专利名称：一种时基频率实时校准测频方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电子及仪表技术领域，涉及一种时基频率实时校准测频方法及其装置。
背景技术：
在频率计中，时基频率的准确度和稳定度决定着仪器最高可能达到的精确度，故一 般都在仪器内装有高稳定度恒温石英晶体振荡器，产生内置时基频率信号。由于石英晶 体谐振器的频率不断随时间老化漂移，随环境温度的变化而变化，受供电电压、冲击、 震动和电子元器件参数的变化等等的影响，高稳定度石英晶体振荡器的频率也处于变化 之中。这样，仪器在测量时，时基频率准确度不能确知，大大影响测量准确度。在野外 或运动条件下，仪器中的时基频率受环境温度与震动等多种因素影响，频率准确度更难 确知，测频精度低于室内，不能满足通讯、导航、军事和科学研究对高精度测频的需要。
为使时基频率准确，通常采用以下方法。这些方法及其存在的问题如下
1) 每年将仪器送计量部门检定，校准时基频率。 一般高稳晶振校准到1E-8。但是， 离开计量单位后，在一年内测频时，因为频率的不断漂移和随机变化，使得在测频时， 频率计的时基频率准确度不能确知，所以不能确知被测频率的准确度，难于保证进行优 于lE-8的高精度测频；
2) 直接采用铷原子频率标准作为时基——如美国FRUKE公司生产的PM6685R频 率计，校准后，年频率准确度约为3E-9——问题是测频精度不能再高些，每年仍需要 送计量部门检定，铷频标校准到1E-9~1E-10;价格高；
3) 接收GPS标准频率信号，直接锁定高稳定度石英晶体振荡器的频率，保持优于 1E-9以上的时基频率准确度——问题是若信号有问题、失锁或失去GPS信号后，时基 误差增大，仪器不准确；
4)直接用接收到的标准频率信号作为时基频率使用，如用CCTV-1彩电副载波——问题在于这些信号的短期频率稳定度差，约为2E-9，失去信号就不能工作！
5)外接频率标准，作为仪器的外部时基，如计量部门常用的氢频标、铯频标、铷 频标、用GPS锁定的铷频标等——问题在于频标昂贵，要求在室内恒温条件下工作， 不便于野外应用；
上述这些方法在不同的精度等级上满足时基频率准确度的要求。问题是有的价格高 昂、有的需要送检校准、有时不能稳定工作，有时不能工作或不便在野外工作。
6)用CCTV-1彩电副载波实时校准频率计时基晶体振荡器的频率——这是发明人原 授权专利85 100349.4的内容。可实现2E-9的测频精度。但它不是实时自动校准。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是提供一种高精度频率计，以及提供一种使仪器测 频时，时基频率自动保持高度准确并确知时基频率精确度的方法。
其工作原理是用仪器外部的其他高准确度标准频率信号，实时自动校准仪器中 的时基晶体振荡器频率，取得校准系数K，并用K系数自动修正测频结果，保证在测量 时，时基频率准确度优于5E-10至5E-12,并实现高精度测频。本发明可解决各种要求 时基频率高度精确，特别是在野外条件下能够保证高度精确并实现高精度测频的问题； 从原理上讲，频率计的时基频率不需要定期送计量部门校准。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为
一种时基频率实时校准测频方法，其特征在于，包括以下步骤
(1) 校准步骤测频装置获取已知频率为Fs的外部的高准确度标准频率信号作 为校准信号，经该测频装置测得的实际频率值为Fs，；计算出校准系数K， K=Fs/ Fs'，将校准系数K保存，直到下一次校准步骤完成时更新；
(2) 测量步骤首先测频装置实际测得未知信号频率Fx'，最后计算修正后的未 知信号频率值Fx=K*Fx';
(3) 返回到步骤l)。
