ISSN 
下载:
-
随着现代技术的发展，各领域对精密频率源的需求越来越大，同时，对精度性能要求也越来越高[1-2]。石英晶体振荡器以其性能指标优良、成本低廉的特点被广泛应用，但在连续运行过程中由于元件老化、环境因素和负载能量的变化影响，长期运行后晶体振荡器的实际输出频率产生偏移，准确度下降，从而导致时钟不同步引起的定位误差[3-5]。传统的频率合成器为了获得宽频率调整范围，很难拥有精细的频率调节步进值，而晶体振荡器性能优越，但存在老化漂移，使得频率标称值发生变化，为了让晶体振荡器作为精密的频率源被使用，需要一种仪器或装置对晶体振荡器的输出信号频率进行精细改正，从而保持晶体振荡器的高度准确性[6-7]。而通常采用标准的频率信号作为参考源，使得整体的性能都依靠参考源的性能，并且测量与控制原理都要依靠标准的频率标准。本文设计的精密频率改正器，其工作频点就是针对常用精密晶体振荡器而设计的，但其输入频率标准采用与标准频率信号有偏差的晶体振荡器为参考，通过内部的测量与控制电路实现标准的频率信号输出，同时具有高的调节精度，使其输出值稳定在尽可能小的误差范围内，以保证设备持续运行的准确性和精密性。在定位、导航、授时(positioning, navigation, timing, PNT)、雷达、通信、电力等高端领域能发挥重要作用。市场中现有的频率合成器无法满足精密频率源的精密调整。而该设计中的精密频率改正器采用先进的直接数字测量方案，可在达到高精度指标的前提下，同时具有结构简单、操作方便、价格低廉等优点。
-
在数字化的测量中为了恢复出原始信号的信息，一般采样速率要高于信号中最高频率的2倍，即满足奈奎斯特采样定理。为了得到两信号的差拍信号，一般方法是两路信号先混频后再经过低通滤波器滤波。在本设计中，由于参考与被测信号是同频并有微小偏差的特殊关系，可以一路作为采样时钟，一路作为被测，即利用欠采样的方式，最终得到的采样序列即为离散化的差拍信号，原理如图 1所示。
图 1 数字采样实现混频
在频率改正器中，通过测量本身存在偏差的晶振输入信号${f_i}$(${f_i} = {f_s} + \Delta F$)与实际输出信号${f_o}$(${f_o} = {f_s} + \Delta f$)之间的频差$\Delta F - \Delta f$，实现对原始信号的测量。${f_s}$为标准频率信号，通过设定期望频差$\Delta {f_{{\rm{set}}}}$，使${f_i}$得最终的输出信号为准确的标准频率(或标准频率带有微小偏差)${f_s} + \Delta {f_{{\rm{set}}}}$。
在频率改正器中，${f_o}$为有极小偏差$\Delta f$的外部晶体输出信号，即需要被改正的信号，$\Delta f$一般小于1 Hz。${f_i}$为带有较大偏差$\Delta F$的输入参考信号，$\Delta F$要大于$\Delta f$，但远小于${f_s}$。也就是作为时钟采集${f_o}$时，一个周期只采集一个数据，整个过程相当于实现了信号的频谱搬移，将信号下变频到零频处，通过测量低频信号来反映被测高频信号的频率变化。与传统的混频方法相比，不需要滤除高频分量就能得到差拍信号，这可以等效为微差法的原理，在频率测量中反映了测量分辨率的提高。下面通过式(1)~式(3)证明：
$${F_i}(t) = A\cos [2{\rm{\pi }}({f_s} + \Delta F)t + {\theta _0}]$$ (1) $${F_o}(t) = A'\cos [2{\rm{\pi }}({f_s} + \Delta f)t + {\theta '_0}]$$ (2) $${T_S} = \tfrac{1}{{{f_s} + \Delta F}}$$ (3) 式中，${F_i}$、${F_o}$分别代表的是参考与被测信号；$A$、$A'$、${f_r}$、${f_r} + \Delta f$、${\theta _0}$、${\theta '_0}$分别是各自的幅值、频率和初始相位；因为参考信号作为时钟，所以采样时间间隔为${T_S}$。最终得到的离散采样序列为：
$$\begin{gathered} F(N) = A'\cos [2{\rm{\pi }}({f_s} + \Delta f)N{T_S} + {{\theta '}_0}] = \\ A'\cos \left( {2{\rm{\pi }}\frac{{{f_s} + \Delta f}}{{{f_s} + \Delta F}}N + {{\theta '}_0}} \right) = \\ A'\cos [2{\rm{\pi }}(\Delta F - \Delta f)N{T_S} + {{\theta '}_0}] \\ \end{gathered} $$ (4) 用一路信号直接对另一路采样实现了数字混频，从$F(N)$的表达式可以看出采样序列的频率即为差拍信号$\Delta F - \Delta f$。
