崔保健　才　瀅　趙海鷹

(中國人民解放軍92493部隊89分隊，遼寧葫蘆島 125000)

0　引言

比相儀是一種對頻標(biāo)長期特性進行測試的儀器，通過測量某一取樣時間間隔內(nèi)兩臺頻標(biāo)輸出信號相位差的變化量，計算得到相對平均頻率偏差，利用多次測量數(shù)據(jù)可以測量頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度[1-2]。通常比相儀的核心部分是一個由觸發(fā)器構(gòu)成的相位比較器，工作于脈沖狀態(tài)下的線性相位檢波器(通常稱為比相器)。比相器將輸入的兩路方波信號之間的相位差轉(zhuǎn)換成具有對應(yīng)占空比的方波信號，并經(jīng)濾波后得到代表相位差的直流電壓，傳統(tǒng)式比相儀是把相位差變換成電壓信號后，利用筆式電壓記錄儀或AD轉(zhuǎn)換器采集記錄電壓隨時間變化曲線，人工或自動進行讀取、計算[3-4]。測量過程繁瑣，不易數(shù)字化，并且，觸發(fā)器方式的鑒相器在信號頻率較高時，相位比較和濾波處理效果較好，在頻率較低時，會因為濾波效果不好影響測量精度。本文針對這一問題，提出了一種新的基于TDC時間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的智能化數(shù)字比相儀的設(shè)計方法。

1　TDC時間轉(zhuǎn)換器簡介

當(dāng)兩個脈沖沿相差為幾十或幾百皮秒時，因為脈沖越窄，所需要的時鐘頻率就愈高，對芯片性能要求也越高，脈沖計數(shù)方式的脈寬測量方法就不再適用[5]。例如要求1ns的測量誤差時，時鐘頻率就需要提高到1GHz，此時，一般計數(shù)器芯片很難正常工作，同時也會帶來電路板的布線、材料選擇、加工等諸多問題。為克服上述問題，利用信號通過邏輯門電路的絕對傳輸時間實現(xiàn)了一種新的時間間隔測量方法，其測量原理如圖1所示。START信號和STOP信號之間的時間間隔由非門的個數(shù)來決定，而非門的傳輸時間可以由集成電路工藝精確地確定。同時，由于門電路的傳輸時間受溫度和電源電壓的影響比較大，因而，這種芯片內(nèi)部設(shè)計了鎖相和標(biāo)定校準(zhǔn)電路。

Time to Digital Converter(TDC)即直接將時間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過微處理器接口進行控制和數(shù)據(jù)讀取。德國Acam公司的TDC-GPX系列時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，主要由TDC測量單元、16位算術(shù)邏輯單元、RLC測量單元以及與8位單片機的接口等組成內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　TDC測量原理

圖2　TDC-GP1內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TDC-GP1的單通道測量分辨率250ps，具有兩個測量通道，每個通道可進行四次采樣，雙通道的八個事件可任意測量，沒有最小時間間隔限制，具有兩個測量量程：3ns～7.6μs、60ns～200ms，測量輸入上升沿、下降沿觸發(fā)模式可選，工作電壓2.7～5.5V，接口方式簡捷，與嵌入式系統(tǒng)連接方便。

2　基于TDC比相原理

被測信號和參考信號分別為：

Ux=AxsinΦx(t)=Axsin2p {[f0+Δf(t)]t+φx0}
Ur=ArsinΦr(t)=Arsin2p {f0T+φy0}

(1)

式中，f0為兩信號頻率的標(biāo)稱值；Δf(t)為兩信號的瞬時頻率偏差；φx0被測信號初始相位；φy0被測信號初始相位。

兩信號的瞬時相位差為：

ΔΦ(t)=Φx(t)-Φr(t)=2pΔf(t)t+φx0-φy0

(2)

如果兩個信號的頻率嚴(yán)格相等，沒有頻率偏差，Δf(t)= 0，兩個信號的相位將保持不變；如果兩個信號的頻率存在偏差，并且Δf(t)為定值，那么兩個信號的相位將線性地增加或減少。

比相儀中鑒相器由觸發(fā)器構(gòu)成，鑒相器和濾波器的作用是把ΔΦ(t)變成隨時間變化的電壓信號，通過AD轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)鑒相鋸齒波的測量，其基本原理如圖3所示。