所述的高准确度标准频率信号为GPS、 GLONASS、伽利略地球定位系统或北斗地 球定位系统传递的标准频率信号，或各国利用选定的彩电频道的副载波发播的标准频率 信号。
一种时基频率实时校准测频装置，其特征在于，包括标准频率接收机、输入通道选择器、频率计数器、测量与控制单元以及晶体振荡器；所述的标准频率接收机、输入 通道选择器、频率计数器、测量与控制单元依次串接，所述的输入通道选择器还与被测 信号连接；所述的频率计数器还与晶体振荡器连接。
所述的频率计数器为无土l个误差的高分辨率频率计数器，秒闸门测频分辨率优于 1E-10，其^结构为
包括用于将被测信号整形成方波的整形器、主门A和主门B、计数器A和计数器 B以及门控电路；
所述的整形器与主门A和计数器A依次串接后再接测量与控制单元的一个输入 端，构成信号输入计数通道；
所述的晶体振荡器与主门B与计数器B依次串接后再接测量与控制单元的另一个 输入端，构成时基信号计数通道；
所述的所述的整形器与晶体振荡器还输出信号到所述门控电路；门控电路还与测 量与控制单元的输出端相接；门控电路的输出控制信号到主门A和主门B的控制端。
所述的标准频率接收机为用于接收高准确度标准频率信号为GPS、 GLONASS、 伽利略地球定位系统或北斗地球定位系统传递的标准频率信号，或各国利用选定的彩电 频道的副载波、长波发播的标准频率信号的接收机。
频率计数器的测频范围为1Hz——2400MHz。
所述的主门A和主门B为两输入端与非门。
有益效果
由于本方法和装置利用外部标准频率进行实时校准，使得测量值能得到实时的修 正，在晶体振荡器本身稳定的条件下，这就保证了测量的频率非常精确。
计数器的设计也体现了其独特之处，计数器的工作原理是计数器的主门A与主门 B在被测频率Fx与时基频率Fo信号的上升沿同时到来时开启，在指定的闸门时间到 后，主门A与主门B在Fx与Fo信号的下降沿同时到来时关闭，这样，在计数闸门 打开的时间内，正好计数了被测频率Fx和时基频率Fo的整数个周期。这就消除了普 通频率计测频时的il个字的原理性误差，达到很高的分辨率。
总的来说，本发明解决了在频率计中装置高准确度时基的问题，以及在测频时能 够确知时基频率准确度的问题，从而可以确知被测频率的准确度。解决了长期以来，难于确知被测频率准确度的难题。因为该时基频率准确度高达5E-10到5E-12，加上本 机测频的高分辨率，可保证得到5E-10以上的测频精确度，这是现有各种频率计难于 做到的；
该仪器解决了在野外环境下和移动条件下5E-10以上的高精度测频问题，因为测频 的高准确度只取决于外部频率标准的频率准确度和仪器内的高稳定度时基频率的短期 稳定度，即从校频到测频完成这段数分钟的时间段内频率很稳定即可。可以解决各种 野外使用的通讯、导航、科研和军事装备的测频与校准的需要，如GSM基站频率的测 量与校准；
解决了高精度测频仪器中，对时基晶体振荡器的制造难度和降低制造成本。因为 对晶体振荡器的长期频率稳定度要求可以降低(这一点请详细解释，为什么只要求短 期的高稳定度，而不要求长期的高稳定度)。可以制造出新一代高精度频率测量仪器；
采用本发明的时基晶体振荡器作为各种测量与时间频率相关的物理量的仪器中的 时基，可大大提高距离、速度、长度、大地测量与变形监测、定位、相关计量与检测 仪器的精度，提高研究水平与创新水平。可以改造原有仪器，提高其精度。
本发明能保证测频时，时基频率精确到5E-10以上，秒闸门时间测频精确到1E-9 以上，并确知被测频率的准确度。解决了以往的频率计时基频率准确度不能确知，精度 不高等问题。
图1为本发明的高精度频率计原理框图； 图2为本发明的高分辨率计数器组成框图； 图3为本发明的全同步闸门计数原理图； 图4为本发明的时基组成框图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。 实施例l :
