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專利名稱：一種超高分辨率相位差測量的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于時間頻率信號處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高分辨率相位差測量技術(shù)在科學研究和工程實踐中都具有廣泛的應用，在時頻測控領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在電子測量中，示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等高精度測試儀器中都包含了高分辨率相位差測量模塊。工程應用中的星地時間同步、導航定位、激光測距、通訊技術(shù)等領(lǐng)域也需要高分辨率的相位差測量技術(shù)。高分辨率相位差測量技術(shù)是保證測量比對、精密授時、導航定位等精度的核心技術(shù)。例如，在衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)建設和系統(tǒng)運行維護中，時間相位同步是衛(wèi)星導航定位的一個關(guān)鍵技術(shù)和一項基本性能，直接影響到整個系統(tǒng)的精度，是系統(tǒng)設計的關(guān)鍵。在高精度時間頻率傳遞、同步以及測量等技術(shù)中，都需要有高分辨率的相位差測量和處理技術(shù)。隨著通訊、航空航天、導航定位等高科技領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，以及新型頻率基準器，如超高穩(wěn)晶體振蕩器、原子鐘、噴泉鐘、光鐘等具有高穩(wěn)定度的頻率源設備不斷發(fā)展，例如，銫原子鐘的頻率準確度可達10_13量級，一天的穩(wěn)定度可達10_15量級，對頻率的精密測量及頻率穩(wěn)定度的分析需求也不斷提高，需要更高準確度的時頻基準的測量和控制技術(shù)，對時頻信號的處理分辨率提出了越來越高的要求，高分辨率的相位差測量和比對方法的作用更重要。因此，高分辨率的相位差測量及比對新技術(shù)的深入研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。對于具有相同標稱值的頻率彳目號，在本質(zhì)上時間間隔和相位差具有相同的意義，因此國內(nèi)外現(xiàn)有的相位差測量技術(shù)都是將兩個同頻信號間的相位差看成短時間間隔來測量?，F(xiàn)有的常用相位差測量方法有直接計數(shù)法、模擬內(nèi)插法、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換法、游標法、雙混頻時差法等。直接計數(shù)法結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍寬，但存在±I個計數(shù)誤差，測量精度不夠高。模擬內(nèi)插法和時間數(shù)字轉(zhuǎn)換法都是將直接計數(shù)法中的小于一個計數(shù)周期的短時間間隔進一步高分辨率測量。模擬內(nèi)插法采用電容充放電法提高了測量分辨率，但測量分辨率受到填充時鐘頻率的限制，同時在被測信號頻率較高的情況下易受噪聲的干擾。時間數(shù)字轉(zhuǎn)換法和游標法用延遲線法提高了測量分辨率，但測量分辨率受到延遲線的分辨率的限制，一般為百皮秒量級。雙混頻時差法利用中介晶體振蕩器測量相位差，分辨率可以達到皮秒量級，但受中介晶體振蕩器的影響，該方法具有較大的長期測量漂移，不適合長時間連續(xù)測量。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有的相位差測量方法中存在的問題，例如，直接計數(shù)法和模擬內(nèi)插法測量分辨率受限于填充時鐘頻率，存在±1個計數(shù)誤差；時間數(shù)字轉(zhuǎn)換法和游標法的分辨率受限于延遲線的分辨率，存在延遲量化誤差、集成非線性、線路復雜；雙混頻時差法受中介晶體振蕩器的影響，存在較大的長期測量漂移，不適合長時間連續(xù)測量等，本發(fā)明提供了一種具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的方法及系統(tǒng)，該方法利用異頻信號間的雙相位重合檢測構(gòu)成測量閘門，對測量門時內(nèi)的被測頻率和公共頻率進行計數(shù)測量相位差的方法，通過對測量閘門開門和關(guān)門附近的重合脈沖進行計數(shù)得出相位差的修正值，從而實現(xiàn)超高分辨率的相位差測量。