宽范围数字化精密频率测量系统的研制

贺振中，李孝辉,刘娅



宽范围数字化精密频率测量系统的研制

贺振中1,2,3，李孝辉1,2,刘娅1,2

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院研究生院，北京 100039）

由于奈奎斯特采样定律的限制，传统的数字化精密频率测量设备难以对频率较高的信号进行高精度的精密频率测量。作者研制了一种宽范围数字化精密频率测量系统，能够通过基于频谱分析的粗测过程和基于欠采样的精测过程，克服奈奎斯特定律的限制。实验表明，该宽范围数字化精密频率测量系统对于10MHz信号的测量（相对）频率偏差为1.13×10-11，测量稳定度达到1×10-12量级。

数字化;欠采样;精密频率测量

0 引言

精密频率测量技术在航空、航天、精确制导以及民用的电力系统、通讯系统都有广泛的用途，是不可缺少的关键技术[1]。相对于模拟精密频率测量，数字化精密频率测量具有测量速度快，精度高，测量便捷等优点，更适用于当下的“数字化时代”。传统的数字化频率测量设备通常直接进行信号采集，将待测信号数字化，然后通过数字信号处理技术完成对待测信号精密频率测量。这种方法由于奈奎斯特定理的限制，对于具有较高频率的信号测量来说，直接模数转换成本代价极高，难以实现[2-3]。

本文研制的宽范围数字化精密频率测量系统，采用欠采样频率测量方法，能够突破奈奎斯特定理的限制，完成对高频信号的精密频率测量[1]。相对于传统的数字化测量设备，本文研制的频率测量系统具有测量范围宽，测量精度高，设备成本较低等优势，是一种能够广泛应用的数字化精密频率测量设备。

1 宽范围数字化精密频率测量系统的测量原理

1.1 频率粗测原理

1.2 基于欠采样的精密测量

数据采集后，数据按秒进行存储，第s的数据表示为[2-3]

1.3 系统误差修正过程

2 宽范围数字化精密频率测量系统的实现

2.1 系统的总体组成

系统功能的实现基于数字化与虚拟仪器技术。根据数字化以及虚拟仪器设备的特点以及设备功能的需求，设备由信号输入连接端口、数据采集模块、软件模块、硬件搭载平台和软件搭载平台组成，其构成如表1所示。

表1 系统组成表

系统的工作流程如图1所示。

屏蔽式接线盒通过线缆与数据采集卡连接，将待测信号接入系统，数据采集卡对接入的待测信号采集、量化、编码，并通过PCI接口传入高性能PC机；软件模块对传入计算机的数据进行处理，完成对信号的精密频率测量，并将最终测量结果显示给用户。

2.2 系统的软件结构

软件模块是宽范围数字化精密频率测量系统实现精密频率测量的关键。其作用是利用软件实现对待测信号的粗测过程和精测过程，完成对待测信号的精密频率测量任务。软件模块利用Labwindows/CVI平台进行开发，用C语言对虚拟仪器进行编程。labwindows/CVI平台有交互的程序开发环境和可用于创建数据采集和仪器控制应用程序的函数库，此外，每个库中的函数有一个成为函数面板的交互式界面，为利用软件实现设备功能的虚拟仪器创造了良好的环境[4]。

软件按功能共分为5个模块，分别是界面设置与软件控制模块、数据采集模块、频率测量模块、波形与结果显示模块和数据保存模块。软件整体设计如图2所示。

图2 软件模块结构图

在测量时，先由界面设置与软件控制模块进行软件参数设置，并发出启动数据采集与频率测量的指令；数据采集模块接收指令后分别对待测信号和参考信号进行数据采集；测量模块接收指令后，按照指令对所采集到的数据进行频率测量，并进行误差校准，得到最终精密频率测量结果；波形与结果显示模块将最终测量结果与待测信号波形显示于界面；数据保存模块最终将测量结果进行保存。

软件运行时，数据采集持续进行。当软件使用单一线程时，会出现数据采集任务被频率测量任务打断，线程不能及时返回数据采集任务的情况，这样会导致数据采集缓冲区溢出，难以完成频率测量任务[5]。因此软件采用多线程技术，为数据采集模块、频率测量模块、波形与结果显示模块在线程池中各自分配一个独立的线程，在软件运行过程中操作系统将进行线程切换，使各个线程平稳完成各自任务，顺利完成频率测量任务[6]。

下面对数据采集模块和频率测量模块这2个软件中的核心模块作详细介绍。

2.2.1 数据采集模块

数据采集模块用于设置数据采集卡工作参数、读取并分配所采数据。工作流程如图3所示。

图3 数据采集工作流程图

数据采集模块在接收数据采集指令后，首先通过Labwindows/CVI中的DAQmx函数库对数据采集卡进行采样时钟、采样方式、采样通道、采样频率等数据采集参数设置。完成设置后利用DAQmxReadAnalogF64()函数读取所采集的数据，并按照所分配通道的顺序依次向每个通道的存储空间分配所采集的数据[4]。