参照图1至图4，备好标准频率接收机1、高分辨率的频率计数器2、高稳定度的(时 基)晶体振荡器3、测量与控制单元4、测控软件5、输入信号通道选择器6、机外频率标准7和电源8。
机外频率标准7是本发明实现高准确度测频的一个必要组成部分，它包括GPS、 GLONASS、北斗、伽里略等地球定位系统传递的标准频率信号，各国利用选定的彩电 频道的副载波发播的标准频率信号，以及专用的无线电台发布的专用长波、短波标准频 率信号，可用标准频率接收机1以无线方式由相应的标准频率接收模块接收,良好条件 下，接收到的上述标准频率信号的频率准确度都优于5E-12/h，除以无线方式接收上述免 费的标准频率信号外，还可以利用各种实验室中的氢、铯、铷、激光等多种频率标准 输出的标准频率信号，其频率准确度可达1E-15，用高频电缆从校准信号通道送高分辨 率计数器作为机外频率标准7进行校频。标准频率接收机1是己经商品化的接收来自 机外标准频率信号的电子组件，可根据用户所在地的情况选用一种机外标准频率接收 机，如用GPS标准频率接收机，除GPS夕卜，还可采用接收伽利略、GLONASS、国产 北斗卫星定位系统输出标准频率的组件、或接收CCTV-1的彩电副载波标准频率信号、 接收中国、日本、德国、美国等世界上其他国家长波、短波电台发布的标准频率的接 收机模块。这些组件安装在仪器中，由仪器供电。组件自带天线，接收相应信号源发 出的标准频率信号，信号稳定后或GPS信号锁定后，输出标准频率信号Fs，该标准频 率信号Fs信进入高分辨率频率计数器2作校准信号源用；有时，在计量部门的全电磁 屏蔽的实验室中，收不到外部的标准频率信号，还可以利用各种实验室中的氢、铯、 铷等频率标准输出的标准频率信号进行校频。高分辨率频率计数器2是一种频率计数
器组件，该频率计数器的计数最高频率不低于20MHz，可测量各种标准频率的信号频 率；计数器的分辨率优于1E-12;该频率计数器由信号放大整形器21、主门A22、计 数器A23、门控电路26、高稳定度时基晶体振荡器3、主门B24、计数器B25、测量 与控制单元4、测频软件5等构成。见图2这是一种采用了全同步闸门技术的高分辨率 频率计数器电路，这种结构的电路特征是，用两路频率计数器分别对被测信号Fx和时 基信号Fo计数，两路的主门同时开闭，即主门A与主门B在Fx与Fo信号的上升沿 同时到来时开启，在指定的闸门时间到后，主门A与主门B在Fx与Fo信号的下降 沿同时到来时关闭，这样，在计数主门打开的时间内，正好计数了被测信号Fx和时基 信号Fo的整数个周期。这就消除了普通频率计测频时的±1个字的原理性误差，达到很 高的分辨率。它的电路工作原理如下见图3所示的时间关系。在门控电路26同步打 开主门A和主门B时，被测频率信号Fx，经过输入信号通道选择6、输入放大整形器21、通过主门A22、计数器A23计数；同时，由高稳定度时基晶体振荡器3产生的时 基信号Fo经主门B 24、经计数器B 25计数；当设定的闸门时间到，测控软件5控制 门控电路26同步关闭主门A和主门B，由计数器A23和计数器B25计数的结果同时 存入测量与控制单元4中并完成计算工作；这样，在计数器主门开闭的时间T内，正 好计数了被测频率Fx的M个周期与时基频率Fo的N个周期，由测量与控制单元计算 出被测频率值FX=FoM/N;高稳定度时基晶体振荡器3， 一般釆用高稳定度恒温石英 晶体振荡器或铷原子频标作为时基频率产生器，产生频率计的时间基准，时基频率信 号的秒频率稳定度根据测频要求的最高频率准确度选定， 一般应该比要求的测频准确 度高，通常都优于1E-11;要求时基输出的频率值Fo不是lMHz、 5MHz或10MHz等 整数频率，而是选定的与上述频率相差至少3Hz的非整数频率值，这是为了测定lMHz、 2.5MHz、 5MHz、 10MHz等常用高稳定晶体振荡器频率的需要；测量与控制单元4， 在测量仪器中选用微处理器、掌上电脑或嵌入式计算机、单片机加上位控制计算机以 及其他具有控制与计算功能的部件，在测量控制软件5的控制下，自动完成以下工作 时基频率的自动校准与用校准好的高准确度时基立即测量频率或其他参数。下面以接 收GPS标准频率信号为例，说明实时自动校准后测定任一频率的流程，包括从校频到 测频3个连续的部分