本發(fā)明的目的在于提供一種具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:被測頻率信號輸入模塊；參考頻率信號輸入模塊；與所述被測頻率信號輸入模塊相連接，用于對被測頻率信號進行整形的第一信號整形模塊；與所述參考頻率信號輸入模塊相連接，用于產(chǎn)生公共頻率信號的直接數(shù)字式頻率合成器；與所述直接數(shù)字式頻率合成器相連接，用于對所述直接數(shù)字式頻率合成器產(chǎn)生的公共頻率信號進行整形的第二信號整形模塊；與所述參考頻率信號輸入模塊相連接，用于對參考頻率信號進行整形的第三信號整形模塊；與所述第一信號整形模塊及第二信號整形模塊相連接，用于對整形后的被測頻率信號及公共頻率信號進行相位重合檢測及產(chǎn)生重合脈沖的第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路；與所述第二信號整形模塊及第三信號整形模塊相連接，用于對整形后的公共頻率信號及參考頻率信號進行相位重合檢測及產(chǎn)生重合脈沖的第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路；與所述第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路及第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路相連接，用于將所述第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路輸出的信號作為開門信號以及將所述第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路輸出的信號作為關(guān)門信號，并產(chǎn)生門時信號的門時產(chǎn)生電路；與所述第一整形電路及門時產(chǎn)生電路相連接，用于接收所述第一整形電路輸出的整形后的被測頻率信號及門時產(chǎn)生電路輸出的門時信號，在門時信號的控制下對整形后的被測頻率信號進行導通與截止的第一與門；與所述第一與門相連接，用于在測量門時內(nèi)，對送入所述第一與門的被測頻率信號進行計數(shù)的第一計數(shù)器；與所述第二整形電路及門時產(chǎn)生電路相連接，用于接收所述第二整形電路輸出的整形后的公共頻率信號及門時產(chǎn)生電路輸出的門時信號，在門時信號的控制下對整形后的公共頻率信號進行導通與截止的第二與門；與所述第二與門相連接，用于在測量門時內(nèi)，對送入所述第二與門的公共頻率信號進行計數(shù)的第二計數(shù)器；與所述第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路及單片機相連接，用于接收整形后被測頻率信號及公共頻率信號經(jīng)所述第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的重合脈沖及所述單片機輸出的參考門時信號，在參考門時信號的控制下對整形后被測頻率信號及公共頻率信號經(jīng)所述第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的重合脈沖進行導通與截止的第三與門；與所述第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路及單片機相連接，用于接收整形后參考頻率信號及公共頻率信號經(jīng)所述第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的重合脈沖及所述單片機輸出的參考門時信號，在參考門時信號的控制下對整形后參考頻率信號及公共頻率信號經(jīng)所述第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的重合脈沖進行導通與截止的第四與門；與所述第一與門相連接，用于對在測量門時內(nèi)，對輸入第一與門的被測頻率信號進行計數(shù)的第一計數(shù)器；與所述第二與門相連接，用于對在測量門時內(nèi)，對輸入第二與門的公共頻率信號進行計數(shù)的第二計數(shù)器；與所述第三與門相連接，用于對在參考門時內(nèi)，對輸入第三與門的、并由所述第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的重合脈沖進行計數(shù)的第三計數(shù)器；與所述第四與門相連接，用于對在參考門時內(nèi)，對輸入第四與門的、并由所述第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的重合脈沖進行計數(shù)的第四計數(shù)器；與所述第一計數(shù)器、第二計數(shù)器、第三計數(shù)器及第四計數(shù)器相連接，用于接收所述第一計數(shù)器、第二計數(shù)器、第三計數(shù)器及第四計數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，并獲得被測頻率信號與參考頻率信號相位差的單片機。進一步，該系統(tǒng)還設置有:與所述門時產(chǎn)生電路相連接，用于對門時產(chǎn)生電路進行適當時間延遲的延時控制電路。本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的方法，該方法包括以下步驟:由參考頻率為&的信號產(chǎn)生公共頻率為f。的信號，將被測頻率為fx的信號和公共頻率為f。的信號輸入到第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路，相位重合點作為測量閘門開門信號；將參考頻率為&的信號和公共頻率為f。