由于数据采集是连续的，因此数据读取需要循环进行，在Labwindows/CVI环境下，常用for()函数和定时器控件实现循环功能。然而由于数据采集任务采样率较高，数据时效性要求较强，而for()函数实现数据读取循环所占用内存和处理器资源较大，定时器控件的时间控制精确度较低，难以达到需求。因此软件利用DAQmxRegisterEveryNSamplesEvent()函数实现数据读取的循环，其工作原理是当该函数执行时，将所采数据写入数据采集卡的板载缓存中，当写入的数据量达到设置的大小时，函数激活数据读取函数将所存数据读出并清空缓存空间，由于数据写入缓存是持续的，便实现了数据读取的循环[4,6]。

2.2.2 频率测量模块

频率测量模块用于对所采集数据进行处理，完成频率测量任务。在利用手动模式按要求完成粗测、精测任务外，还可利用自动化测量功能，完成对待测信号的自动化测量，测量流程如图4所示。

图4 自动化测量工作流程图

3 试验与结果分析

试验分为2步进行，分别是设备的本底噪声测试实验和与SR-620计数器的测量对比试验。

3.1 本底噪声试验

图5 本底噪声试验流程图

测试试验持续了8 300 s，测量间隔为1s，共得到8 300×2个频率测量结果。（相对）频率差数据如图6所示。

图6 （相对）频率偏差数据图

图6中，8 300 s内的（相对）频率偏差稳定于±1×10-11之间，并且基本关于0值对称。

测量结果统计分析如表2所示。

表2 本底噪声测量结果统计

测试说明，设备在对10 MHz的信号的精密频率测量中，测量（相对）频率偏差可以达到1.13×10-11，测量稳定度能够达到5.64×10-12。

3.2 与SR-620计数器测量对比试验

与SR-620计数器的测量对比试验的目的是验证宽范围数字化精密频率测量系统测量结果的正确性。试验选用SRS FS-725铷钟作为待测信号，同时用基于欠采样的数字化精密频率测量系统和SR-620计数器同时对待测信号进行精密频率测量，测量完成后将测量结果进行对比。

试验过程如图7所示。

图7 铷钟信号测量流程图

在对设备精测功能测试的过程中，SRS FS725铷钟所产生的10MHz信号作为待测信号接入设备的通道1进行精密频率测量，时频基准实验室的10 MHz铯原子钟信号经过相位微调器微调后作为参考信号接入参考信号通道。同时将SRS FS725铷钟所产生10 MHz信号也接入SR620计数器进行测量，并用时频基准实验室的1 PPS信号作为SR620计数器的开门信号。

为了使测试结果更为可信，测试共持续了232 108 s，测量间隔为1 s，每台测量设备获得了232 108个精密频率测量设备，用宽范围数字化精密频率测量系统所测量的频率偏差结果如图8所示，用SR620计数器所测量的（相对）频率偏差结果如图9所示。

图8 宽范围数字化精密频率测量系统所测（相对）频率偏差

图9 SR-620计数器所测（相对）频率偏差

测量结果统计分析如表3所示。

表3 测量结果统计分析表

实验表明，用宽范围数字化精密频率测量系统的测量结果具有较高的测量正确性，并且测量结果较为稳定。但是测量结果与SR-620计数器所测结果之间存在常数偏差，这还需要我们进一步去研究产生该偏差的原因，进一步提升设备的性能。

[1] 李孝辉, 杨旭海, 刘娅, 等. 时间频率信号的精密测量[M]. 北京: 科学出版社, 2010: 7-13.

[2] 王玉兰, 刘娅, 李孝辉. 基于欠采样的频率测量方法[J]. 电子测量与仪器学报, 2010, 24(1): 45-49.

[3] 王玉兰. 基于低采样率的高频信号精密数字化测量方法研究[D]. 西安: 中国科学院国家授时中心, 2010: 18-22.

[4] 王建新, 杨世凤, 隋美丽. Labwindows/CVI测试技术及工程应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006: 109-133, 311-319.

[5] 郭雅萌, 杨世凤, 王建新. Labwindows/CVI与PCI数据采集卡通信技术研究[J]. 电子测量技术, 2007, 5: 1-3.

[6] 刘娅. 多通道数字化频率测量方法研究与实现[D]. 西安: 中国科学院国家授时中心, 2010: 19-116.

[7] 李雨薇, 刘娅, 李孝辉. 多通道比相仪TSCMMS测量性能分析[J]. 时间频率学报, 2011, 34(1): 9-15.

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

国家自然科学基金资助项目（61001076）

贺振中，男，硕士，主要从事时间频率测量研究。