(1) 设置自校准测频，输入通道选择器6自动选择从计数器校准信号输入通道输 入GPS标准频率信号，通过测频检査GPS信号的质量，合符频率稳定度要求后，测定 GPS频标的频率Fs。设测得的频率为Fs';
(2) 计算出校准系数K， K=Fs/Fs'， K保存在计算机中；
(3) 紧接着，输入通道选择器6自动选择从计数器测频通道测定未知信号频率Fx， 如取闸门时间为2秒，测量101次，测得值为Fx，计算机计算并显示出Fx = K Fx，。 显然，只要从校准到测频过程中，时基晶体振荡器的频率稳定，Fx也足够稳定，用实 时自校准方法测得的Fx的频率准确度通常高达5E-10 5E-11.由电源8给频率计稳压供 电。
按本发明的方案，构成了一种高精度频率计。通道自动选择电路6，电路由简单的 数字与模拟集成电路组成。机外频率标准7选用GPS传递的标准频率信号；标准频率 接收机l采用输出10000Hz标准频率信号的GPS模块，模块装在仪器箱内，通过天线 插口，外接5m长的GPS天线；高分辨率频率计数器2采用全同步闸门计数原理制造，
9两路计数器用HCMOS和STTL数字集成电路构成，由80C31单片机控制，电路普通， 测定5MHz时的分辨率达2E-12;高稳定度时基晶体振荡器3采用军品高稳定度恒温石 英晶体振荡器，频率选为4999991.XXXXXHz，其秒频率稳定度为2E-11;测量与控制 单元4采用80C31单片机和27C64等器件作高分辨率频率计数器2的硬件控制，用笔 记本电脑作上位机，通过RS232串口控制这个系统的工作；系统软件5具有本发明技 术方案所列举的各项功能。该仪器在预热30分钟后，用GPS实时校准后测频的精确度 优于3E-10至5E-11。
高分辨率频率计数器的工作原理是:计数器的主门A与主门B在被测频率Fx与时 基频率Fo信号的上升沿同时到来时开启，在指定的闸门时间到后，主门A与主门B在 Fx与Fo信号的下降沿同时到来时关闭，这样，在计数闸门打开的时间内，正好计数 了被测频率Fx和时基频率Fo的整数个周期。这就消除了普通频率计测频时的±1个字 的原理性误差，达到很高的分辨率。
从它的工作原理，有图3所示的时间关系。在门控电路26同步打开主门A和主门 B时，被测频率信号Fx，经过信号输入放大、整形器21、通过主门A22、计数器A23、 进入计算机(即测量与控制单元4);同时，由高稳定度时基晶体振荡器3产生的时基 信号Fo经主门B24、计数器B25、进入计算机(即测量与控制单元4);当闸门时间 到，测控软件5控制门控电路26同步关闭主门A和主门B,由计数器A23和计数器 B25计数的结果同时存入单片机或计算机(即测量与控制单元4)中；在闸门开启的 时间T内，计数了Fx的M个周期Tx和Fo的N个To整周期。
有等式T=M/Fx=N/ Fo
贝U Fx=Fo M/N
对照图3，有T=NTo=MTx，To=l/F0，Tx=l/Fx,N/F0=M/Fx; Fx=Fo*M/N.
这样，没有普通频率计所特有的±1个字的原理性误差。即可实现高分辨率测频。 从原理可见，Fo不能等于被测频率或其整数倍，所以仪器的时基晶体振荡器采用特
制的非整数频率高稳定恒温晶体振荡器。保证测频的分辨率优于1E-11最高可达1E-13。).