-
基于模数转换器(analog digital convert, ADC)的直接数字测量中不可避免地存在着量化误差，量化误差的改善和消除也一直是数字化测量中亟待解决的难题。为了有效地抑制量化误差，本文提出了一种存在于周期性信号的数字化测量中，当时钟信号与被测信号在频率上相同或互成倍数关系的基础上有一个微小的频差$\Delta f$时，随着时间的延伸，采集点会周期性地、顺序地在被测信号的波形上移动，即时钟游标效应。$\Delta f$越小意味着时钟信号在被测信号波形上的变化的步进值就会越小，对应的完成一个被测信号(如电压)的完整电压测量所用的时间相当于时钟和被测信号间的最小公倍数周期$\left( {{T_{\min c}} = \frac{1}{{\Delta f}}} \right)$ [8-10]，如图 2所示。
图 2 相位差的单调变化特征
本设计参考时钟信号与被测的控制信号属于同频有微小偏差的关系，时钟信号的移动覆盖了ADC转换的所有量化值的保持和变化状态，其中包括了采集到严格的与跳变“同步”电压-时间信息[11]。因此可以利用这种时钟游标效应，即采集到的数字电压是单调变化的关系，大大降低了量化误差的影响，理想状态下可以消除量化误差。实际中由于ADC存在量化误差，采样数据跳变之后有一个“平坦区”，如图 3所示，理想的相位重合点被“隐藏”其中，捕捉到这一点是非常困难的[12]。但可以选择某一个固定的跳变点(如过零点)作为闸门开启关闭的标志。因为这些点与完全重合点的位置关系是固定的，即存在固定时间上的偏移，可以理解为闸门向前或向后移动了一点，但闸门总的长度并没有太大影响。以此作为测量参考点，可大大抑制量化误差，保证高精度测频。
图 3 ADC采样后相位差变化特征及量化误差抑制原理
-
精密频率改正器的核心是精密测频和精细校正，其硬件的原理如图 4所示。
图 4 频率改正器的原理图
其中${f_i}$为与标准频率有一定偏差的晶振信号，$\Delta {f_{{\rm{set}}}}$是设定的标准频率与目标输出频率的频差，设定偏差与实际偏差的误差信号$\varepsilon $来驱动压控晶体振荡器(voltage controlled x’tal oscillator, VCXO)，使得输出频率${f_o}$保持在预期频率处。这样形成一个闭环反馈回路，达到自动调节的目的。
-
对于频率改正系统，为了验证其自身的测量精度。首先将外部频率合成器产生的标准10 MHz信号作为参考信号输入频率改正器的输入端。同时，利用另一台同源的频率合成器产生9.999 999 MHz的频率信号作为设备的被测端。通过设备的频率测量功能，计算实际的输入频率。图 5a中的曲线为对应的测量频率稳定度变化曲线。从图中可以看出，系统对于频率的测量精度可以达到10-12的秒级稳定度，随着时间的积累，可以达到10-15的千秒稳定度。
图 5 频率测量特性稳定度和频率改正特性稳定度曲线
同时测量了系统整体频率改正部分的精度。利用本设备进行频率改正，利用外部标称值为9.999 999 MHz的晶体振荡器作为输入，并设定10 MHz标准频率输出，图 5b中的曲线为对应的频率稳定度曲线。从图中可以看出，对于标称值为9.999 999 MHz的晶体振荡器进行频率改正的结果，可以达到10-12的秒级稳定度，随着时间的积累，可以达到10-13的千秒稳定度。
-
在本设计中利用ADC直接得到被测信号的电压信息，数字大小实际反映的是信号的相位问题，在现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)中根据采样数据规律性的变化以及特定点(这里选择的是过零点)来产生数字计数闸门，同样计数过程也在FPGA内完成，不同的是由于两信号间的特殊关系，在此只需对参考信号进行计数即可。计数闸门产生以及计数过程如图 6所示。
图 6 FPGA中数字闸门与计数
在FPGA中结合一定的算法产生连续的数字闸门，即可实现频率的无间隔的连续测量，控制部分由微控制单元(microcontroller unit, MCU)完成，因此控制也是实时连续的。利用式(5)可计算出闸门的大小：
$$t = {N_0}{T_0}$$ (5) 式中，${N_0}$是闸门内的计数值；${T_0}$是参考信号的周期值，即t是闸门的时间长度。t代表的是最小公倍数周期${T_{\min c}}$，t的大小取决于参考时钟信号与被测信号的频率偏差$\Delta f$，二者之间的关系为：