的信號輸入第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路，相位重合點作為測量閘門關(guān)門信號；在測量門時內(nèi)分別對被測頻率為fx的信號和公共頻率為f。的信號計數(shù)，同時，對被測頻率為fx的信號和公共頻率為f。的信號以及參考頻率為fo的信號和公共頻率為f。的信號的相位重合脈沖分別計數(shù)，將所有計數(shù)值輸入單片機，求得被測頻率為fx的信號和參考頻率為fo的信號的相位差。進一步，參考頻率為&的信號與被測頻率為fx的信號同頻、具有相同的周期，但存在一定相位差。進一步，該方法的具體實現(xiàn)步驟為:參考頻率為&的信號與被測頻率為fx的信號同頻、具有相同的周期Ttl，但存在一定相位差；參考頻率為&的信號作為參考時鐘控制直接數(shù)字式頻率合成器產(chǎn)生公共頻率為f。的信號，要求Qftl,周期記為T。;
將被測頻率為fx的信號與公共頻率為f。的信號整形后送入第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路，將參考頻率為&的信號及公共頻率為f。的信號整形后送入第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路；第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路的輸出分為兩路，一路送到門時產(chǎn)生電路，作為門時產(chǎn)生電路的開門信號，另一路送到第三與門；第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路的輸出分為兩路，一路送到門時產(chǎn)生電路，作為門時產(chǎn)生電路的關(guān)門信號，另一路送到第四與門；門時產(chǎn)生電路的輸出分別送到第一與門和第二與門，控制第一與門和第二與門的打開與關(guān)閉；第一計數(shù)器和第二計數(shù)器分別對送入第一與門和第二與門的被測頻率為fx的信號與公共頻率為f。的信號在測量門時內(nèi)進行計數(shù)，計數(shù)值為Nx和N。；單片機產(chǎn)生參考門時用以控制第三與門和第四與門的打開和關(guān)閉，第三計數(shù)器和第四計數(shù)器分別對送入第三與門和第四與門的重合脈沖在參考門時內(nèi)進行計數(shù)，計數(shù)值為
N3 和 N4 ；將所有計數(shù)值Nx、N。、N3和N4送入單片機，單片機進行數(shù)據(jù)處理，得到最終的相位差。本發(fā)明提供的具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的方法及系統(tǒng)，第一信號整形模塊對被測頻率信號進行整形，直接數(shù)字式頻率合成器根據(jù)輸入的參考頻率信號產(chǎn)生公共頻率信號，第二信號整形模塊對公共頻率信號進行整形，第三信號整形模塊對參考頻率信號進行整形，第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路對整形后的被測頻率信號及公共頻率信號進行相位重合檢測及產(chǎn)生重合脈沖，第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路對整形后的公共頻率信號及參考頻率信號進行相位重合檢測及產(chǎn)生重合脈沖，門時產(chǎn)生電路將第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路輸出的信號作為開門信號以及將第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路輸出的信號作為關(guān)門信號，并產(chǎn)生門時信號，第一計數(shù)器對在測量門時內(nèi)送入第一與門的被測頻率信號進行計數(shù)，第二計數(shù)器對在測量門時內(nèi)送入第二與門的公共頻率信號進行計數(shù)，第三計數(shù)器對在參考門時內(nèi)送入第三與門的重合脈沖進行計數(shù)，第四計數(shù)器對在參考門時內(nèi)送入第四與門的重合脈沖進行計數(shù)，單片機對計數(shù)數(shù)據(jù)進行處理，并獲得被測頻率信號與參考頻率信號相位差；利用兩異頻信號間的雙相位重合檢測構(gòu)成測量閘門，對測量門時內(nèi)的被測頻率信號和公共頻率信號進行計數(shù)測量相位差，通過對測量閘門開門和關(guān)門附近的重合脈沖進行計數(shù)的方法得出相位差的修正值，實現(xiàn)了超高分辨率的相位差測量，消除了計數(shù)誤差、測量分辨率遠遠優(yōu)于現(xiàn)有的填充時鐘分辨率和延遲分辨率，長期漂移量小，實現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)簡單，易于集成和產(chǎn)品化，實用性強，具有較強的推廣與應用價值。