③高稳定度时基晶体振荡器， 一般采用高稳定度恒温石英晶体振荡器或铷原子频标 作为时基频率产生器，要求时基频率信号的秒频率稳定度根据测频要求的最高频率准确
度选定， 一般应该比要求的测频准确度高，通常都优于1E-11;作为时基输出的频率值Fo应与lMHz、 5MHz或10MHz等整数频率不互为整倍 数，并与这些整数频率相差至少3Hz的特殊的非整数频率值，这是为了测定lMHz、 2.5MHz、 5MHz、 10MHz等常用高稳定晶体振荡器频率的需要；另外，也是为了高分 辨率测频的需要。
④ 测量与控制单元，可以选用掌上电脑、嵌入式计算机、单片机加上位控制计算机 以及其其他具有计算与控制功能的其他部件，只要能够与频率测量程序或测控软件配 合，完成测频和时基频率的自动校准功能即可。
⑤ 测控软件，解决与测频仪器中时基晶体振荡器有关的测量、校准、计算、自动控 制等问题，测控软件的主要功能如下，其特征是
1)自动实时自校准——通过测定标准频率的方法，自动实时校准频率计的时基频 率到很高的准确度。下面以接收一种频率为10， OOOHz的GPS标准频率信号为例，说 明自动实时自校准的原理如下
在事先检査并确认频率计接收到的GPS标准频率信号已经锁定，信号质量良好， 并设置好进行自动实时自校准后，仪器自动完成如下各项工作
(1) 频率计先测量GPS信号的频率检査GPS信号的质量，合符频率稳定度要求 后，测定GPS频率标的频率Fs，测量50次，闸门时间2秒。设测得的频率为Fs，， 存储好Fs';
(2) 微计算机计算出校准系数K， K=Fs/Fs'， K保存在计算机中，直到下一次校准 完成；
(3) 紧接着频率计再次测定GPS标准频率Fs (测量101次，闸门时间2秒)，测得 值为Fs，计算机计算并显示出Fs-KFs，。该Fs是经过时基频率修正的频率测量值， 它不受时基频率Fo不准的影响，如果测频与校频没有误差，Fx应该等于GPS标准频 率，例如lOOOO.OOOOOOOHz;因为实际上存在校频与测频误差，所以Fs是一个非常接 近10000.0000000Hz的频率值，该值的频率准确度一般为1E-11~5E-10，并在计算机屏 幕上显示出来。这表明用该频率计测定一个10000.0000000 Hz标准频率，可以准确到 1E-11~5E-10。
2)实时自动自校准后测定任一频率——在测量频率Fx前，先对时基频率做一次实 时校准。整个测量过程包括从校频到测频3个连续的部分
(1)频率计先从校准信号输入通道取得GPS标准频率信号，检査GPS信号的质量，合符频率稳定度要求后，测定GPS频标的频率Fs。设测得的频率为Fs';
(2) 微计算机计算出校准系数K， K=Fs/Fs'， K保存在计算机中，直到下一次校 准完成；
(3) 紧接着频率计从测频通道测定未知信号频率Fx，如取闸门时间为2秒，测量 101次，测得值为Fx，，计算机计算并显示出Fx-KFx，
显然，只要从校准到测频过程中，时基晶体振荡器的频率稳定，Fx也足够稳定的 话(如测量高稳定石英晶体振荡器的频率)用实时自校准方法测得的Fx的频率准确度 通常高达5E-11-5E-10 !