圖3　比相測量原理框圖

兩正弦輸入信號經(jīng)整形后變成方波輸入到鑒相器(觸發(fā)器)上，鑒相器的輸出信號仍為脈沖波，但脈沖寬度與兩信號的相位差成正比。經(jīng)過積分濾波后變成鋸齒波電壓信號，電壓值與相位差成正比，比相輸出鋸齒波的周期由兩比相信號的頻差決定。而基于TDC的智能比相儀以高分辨率TDC作為鑒相器，測量兩個脈沖信號上升沿的時間間隔，其輸出與觸發(fā)器型鑒相器輸出的表示方法相同，為與相位差成正比的脈沖寬度時間數(shù)字序列，TDC的鑒相輸出已經(jīng)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，實現(xiàn)了脈沖相位差的數(shù)字化測量，數(shù)字化后的數(shù)據(jù)由微處理器通過數(shù)據(jù)總線讀取，將測量結(jié)果通過RS232串口發(fā)送至上位計算機，由上位計算機進行讀取、存儲、分析和處理并顯示比相結(jié)果。TDC在測量模式2下，沒有最小時間間隔限制，鑒相測量分辨力僅僅受TDC測量分辨力限制，其測量分辨力可達250ps，沒有鑒相死區(qū)。

3　方案設(shè)計

3.1　硬件設(shè)計

兩路要進行比相的信號參考信號和被測信號分別進入整形電路，得到上升沿特性比較好的脈沖，然后送入TDC電路進行測量，得到對應(yīng)兩信號相位差變化的時間間隔數(shù)據(jù)?；赥DC時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的比相儀控制模塊，采用基于ARM結(jié)構(gòu)的STM32F103VET6處理器作為TDC的控制單元，兩比相脈沖上升沿時間間隔測量采用TDC實現(xiàn)，TDC的參考時鐘采用外部獨立10MHz晶振提供，也可采用參考信號的10MHz脈沖輸入。為方便對不同頻率信號進行比相，TDC可以根據(jù)比相信號時間間隔變化范圍設(shè)置成量程1或量程2方式。TDC的測量采用中斷方式，每次測量結(jié)束，由TDC發(fā)出測量過程完成中斷信號INT向微處理器申請中斷，微處理器自動讀取測量結(jié)果，并記錄測量時刻，通過RS232發(fā)送到上位計算機進行數(shù)據(jù)采集、存儲和處理，由上位計算機輸出顯示波形，并計算兩個被測信號的相對頻率偏差，進而計算頻率漂移和頻率穩(wěn)定性。其硬件原理電路原理圖如4所示。

圖4　硬件結(jié)構(gòu)原理框圖

3.2　軟件設(shè)計

該比相儀控制軟件分兩個部分：下位機控制軟件和上位機處理軟件。下位機軟件采用Keil ARM 嵌入式設(shè)計開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)，主要是完成比相儀硬件電路的控制，比相輸入信號分頻、選通控制，TDC控制和時間間隔測量和數(shù)據(jù)通訊；上位機軟件采用LabWindows/ CVI 開發(fā)平臺開發(fā)調(diào)試，主要完成用戶圖形界面操作、下位機數(shù)據(jù)的采集與顯示和數(shù)據(jù)分析與處理，相對頻率偏差的計算、頻率漂移和頻率穩(wěn)定性計算。 LabWindows/CVI具有強大的界面編程資源、豐富的分析處理庫函數(shù)和交互式編程的方法等特點，可以將CVI的數(shù)據(jù)分析子程序庫和用戶控制程序設(shè)計結(jié)合使用，使編程容易、快捷、方便，大大簡化了軟件的開發(fā)過程。

3.3　數(shù)據(jù)處理方法

比相法主要用于被測頻率長期特性的測量，在一個鑒相鋸齒波周期t時間兩信號的頻率偏差為：

(3)

兩信號相對頻率偏差為：

(4)

