù)讀取的循環(huán)[4,6]。

2.2.2 頻率測量模塊

頻率測量模塊用于對所采集數(shù)據(jù)進行處理，完成頻率測量任務(wù)。在利用手動模式按要求完成粗測、精測任務(wù)外，還可利用自動化測量功能，完成對待測信號的自動化測量，測量流程如圖4所示。

圖4 自動化測量工作流程圖

3 試驗與結(jié)果分析

試驗分為2步進行，分別是設(shè)備的本底噪聲測試實驗和與SR-620計數(shù)器的測量對比試驗。

3.1 本底噪聲試驗

圖5 本底噪聲試驗流程圖

測試試驗持續(xù)了8 300 s，測量間隔為1s，共得到8 300×2個頻率測量結(jié)果。（相對）頻率差數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 （相對）頻率偏差數(shù)據(jù)圖

圖6中，8 300 s內(nèi)的（相對）頻率偏差穩(wěn)定于±1×10-11之間，并且基本關(guān)于0值對稱。

測量結(jié)果統(tǒng)計分析如表2所示。

表2 本底噪聲測量結(jié)果統(tǒng)計

測試說明，設(shè)備在對10 MHz的信號的精密頻率測量中，測量（相對）頻率偏差可以達到1.13×10-11，測量穩(wěn)定度能夠達到5.64×10-12。

3.2 與SR-620計數(shù)器測量對比試驗

與SR-620計數(shù)器的測量對比試驗的目的是驗證寬范圍數(shù)字化精密頻率測量系統(tǒng)測量結(jié)果的正確性。試驗選用SRS FS-725銣鐘作為待測信號，同時用基于欠采樣的數(shù)字化精密頻率測量系統(tǒng)和SR-620計數(shù)器同時對待測信號進行精密頻率測量，測量完成后將測量結(jié)果進行對比。

試驗過程如圖7所示。

圖7 銣鐘信號測量流程圖

在對設(shè)備精測功能測試的過程中，SRS FS725銣鐘所產(chǎn)生的10MHz信號作為待測信號接入設(shè)備的通道1進行精密頻率測量，時頻基準實驗室的10 MHz銫原子鐘信號經(jīng)過相位微調(diào)器微調(diào)后作為參考信號接入?yún)⒖夹盘柾ǖ馈Ｍ瑫r將SRS FS725銣鐘所產(chǎn)生10 MHz信號也接入SR620計數(shù)器進行測量，并用時頻基準實驗室的1 PPS信號作為SR620計數(shù)器的開門信號。

為了使測試結(jié)果更為可信，測試共持續(xù)了232 108 s，測量間隔為1 s，每臺測量設(shè)備獲得了232 108個精密頻率測量設(shè)備，用寬范圍數(shù)字化精密頻率測量系統(tǒng)所測量的頻率偏差結(jié)果如圖8所示，用SR620計數(shù)器所測量的（相對）頻率偏差結(jié)果如圖9所示。

圖8 寬范圍數(shù)字化精密頻率測量系統(tǒng)所測（相對）頻率偏差

圖9 SR-620計數(shù)器所測（相對）頻率偏差

測量結(jié)果統(tǒng)計分析如表3所示。

表3 測量結(jié)果統(tǒng)計分析表

實驗表明，用寬范圍數(shù)字化精密頻率測量系統(tǒng)的測量結(jié)果具有較高的測量正確性，并且測量結(jié)果較為穩(wěn)定。但是測量結(jié)果與SR-620計數(shù)器所測結(jié)果之間存在常數(shù)偏差，這還需要我們進一步去研究產(chǎn)生該偏差的原因，進一步提升設(shè)備的性能。

[1] 李孝輝, 楊旭海, 劉婭, 等. 時間頻率信號的精密測量[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010: 7-13.

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A design ofhigh-precisionwide-range digitalfrequency measuring system

HE Zhen-zhong1,2,3, LI Xiao-hui1,2, LIU Ya1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China; 2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China; 3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

Because of the restriction of Nyquist sampling theorem, it is difficult to measure the high-frequency signal accurately with the traditional high-precisiondigital frequency measuring instrument. A high-precision wide-range digital frequency measuring system is developed by the authors, which can conquer the restrictionof Nyquist sampling theorem. In this system, the signal is measured through a preliminary process based on the frequency spectrum analysis as well as a precise process based on the low sampling rate method. A 10 MHz signal was measured with thehigh-precision wide-range digital frequency measuring system,andthe measurements show that the relative frequency deviation and the stability are1.13×10-11and 1×10-12respectively.

digitalizing; low sampling rate; high-precisionfrequency measurement

TM935.1

A

1674-0637(2013)02-0065-10

2012-04-24

國家自然科學(xué)基金資助項目（61001076）

賀振中，男，碩士，主要從事時間頻率測量研究。