如果选用的石英晶体振荡器的频率稳定度更高，老化率更小，校频的时间更长些， 测定Fx频率的准确度更高，可达5E-12。
⑦机外标准频率是本发明实现高准确度测频的一个必要组成部分，它包括GPS、 GLONASS、伽利略、北斗等地球定位系统传递的标准频率信号，各国利用选定的彩电 频道的副载波发播的标准频率信号，如中国计量科学研究院通过中央电视台CCTV-1 的彩电副载波发播的4433618.75Hz的标准频率信号，可用彩电副载波接收模块接收；
中国、日本、德国、美国以专用的无线电台发布的专用长波、短波标准频率信号， 可用专用长波、短波接收模块接收； 可用标准频率接机1以无线方式由相应的标准 频率接收模块接收，各种标准频率信号的频率随接收长波电台载波频率的不同而异， 或与制造的GPS模块输出的标准频率信号的频率不同而不同，一般在10000Hz 10MHz 范围内。良好条件下，接收到的上述标准频率信号的频率准确度都优于5E-12/h，除以 无线方式接收上述免费的标准频率信号外，还可以利用各种实验室中的氢、铯、铷、 激光等频率标准输出的标准频率信号，其频率准确度最髙可达1E-15，用高频电缆从校 准信号通道送高分辨率计数器作为机外频率标准7进行校频。
权利要求
1. 一种时基频率实时校准测频方法，其特征在于，包括以下步骤1)校准步骤测频装置获取已知频率为Fs的外部的高准确度标准频率信号作为校准信号，经该测频装置测得的实际频率值为Fs’；计算出校准系数K，K＝Fs/Fs’，将校准系数K保存，直到下一次校准步骤完成时更新；2)测量步骤首先测频装置实际测得未知信号频率Fx’，最后计算修正后的未知信号频率值Fx＝K＊Fx’；3)返回到步骤1)。
2. 根据权利要求1所述的时基频率实时校准测频方法，其特征在于，所述的高 准确度标准频率信号为GPS、 GLONASS、伽利略地球定位系统或北斗地球 定位系统传递的标准频率信号，或各国利用选定的彩电频道的副载波发播的 标准频率信号。
3. —种时基频率实时校准测频装置，其特征在于，包括标准频率接收机、输入 通道选择器、频率计数器、测量与控制单元以及晶体振荡器；所述的标准频 率接收机、输入通道选择器、频率计数器、测量与控制单元依次串接，所述 的输入通道选择器还与被测信号连接；所述的频率计数器还与晶体振荡器连 接。
4. 根据权利要求3所述的时基频率实时校准测频装置，其特征在于，所述的频 率计数器为无土l个误差的高分辨率频率计数器，秒闸门测频分辨率优于 1E-10，其^结构为包括用于将被测信号整形成方波的整形器、主门A和主门B、计数器A和 计数器B以及门控电路；所述的整形器与主门A和计数器A依次串接后再接测量与控制单元的一个 输入端，构成信号输入计数通道；所述的晶体振荡器与主门B与计数器B依次串接后再接测量与控制单元的 另一个输入端，构成时基信号计数通道；所述的所述的整形器与晶体振荡器还输出信号到所述门控电路；门控电路还 与测量与控制单元的输出端相接；门控电路的输出控制信号到主门A和主门B的控制端。
5. 根据权利要求3或4所述的时基频率实时校准测频装置，其特征在于，所述 的标准频率接收机为用于接收高准确度标准频率信号为GPS、 GLONASS、 伽利略地球定位系统或北斗地球定位系统传递的标准频率信号，或各国利用 选定的彩电频道的副载波、长波发播的标准频率信号的接收机。
6. 根据权利要求5所述的时基频率实时校准测频装置，其特征在于，频率计数 器的测频范围为1Hz——2400MHz。
全文摘要
本发明公开了一种时基频率实时校准测频方法及其装置，其方法包括以下步骤1)校准步骤测频装置获取已知频率为Fs的外部的高准确度标准频率信号作为校准信号，经该测频装置测得的实际频率值为Fs’；计算出校准系数K，K＝Fs/Fs’，将校准系数K保存，直到下一次校准步骤完成时更新；2)测量步骤首先测频装置实际测得未知信号频率Fx’，最后计算修正后的未知信号频率值Fx＝K*Fx’；3)返回到步骤1)。本发明能保证测频时，时基频率精确到5E-10以上，秒闸门时间测频精确到1E-9以上，并确知被测频率的准确度。解决了以往的频率计时基频率准确度不能确知，精度不高等问题。
文档编号G01R23/00GK101441232SQ20081010758
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月25日 优先权日2008年12月25日
发明者驰 张, 张学庄, 张艳祥, 朱建军, 王爱公, 简务人 申请人:中南大学