式中，Δf兩信號頻率偏差；f0參考信號頻率；Δx為鑒相周期內(nèi)的累積時差；t為鑒相鋸齒波的周期。

僅僅利用t內(nèi)鑒相鋸齒波最寬脈沖寬度進行計算會對測量結(jié)果帶來較大誤差，從時差法比相的原理分析可知，相對頻率偏差實際就是鑒相器輸出鋸齒波的平均斜率，鑒相輸出的數(shù)據(jù)已經(jīng)是數(shù)字化的時間間隔、測量時刻的數(shù)據(jù)序列，可以通過最小二乘法線性擬合的方法計算出相對頻率偏差：

(5)

式中：N為一個鋸齒波周期采樣點數(shù)；Ti為第i個測量點時間間隔；ps為采樣周期；k為線性擬合的斜率。

利用多次測量的數(shù)據(jù)就可以計算被測信號頻率穩(wěn)定度。在相對頻率偏差基礎(chǔ)上，可以計算被測頻標(biāo)的日頻率穩(wěn)定度，累計測量n天后，用阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差表征其日頻率穩(wěn)定度。根據(jù)累計N個的相對頻率偏差，采用最小二乘法作線性擬合，擬合直線的斜率就是頻率漂移率，依據(jù)相關(guān)系數(shù)數(shù)值范圍和檢定規(guī)程，確定給出漂移率還是漂移曲線[3]。

4　性能實驗分析

基于TDC的比相方法的比相測量范圍取決于TDC時間間隔測量范圍，在微處理器控制下，根據(jù)測量信號的范圍選擇，量程1和量程2可以互相銜接，實現(xiàn)寬頻率范圍比相測量，理論比相測量范圍覆蓋5Hz～300MHz，實際受前端邏輯電路響應(yīng)速度限制5Hz～100MHz。比相儀測量分辨力由TDC的時間間隔測量分辨力決定，TDC測量分辨力250ps，在1MHz時，其分辨力達到1/8000，相當(dāng)于13位AD轉(zhuǎn)換器測量分辨力，在進行比相信號預(yù)分頻，比相頻率更低時，分辨力更高。TDC實現(xiàn)了直接對脈沖相位進行測量，并且TDC的測量參考頻率取自比相時高精度參考頻率，TDC內(nèi)部的校準(zhǔn)電路可以對測量結(jié)果進行校準(zhǔn)，因此，相位測量分辨力是相位漂移的主要來源，實測相位漂移小于0.5ns。

采用同一個參考銫頻標(biāo)和同一個被測銣頻標(biāo)，和本實驗室智能比相儀測量結(jié)果見表1：

表1

測試項目TDC比相方法智能比相儀頻率漂移率2　8×10-123　0×10-12相關(guān)系數(shù)8　75×10-18　65×10-1相對頻率偏差4　75×10-104　75×10-10頻率穩(wěn)定度2　89×10-122　95×10-12

5　不確定度分析

5.1　參考頻標(biāo)引入的不確定度

5.2　TDC分辨率引入的不確定度

5.3　相位漂移引入的不確定度

5.4　合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴展不確定度

U=kuc=5.8×10-13(k=2)

6　結(jié)束語

該智能比相儀設(shè)計方案，提供了一種新型比相儀的設(shè)計方法，基于TDC技術(shù)的比相方法使得整個系統(tǒng)檢測、數(shù)據(jù)處理均以計算機程控自動完成，并且不存在普通比相儀中存在的鑒相死區(qū)問題，比相范圍寬，提高了計量檢定效率,完善了頻率時域測量的方法和手段，具有小型化、嵌入式的特點，特別適合內(nèi)嵌式應(yīng)用。在GPS、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)馴服本地銣鐘項目中，采用該方法實現(xiàn)銣鐘輸出信號和GPS/BD信號比相測量，計算相對頻率偏差，效果良好，不但簡化了系統(tǒng)設(shè)計，而且大大降低了成本，具有較強的實用性。

[1]劉大健.采用倒相方法克服比相器非線性的微機化比相儀[J].現(xiàn)代計量測試，1997(1)

[2]王玉珍，李袁柳，畢鵬.智能比相儀的研制[J].宇航計測技術(shù)，2005(10)

[3]張越，張愛敏，馬香蘭.基于SR620實現(xiàn)比相測量研究[J].計量技術(shù)，2009(10)

[4]許志勛.相位比較法測頻原理及誤差分析[J].計量技術(shù)，2002(7)

[5]www.acam.comAcam.TDC-GP2技術(shù)說明書.