一种基于移相同步的高精度测频装置的制作方法

本实用新型属于高精度频率测量技术领域，具体涉及一种基于移相同步的高精度测频装置。

背景技术：

频率测量是测量领域的经典研究课题，精确的频率测量变得越来越重要，频率测量技术在航空航天、卫星制导、测试计量等领域有着十分重要的位置，频率测试的主要方法有：直接测频法，频差倍增法、模拟内插法，时间幅度转换法，多周期同步法，游标法等。上述测频方法都存在一定程度的误差，部分方法测试系统较复杂。

近年来发展起来的相检宽带测频法，用基于群相位关系的方法，对群相位重合点进行捕捉，实现了对频率的高分辨率测量。但这种方法在群周期太大时，闸门时间不可控，在相位量子太小时，群相位重合点难以准确捕捉，且易受到噪声影响。另外，这种方法对频率上限和下限的测量都有一定的限制。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供了一种基于移相同步的高精度测频装置，实现了实际闸门和标准信号的同步，消除了对频率信号计数的±1周期误差，大大提高了测量精度，且在整个测试频段内都有很高的精度。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于移相同步的高精度测频装置，包括主芯片、及分别与主芯片电性连接的闸门控制模块、标准频率合成及移相模块、待测频率计数器和标准频率计数器；所述闸门控制模块和待测频率计数器的输入端均输入待测信号，所述主芯片输入预置闸门信号至闸门控制模块以产生实际闸门信号，并分别输出至待测频率计数器和标准频率计数器，所述主芯片控制标准频率合成及移相模块产生可移相的标准信号，并输出至标准频率计数器。

进一步地，所述主芯片采用单片机，闸门控制模块采用d触发器，d触发器的引脚1、4连接供电电源，d触发器的引脚2与单片机的引脚25连接，d触发器的引脚3与待测信号输入插座连接，待测信号输入插座的另一端接地。

进一步地，所述标准频率合成及移相模块采用dds频率合成器，dds频率合成器的引脚1、2、3、4分别与单片机的引脚43、44、45、46连接，dds频率合成器的引脚28、27、26、25分别与单片机的引脚47、2、3、4连接，dds频率合成器的引脚5、10、24、19均接地，dds频率合成器的引脚6、11、23、18连接供电电源，dds频率合成器的引脚7与单片机的引脚28连接，dds频率合成器的引脚8与单片机的引脚27连接，dds频率合成器的引脚9与晶振的引脚3连接，晶振的引脚1、2均接地，晶振的引脚4连接供电电源，并通过并联的第九电容、第十电容、第十一电容接地，dds频率合成器的引脚12通过第八电阻接地，dds频率合成器的引脚20与第五电阻连接，dds频率合成器的引脚21分别与第一电感和第六电阻连接，第一电感另一端分别与第二电感和第七电容连接，第二电感另一端分别与第四电容和第八电容连接，第五电阻、第六电阻、第七电容和第八电容另一端均接地，第一电感和第二电感两端分别并联有第五电容和第六电容，第四电容另一端与dds频率合成器的引脚16连接，dds频率合成器的引脚15分别与第三电阻、稳压器阴极及变阻器连接，第三电阻另一端连接供电电源，变阻器另一端分别与稳压器参考极和第七电阻连接，稳压器阳极和第七电阻另一端均接地。

进一步地，所述待测频率计数器包括第一计数器、第二计数器、第三计数器和第四计数器，四个计数器的引脚1、2、3、4、5、6、7、8均分别与单片机的引脚5、6、8、9、10、11、12、13连接，四个计数器的引脚14、9、17、16、18均连接供电电源，四个计数器的引脚15均与d触发器的引脚5连接，四个计数器的引脚12均与单片机的引脚24连接，四个计数器的引脚19均与单片机的引脚21连接，第一计数器的引脚13与待测信号输入插座连接，第一计数器的引脚11与第二计数器的引脚13连接，第二计数器的引脚11与第三计数器的引脚13连接，第三计数器的引脚11与第四计数器的引脚13连接。

进一步地，所述标准频率计数器包括第五计数器、第六计数器、第七计数器和第八计数器，四个计数器的引脚1、2、3、4、5、6、7、8均分别与单片机的引脚33、34、35、36、37、38、39、40连接，四个计数器的引脚14、9、17、16、18均连接供电电源，四个计数器的引脚15均与d触发器的引脚5连接，四个计数器的引脚12均与单片机的引脚24连接，四个计数器的引脚19均与单片机的引脚22连接，第五计数器的引脚13与dds频率合成器的引脚14连接，第五计数器的引脚11与第六计数器的引脚13连接，第六计数器的引脚11与第七计数器的引脚13连接，第七计数器的引脚11与第八计数器的引脚13连接。

本实用新型具有以下有益效果：本实用新型通过对标准信号进行移相，结合计数值的变化，在保证实际闸门和待测信号严格同步的情况下，实现了实际闸门上升沿和下降沿与标准信号的同步，有效消除了对待测信号和标准信号±1个周期的计数误差，大大提高了测频精度，实现了在整个测试频段的高精度测量。