圖1是本發(fā)明實施例提供的具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖中:1、被測頻率信號輸入模塊；2、第一信號整形模塊；3、參考頻率信號輸入模塊；4、直接數(shù)字式頻率合成器；5、第二信號整形模塊；6、第三信號整形模塊；7、第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路；8、第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路；9、門時產(chǎn)生電路；10、第一與門；11、第一計數(shù)器；12、第三與門；13、第三計數(shù)器；14、第四與門；15、第四計數(shù)器；16、第二與門；17、第二計數(shù)器；18、單片機；19、延時控制電路。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。圖1示出了本發(fā)明實施例提供的具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分。該系統(tǒng)包括:被測頻率信號輸入模塊I ; 參考頻率信號輸入模塊3 ；與被測頻率信號輸入模塊I相連接，用于對被測頻率信號進行整形的第一信號整形模塊2 ；與參考頻率信號輸入模塊3相連接，用于產(chǎn)生公共頻率信號的直接數(shù)字式頻率合成器4 ；與直接數(shù)字式頻率合成器4相連接，用于對直接數(shù)字式頻率合成器4產(chǎn)生的公共頻率信號進行整形的第二信號整形模塊5 ；與參考頻率信號輸入模塊3相連接，用于參考頻率信號進行整形的第三信號整形模塊6 ；與第一信號整形模塊2及第二信號整形模塊5相連接，用于對整形后的被測頻率信號及公共頻率信號進行相位重合檢測及產(chǎn)生重合脈沖的第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7 ;與第二信號整形模塊5及第三信號整形模塊6相連接，用于對整形后的公共頻率信號及參考頻率信號進行相位重合檢測及產(chǎn)生重合脈沖的第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8 ；與第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7及第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8相連接，用于將第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7輸出的信號作為開門信號以及將第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8輸出的信號作為關(guān)門信號，并產(chǎn)生門時信號的門時產(chǎn)生電路9 ；與第一整形電路及門時產(chǎn)生電路9相連接，用于接收第一整形電路輸出的整形后的被測頻率信號及門時產(chǎn)生電路9輸出的門時信號，在門時信號的控制下對整形后的被測頻率信號進行導通與截止的第一與門10 ；與第一與門10相連接，用于在測量門時內(nèi)，對送入第一與門10的被測頻率信號進行計數(shù)的第一計數(shù)器11;與第二整形電路及門時產(chǎn)生電路9相連接，用于接收第二整形電路輸出的整形后的公共頻率信號及門時產(chǎn)生電路9輸出的門時信號，在門時信號的控制下對整形后的公共頻率信號進行導通與截止的第二與門16 ；
與第二與門16相連接，用于在測量門時內(nèi)，對送入第二與門16的公共頻率信號進行計數(shù)的第二計數(shù)器17 ；與第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7及單片機18相連接，用于接收整形后被測頻率信號及公共頻率信號經(jīng)第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7產(chǎn)生的重合脈沖及單片機18輸出的參考門時信號，在參考門時信號的控制下對整形后被測頻率信號及公共頻率信號經(jīng)第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7產(chǎn)生的重合脈沖進行導通與截止的第三與門12 ；與第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8及單片機18相連接，用于接收整形后參考頻率信號及公共頻率信號經(jīng)第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8產(chǎn)生的重合脈沖及單片機18輸出的參考門時信號，在參考門時信號的控制下對整形后參考頻率信號及公共頻率信號經(jīng)第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8產(chǎn)生的重合脈沖進行導通與截止的第四與門14 ；與第一與門10相連接，用于對在測量門時內(nèi)，對輸入第一與門10的被測頻率信號進行計數(shù)的第一計數(shù)器11;與第二與門16相連接，用于對在測量門時內(nèi)，對輸入第二與門16的公共頻率信號進行計數(shù)的第二計數(shù)器17 ；與第三與門12相連接,用于對在參考門時內(nèi)，對輸入第三與門12的、并由第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7產(chǎn)生的重合脈沖進行計數(shù)的第三計數(shù)器13 ；與第四與門14相連接，用于對在參考門時內(nèi)，對輸入第四與門14的、并由第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8產(chǎn)生的重合脈沖進行計數(shù)的第四計數(shù)器15 ；與第一計數(shù)器11、第二計數(shù)器17、第三計數(shù)器13及第四計數(shù)器15相連接，用于接收第一計數(shù)器11、第二計數(shù)器17、第三計數(shù)器13及第四計數(shù)器15輸出的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，并獲得被測頻率信號與參考頻率信號相位差的單片機18。在本發(fā)明實施例中，該系統(tǒng)還設置有:與門時產(chǎn)生電路9相連接，用于對門時產(chǎn)生電路9進行適當時間延遲的延時控制電路19。本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的方法，該方法包括以下步驟:由參考頻率為&的信號產(chǎn)生公共頻率為f。的信號，將被測頻率為fx的信號和公共頻率為f。的信號輸入到第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7，相位重合點作為測量閘門開門信號；將參考頻率為&的信號和公共頻率為f。的信號輸入第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8，相位重合點作為測量閘門關(guān)門信號；在測量門時內(nèi)分別對被測頻率為fx的信號和公共頻率為f。的信號計數(shù)，同時，對被測頻率為fx的信號和公共頻率為f。的信號以及參考頻率為fo的信號和公共頻率為f。的信號的相位重合脈沖分別計數(shù)，將所有計數(shù)值輸入單片機18，求得被測頻率為fx的信號和參考頻率為&的信號的相位差。在本發(fā)明實施例中，參考頻率為&的信號與被測頻率為fx的信號同頻、具有相同的周期，但存在一定相位差。
在本發(fā)明實施例中，該方法的具體實現(xiàn)步驟為:參考頻率為&的信號與被測頻率為fx的信號同頻、具有相同的周期Ttl，但存在一定相位差；參考頻率為&的信號作為參考時鐘控制直接數(shù)字式頻率合成器4產(chǎn)生公共頻率為f。的信號，要求周期記為T。；將被測頻率為fx的信號與公共頻率為f。的信號整形后送入第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7，將參考頻率為&的信號及公共頻率為f。的信號整形后送入第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8 ；第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7的輸出分為兩路，一路送到門時產(chǎn)生電路9，作為門時產(chǎn)生電路9的開門信號，另一路送到第三與門12 ；第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8的輸出分為兩路，一路送到門時產(chǎn)生電路9，作為門時產(chǎn)生電路9的關(guān)門信號，另一路送到第四與門14;門時產(chǎn)生電路9的輸出分別送到第一與門10和第二與門16，控制第一與門10和第二與門16的打開與關(guān)閉；第一計數(shù)器11和第二計數(shù)器17分別對送入第一與門10和第二與門16的被測頻率為fx的信號與公共頻率為f。的信號在測量門時內(nèi)進行計數(shù)，計數(shù)值為Nx和N。；單片機18產(chǎn)生參考門時用以控制第三與門12和第四與門14的打開和關(guān)閉，第三計數(shù)器13和第四計數(shù)器15分別對送入第三與門12和第四與門14的重合脈沖在參考門時內(nèi)進行計數(shù)，計數(shù)值為N3和N4 ；將所有計數(shù)值送入單片機18，單片機18進行數(shù)據(jù)處理，得到最終的相位差。下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明的應用原理作進一步描述。本發(fā)明針對相位差測量技術(shù)中的計數(shù)和量化誤差以及長期漂移大等缺點，提出了一種利用異頻信號間的雙相位重合檢測構(gòu)成測量閘門，對測量門時內(nèi)的被測頻率和公共頻率進行計數(shù)測量相位差的方法，通過對測量閘門開門和關(guān)門附近的重合脈沖進行計數(shù)得出相位差的修正值，從而實現(xiàn)超高分辨率的相位差測量。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有相位差測量技術(shù)中存在的不足，提供了一種具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的方法及系統(tǒng)，具體工作原理為:兩個具有相同頻率的比對信號fo和fx，其中fo為參考頻率，fx為被測頻率，fx和fo存在一定相位差，兩信號具有相同的周期，記為Tcitj &作為參考時鐘控制直接數(shù)字式頻率合成器4產(chǎn)生公共頻率f。