$$\Delta f = \frac{1}{t}$$ (6) 本文主要针对10 MHz频点的精密频率改正，所以${f_0}$即为10 MHz。所以，被测信号为：
$${f_x} = {f_0} \pm \Delta f = 10 \pm \frac{1}{t}$$ (7) 根据式(7)可以看出，实际的改正精度与测量闸门时长有关，闸门时间越长，测量精度越高。根据上文所述的测量原理，改正的频差越小，测量闸门时间越长，精度越高。但同时也会导致测量和改正周期的延长。
此外，关键的计数值${N_0}$的获取中有很多误差源的存在，会影响最终测量值的准确度，比如采样时钟的相位噪声、测量信号的幅值稳定性以及频率合成器产生的频率信号的时间稳定度。系统的主要结构为ADC高速采集，因此，可以从两个方面考虑减少误差：1)通过增加滤波器和选择高质量的时钟信号源来提高ADC时钟信号的质量；2)为ADC输入信号增加驱动电路，以提高测量信号的驱动能力和减少高速采样对原始信号的干扰。
-
综上可以看出，在数字化的背景下，利用直接数字测量的方法，根据采集信号特点，采用最新的ADC数据处理技术，可以用FPGA等大规模可编程逻辑器件来代替传统方案中复杂的频率变化、信号调理、计数器、参考闸门等，大大简化了线路，降低器件噪声的干扰，提高工作的稳定性。本文完成了以精密频率测量和频率控制为核心的精密频率合成器，用以针对精密石英晶体振荡器输出频率的精细调整。以非标准的频率信号作为输入，通过频率改正可以实现标准频率信号的输出，具有明显优于传统设备普遍采用的标准频率信号作为参考，简化系统的设计。同时可以在精密频率源偏调精细控制、频标比对系统的检验考核装置等方面发挥重要作用，其功能也是目前频率合成器以及精密频率改正器难以实现的。采用直接数字化测量方案，可以在不改变系统硬件平台的前提下，根据需要方便的调整而无需更改硬件线路、利于系统的升级。
Crystal Oscillator Output Frequency Precision Adjustment Technology
-
摘要: 在数字化的背景下，借助于采样时钟和输入信号之间的时钟游标效应以及模数转换器的量化误差抑制技术，该文提出了一种先进的直接数字测量原理。以此原理设计了一款针对精密晶体振荡器的精密频率改正器，用于解决精密石英晶体振荡器老化和自身频率准确度的变化问题。相比传统的频率合成器宽范围频率调节，其不同之处在于采用非标准频率的晶体振荡器作为参考，通过频率改正功能实现标准的频率输出，其输出信号的频率范围明显要窄的多，同时可以实现秒级稳定度小于3×10-12，以及10-11量级的微小频率改正。Abstract: This paper presents a new method which uses the clock cursor feature between the sample clock and input signal and ADC quantization error suppression techniques under the background of the digital. On this basis, a precision frequency adjustment for crystal oscillator is designed for improving the long-term aging and the change of the frequency accuracy of traditional precision quartz crystal oscillator. Compared with most of the traditional frequency synthesizers generating certain step frequency signal in a large range, the main difference is that the device takes the non-standard frequency signal of crystal oscillator as a reference to realize standard frequency signal output through frequency adjustment function. Meanwhile, the output signal is obviously narrower in range, but of higher precision, which can realize the second stability of less than 3×10-12 and a small frequency correction of 10-11 orders of magnitude.
-
Key words:
- clock cursor /
- direct digital measurement /
- frequency adjustment /
- quantization error
-
[1] 周渭.时频测量的新技术-相位重合点检测技术[J].宇航计测技术, 1993, 3:61-68. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK000004852431 ZHOU Wei. Time and frequency measurement technology-phase coincidence detection[J]. Journal of Astronautic Metrology and Measurement, 1993, 3:61-68. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK000004852431 [2] 周渭, 偶晓娟, 周晖, 等.时频测控技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2006:138-143. ZHOU Wei, OU Xiao-juan, ZHOU Hui, et al. The time-frequency measurement and control technology[M]. Xi'an:Xidian University Press, 2006:138-143. [3] 王义遒.原子钟与相关物理学的研究[J].物理, 2009, 38(5):328-338 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/wl200905016 WANG Yi-qiu. Research on atomic clocks and related physic[J]. Physics, 2009, 38(5):328-338. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/wl200905016 [4] 白丽娜, 周渭, 都倩倩, 等.一种新颖的铯原子钟频率信号处理的线路技术[J].西安电子科技大学学报, 2015, 42(2):97-102. doi: 10.3969/j.issn.1008-472X.2015.02.013 BAI Li-na, ZHOU Wei, DU Qian-qian, et al. Novel cesium atomic clock frequency signal processing circuit technology[J]. Journal of Xidian University, 2015, 42(2):97-102. doi: 10.3969/j.issn.1008-472X.2015.02.013 [5] BAI Li-na, SU Xin, ZHOU Wei, et al. On precise phase difference measurement approach using border stability of detection resolution[J]. Review of Scientific Instruments, 2015, 86(1):015106. doi: 10.1063/1.4905623 [6] 贯士俊.精密频率改正、相位微跃的实验[D].上海: 中国科学院研究生院(上海天文台), 2004. GUAN Shi-jun. Precision frequency correction, phase micro step experiment[D]. Shanghai: Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, 2004. [7] 边玉敬, 郑恒秋.精密频率改正器的研制[J].时间频率学报, 1979, 1:38-44. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK000002942416 BIAN Yu-jing, ZHENG Heng-qiu. The development of the precision frequency corrector[J]. Journal of Time and frequency, 1979, 1:38-44 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK000002942416 [8] ZHOU Wei. The greatest common factor frequency and its application in the accurate measurement of periodic signals[C]//Proceedings of the IEEE International Frequency Control Symposium.[S.l.]: IEEE, 1992: 270-273. [9] 张雪萍, 周渭, 李智奇, 等.周期性信号之间的相位量子特征及其应用[J].西安电子科技大学学报, 2012, 39(5):181-185. doi: 10.3969/j.issn.1001-2400.2012.05.030 ZHANG Xue-ping, ZHOU Wei, LI Zhi-qi, et al. Phase quantum and its application between periodic signals[J]. Journal of Xidian University, 2012, 39(5):181-185. doi: 10.3969/j.issn.1001-2400.2012.05.030 [10] ZHOU Hui, ZHOU Wei, XUAN Zong-qiang, et al. A high-resolution frequency standard comparator based on a special phase comparison approach[C]//Proceedings of the 2004 IEEE International Frequency Control Symposium.[S.l.]: IEEE, 2004: 689-692. [11] 李智奇, 周渭, 张雪萍, 等.相位差群变化规律下相位噪声测量技术[J].西安电子科技大学学报, 2013, 40(4):114-118. doi: 10.3969/j.issn.1001-2400.2013.04.019 LI Zhi-qi, ZHOU Wei, ZHANG Xue-ping, et al. Phase noise measurement based on the regularity change of phase difference group[J]. Journal of Xidian University, 2013, 40(4):114-118. doi: 10.3969/j.issn.1001-2400.2013.04.019 [12] ZHOU Wei, LI Zhi-qi, BAI Li-na, et al. Verification and application of the border effect in precision measurement[J]. Chinese Physics Letters, 2014, 31(10):100602. doi: 10.1088/0256-307X/31/10/100602 -
点击查看大图
图(6)
计量
- 文章访问数: 3972
- HTML全文浏览量: 1253
- PDF下载量: 78
- 被引次数: 0