，要求其周期記為T。。將fx和f。整形后送入第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7，將&和f。整形后送入第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8。第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7的輸出分為兩路，一路送到門時產(chǎn)生電路9，作為門時產(chǎn)生電路9的開門信號，另一路送到第三與門12 ;第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8的輸出分為兩路，一路送到門時產(chǎn)生電路9，作為門時產(chǎn)生電路9的關(guān)門信號，另一路送到第四與門14;延時控制電路19用于對門時產(chǎn)生電路9進行適當?shù)臅r間延遲；門時產(chǎn)生電路9的輸出分別送到第一與門10和第二與門16，用來控制第一與門10和第二與門16的打開與關(guān)閉；第一計數(shù)器11和第二計數(shù)器17分別用來對送入第一與門10和第二與門16的fx和f。在測量門時內(nèi)進行計數(shù)，計數(shù)值為Nx和N。；單片機18產(chǎn)生參考門時用以控制第三與門12和第四與門14的打開和關(guān)閉，第三計數(shù)器13和第四計數(shù)器15分別用來對送入第三與門12和第四與門14的重合脈沖在參考門時內(nèi)進行計數(shù)，計數(shù)值為N3和N4;將所有計數(shù)值Nx、N。、N3和N4送入單片機18，單片機18進行數(shù)據(jù)處理，得到最終的相位差。高精密時間相位同步技術(shù)在通訊、航空航天、導航定位等高科技領(lǐng)域中具有重要的作用，超高分辨率的相位差測量技術(shù)是高精密時間相位同步技術(shù)的核心，比對信號間相位差測量的準確性很大程度上決定著時間相位同步及其相關(guān)應用的精度。該具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的方法及系統(tǒng)，從原理上采用的是異頻信號間相位群同步和量化相位步進原理和群相位重合原理，即兩異頻信號間的相位關(guān)系總是從不重合逐漸過渡到重合，再過渡到不重合的過程，而在兩個相鄰的相位重合點間兩異頻信號的相位差值以量化相位為步進值變化，這樣就將兩異頻信號之間的相位差在兩相位重合點間進行了離散化，降低了測量難度，消除了計數(shù)和量化誤差；同時，通過對兩相位重合點附近相位重合脈沖計數(shù)的差值，對最終的相位差進行了修正，提高了測量分辨率；由于沒有采用模擬器件，長期測量漂移較小。本發(fā)明方法實現(xiàn)的相位差測量能到達優(yōu)于皮秒的測量分辨率。該方法在公共頻率與兩個比對信號(被測頻率和參考頻率)之間的頻差越小的情況下分辨率越高，即使對于頻差較大的情況，也會獲得比現(xiàn)有的相位差測量方法更好的測量分辨率。本發(fā)明實施例提供的具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的方法及系統(tǒng)，第一信號整形模塊2對被測頻率信號進行整形，直接數(shù)字式頻率合成器4根據(jù)輸入的參考頻率信號產(chǎn)生公共頻率信號，第二信號整形模塊5對公共頻率信號進行整形，第三信號整形模塊6對參考頻率信號進行整形，第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7對整形后的被測頻率信號及公共頻率信號進行相位重合檢測及產(chǎn)生重合脈沖，第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8對整形后的公共頻率信號及參考頻率信號進行相位重合檢測及產(chǎn)生重合脈沖，門時產(chǎn)生電路9將第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路7輸出的信號作為開門信號以及將第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路8輸出的信號作為關(guān)門信號，并產(chǎn)生門時信號，第一計數(shù)器11對在測量門時內(nèi)送入第一與門10的被測頻率信號進行計數(shù)，第二計數(shù)器17對在測量門時內(nèi)送入第二與門16的公共頻率信號進行計數(shù)，第三計數(shù)器13對在參考門時內(nèi)送入第三與門12的重合脈沖進行計數(shù)，第四計數(shù)器15對在參考門時內(nèi)送入第四與門14的重合脈沖進行計數(shù)，單片機18對計數(shù)數(shù)據(jù)進行處理，并獲得被測頻率信號與參考頻率信號相位差；利用兩異頻信號間的雙相位重合檢測構(gòu)成測量閘門，對測量門時內(nèi)的被測頻率信號和公共頻率信號進行計數(shù)測量相位差，通過對測量閘門開門和關(guān)門附近的重合脈沖進行計數(shù)的方法得出相位差的修正值，實現(xiàn)了超高分辨率的相位差測量，消除了計數(shù)誤差、測量分辨率遠遠優(yōu)于現(xiàn)有的填充時鐘分辨率和延遲分辨率，長期漂移量小，實現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)簡單，易于集成和產(chǎn)品化，實用性強，具有較強的推廣與應用價值。以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括: 被測頻率信號輸入模塊； 參考頻率信號輸入模塊； 與所述被測頻率信號輸入模塊相連接，用于對被測頻率信號進行整形的第一信號整形模塊； 與所述參考頻率信號輸入模塊相連接，用于產(chǎn)生公共頻率信號的直接數(shù)字式頻率合成器； 與所述直接數(shù)字式頻率合成器相連接，用于對所述直接數(shù)字式頻率合成器產(chǎn)生的公共頻率信號進行整形的第二信號整形模塊； 與所述參考頻率信號輸入模塊相連接，用于參考頻率信號進行整形的第三信號整形模塊； 與所述第一信號整形模塊及第二信號整形模塊相連接，用于對整形后的被測頻率信號及公共頻率信號進行相位重合檢測及產(chǎn)生重合脈沖的第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路； 與所述第二信號整形模塊及第三信號整形模塊相連接，用于對整形后的公共頻率信號及參考頻率信號進行相位重合檢測及產(chǎn)生重合脈沖的第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路； 與所述第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路及第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路相連接，用于將所述第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路輸出的信號作為開門信號以及將所述第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路輸出的信號作為關(guān)門信號，并產(chǎn)生門時信號的門時產(chǎn)生電路； 與所述第一整形電路及門時產(chǎn)生電路相連接，用于接收所述第一整形電路輸出的整形后的被測頻率信號及門時產(chǎn)生電路輸出的門時信號，在門時信號的控制下對整形后的被測頻率信號進行導通與截止的第一與門； 與所述第一與門相連接，用于在測量門時內(nèi)，對送入所述第一與門的被測頻率信號進行計數(shù)的第一計數(shù)器； 與所述第二整形電路及門時產(chǎn)生電路相連接，用于接收所述第二整形電路輸出的整形后的公共頻率信號及門時產(chǎn)生電路輸出的門時信號，在門時信號的控制下對整形后的公共頻率信號進行導通與截止的第二與門； 與所述第二與門相連接，用于在測量門時內(nèi)，對送入所述第二與門的公共頻率信號進行計數(shù)的第二計數(shù)器； 與所述第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路及單片機相連接，用于接收整形后被測頻率信號及公共頻率信號經(jīng)所述第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的重合脈沖及所述單片機輸出的參考門時信號，在參考門時信號的控制下對整形后被測頻率信號及公共頻率信號經(jīng)所述第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的重合脈沖進行導通與截止的第三與門； 與所述第三與門相連接，用于對在參考門時內(nèi)，對輸入第三與門的、并由所述第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的重合脈沖進行計數(shù)的第三計數(shù)器；與所述第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路及單片機相連接，用于接收整形后參考頻率信號及公共頻率信號經(jīng)所述第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的重合脈沖及所述單片機輸出的參考門時信號，在參考門時信號的控制下對整形后參考頻率信號及公共頻率信號經(jīng)所述第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的重合脈沖進行導通與截止的第四與門； 與所述第四與門相連接，用于對在參考門時內(nèi)，對輸入第四與門的、并由所述第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的重合脈沖進行計數(shù)的第四計數(shù)器； 與所述第一計數(shù)器、第二計數(shù)器、第三計數(shù)器及第四計數(shù)器相連接，用于接收所述第一計數(shù)器、第二計數(shù)器、第三計數(shù)器及第四計數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，并獲得被測頻率信號與參考頻率信號相位差的單片機。
2.如權(quán)利要求1所述的具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還設置有: 與所述門時產(chǎn)生電路相連接，用于對門時產(chǎn)生電路進行適當時間延遲的延時控制電路。
3.一種具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 由參考頻率為fo的信號產(chǎn)生公共頻率為f。的信號，將被測頻率為fx的信號和公共頻率為f。的信號輸入到第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路，相位重合點作為測量閘門開門信號； 將參考頻率為fo的信號和公共頻率為f。的信號輸入第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路，相位重合點作為測量閘門關(guān)門信號； 在測量門時內(nèi)分別對被測頻率為fx的信號和公共頻率為f。的信號計數(shù)，同時，對被測頻率為fx的信號和公共頻率為f。的信號以及參考頻率為fo的信號和公共頻率為f。的信號的相位重合脈沖分別計數(shù)，將所有計數(shù)值輸入單片機，求得被測頻率為fx的信號和參考頻率為fo的信號的相位差。
4.如權(quán)利要求3所述的具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的方法，其特征在于，參考頻率為A的信號與被測頻率為fx的信號同頻、具有相同的周期，但存在一定相位差。
5.如權(quán)利要求3所述的具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的方法，其特征在于，該方法的具體實現(xiàn)步驟為: 參考頻率為fo的信號與被測頻率為fx的信號同頻、具有相同的周期Ttl，但存在一定相位差； 參考頻率為fo的信號作為參考時鐘控制直接數(shù)字式頻率合成器產(chǎn)生公共頻率為f。的信號，要求Qftl,周期記為T。； 將被測頻率為fx的信號與公共頻率為f。的信號整形后送入第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路，將參考頻率為&的信號及公共頻率為f。的信號整形后送入第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路； 第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路的輸出分為兩路，一路送到門時產(chǎn)生電路，作為門時產(chǎn)生電路的開門信號，另一路送到第三與門；第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路的輸出分為兩路，一路送到門時產(chǎn)生電路，作為門時產(chǎn)生電路的關(guān)門信號，另一路送到第四與門； 門時產(chǎn)生電路的輸出分別送到第一與門和第二與門，控制第一與門和第二與門的打開與關(guān)閉； 第一計數(shù)器和第二計數(shù)器分別對送入第一與門和第二與門的被測頻率為fx的信號與公共頻率為f。的信號在測量門時內(nèi)進行計數(shù)，計數(shù)值為Nx和N。； 單片機產(chǎn)生參考門時用以控制第三與門和第四與門的打開和關(guān)閉，第三計數(shù)器和第四計數(shù)器分別對送入第三與門和第四與門的重合脈沖在參考門時內(nèi)進行計數(shù)，計數(shù)值為N3和N4 ； 將所有計數(shù)值K、N。、N3和N4送入單片機，單片機進行數(shù)據(jù)處理，得到最終的相位差。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有相差修正的基于雙重合檢測的超高分辨率相位差測量的方法及系統(tǒng)，利用兩異頻信號間的雙相位重合檢測構(gòu)成測量閘門，第一相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路對被測頻率信號及公共頻率信號進行相位重合檢測及產(chǎn)生重合脈沖；第二相位重合檢測及重合脈沖產(chǎn)生電路對參考頻率信號及公共頻率信號進行相位重合檢測及產(chǎn)生重合脈沖；門時產(chǎn)生電路根據(jù)接收的開門信號及關(guān)門信號產(chǎn)生門時信號，單片機根據(jù)計數(shù)數(shù)據(jù)獲得被測頻率信號與參考頻率信號相位差；同時，對重合脈沖在測量閘門開門和關(guān)門附近時間區(qū)域內(nèi)進行計數(shù)求得相位差的修正值，實現(xiàn)了超高分辨率的相位差測量，消除了計數(shù)誤差、測量分辨率高，長期漂移量小。
文檔編號G01R25/08GK103197145SQ20131006656
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月2日
發(fā)明者董紹鋒, 周渭, 詹勁松, 胡為, 杜保強, 秦紅波, 屈八一, 史琳, 李辰 申請人:西安電子科技大學