附图说明

图1是本实用新型的基于移相同步的高精度测频装置结构示意图；

图2是本实用新型实施例中主芯片的电路结构示意图；

图3是本实用新型实施例中闸门控制模块的电路结构示意图；

图4是本实用新型实施例中标准频率合成及移相模块的电路结构示意图；

图5是本实用新型实施例中待测频率计数器的电路结构示意图；

图6是本实用新型实施例中标准频率计数器的电路结构示意图；

图7是本实用新型实施例中电源模块的电路结构示意图；

图8是本实用新型实施例中显示模块的电路结构示意图；

图9是本实用新型实施例中下载接口模块的电路结构示意图；

图10是本实用新型实施例中计数与移相原理示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种基于移相同步的高精度测频装置，包括主芯片、及分别与主芯片电性连接的闸门控制模块、标准频率合成及移相模块、待测频率计数器和标准频率计数器；所述闸门控制模块和待测频率计数器的输入端均输入待测信号，所述主芯片输入预置闸门信号至闸门控制模块以产生实际闸门信号，并分别输出至待测频率计数器和标准频率计数器，所述主芯片控制标准频率合成及移相模块产生可移相的标准信号，并输出至标准频率计数器。

在本实用新型的一个可选实施例中，上述主芯片采用单片机u2，用于对各模块的工作执行进行控制。该功能的实现具体可以采用stc15w4k60s4_lqfp48单片机，其引脚为48脚。如图2所示，单片机u2的引脚15连接供电电源vcc，并通过并联的第十二电容c12和极性电容e4接地。

在本实用新型的一个可选实施例中，上述闸门控制模块采用d触发器u13，用于产生实际闸门信号，这里实际闸门信号的周期为被测信号周期的整数倍。该功能的实现具体可以采用74ls74d触发器，如图3所示，d触发器u13的引脚1、4连接供电电源vcc，d触发器u13的引脚2与单片机u2的引脚25连接，d触发器u13的引脚3与待测信号输入插座p3连接，待测信号输入插座p3的另一端接地。

在本实用新型的一个可选实施例中，上述标准频率合成及移相模块采用dds频率合成器u3，用于产生标准信号，并对标准信号进行移相控制，即控制标准信号相位提前或滞后。该功能的实现具体可以采用ad9851dds频率合成器，如图4所示，dds频率合成器u3的引脚1、2、3、4分别与单片机u2的引脚43、44、45、46连接，dds频率合成器u3的引脚28、27、26、25分别与单片机u2的引脚47、2、3、4连接，dds频率合成器u3的引脚5、10、24、19均接地，dds频率合成器u3的引脚6、11、23、18连接供电电源vcc，dds频率合成器u3的引脚7与单片机u2的引脚28连接，dds频率合成器u3的引脚8与单片机u2的引脚27连接，dds频率合成器u3的引脚9与晶振y1的引脚3连接，晶振y1的引脚1、2均接地，晶振y1的引脚4连接供电电源vcc，并通过并联的第九电容c9、第十电容c10、第十一电容c11接地，dds频率合成器u3的引脚12通过第八电阻r8接地，dds频率合成器u3的引脚20与第五电阻r5连接，dds频率合成器u3的引脚21分别与第一电感l1和第六电阻r6连接，第一电感l1另一端分别与第二电感l2和第七电容c7连接，第二电感l2另一端分别与第四电容c4和第八电容c8连接，第五电阻r5、第六电阻r6、第七电容c7和第八电容c8另一端均接地，第一电感l1和第二电感l2两端分别并联有第五电容c5和第六电容c6，第四电容c4另一端与dds频率合成器u3的引脚16连接，dds频率合成器u3的引脚15分别与第三电阻r3、稳压器u4阴极及变阻器r4连接，第三电阻r3另一端连接供电电源vcc，变阻器r4另一端分别与稳压器u4参考极和第七电阻r7连接，稳压器u4阳极和第七电阻r7另一端均接地。

在本实用新型的一个可选实施例中，上述待测频率计数器包括第一计数器u5、第二计数器u6、第三计数器u7和第四计数器u8，用于对待测信号的上升沿进行计数。该功能的实现具体可以均采用74ls593计数器，如图5所示，上述四个计数器u5、u6、u7、u8的引脚1、2、3、4、5、6、7、8均分别与单片机u2的引脚5、6、8、9、10、11、12、13连接，四个计数器u5、u6、u7、u8的引脚14、9、17、16、18均连接供电电源vcc，四个计数器u5、u6、u7、u8的引脚15均与d触发器u13的引脚5连接，四个计数器u5、u6、u7、u8的引脚12均与单片机u2的引脚24连接，四个计数器u5、u6、u7、u8的引脚19均与单片机u2的引脚21连接，第一计数器u5的引脚13与待测信号输入插座p3连接，第一计数器u5的引脚11与第二计数器u6的引脚13连接，第二计数器u6的引脚11与第三计数器u7的引脚13连接，第三计数器u7的引脚11与第四计数器u8的引脚13连接。

在本实用新型的一个可选实施例中，上述标准频率计数器包括第五计数器u9、第六计数器u10、第七计数器u11和第八计数器u12，用于对标准信号的上升沿进行计数。该功能的实现具体可以均采用74ls593计数器，如图6所示，上述四个计数器u9、u10、u11、u12的引脚1、2、3、4、5、6、7、8均分别与单片机u2的引脚33、34、35、36、37、38、39、40连接，四个计数器u9、u10、u11、u12的引脚14、9、17、16、18均连接供电电源vcc，四个计数器u9、u10、u11、u12的引脚15均与d触发器u13的引脚5连接，四个计数器u9、u10、u11、u12的引脚12均与单片机u2的引脚24连接，四个计数器u9、u10、u11、u12的引脚19均与单片机u2的引脚22连接，第五计数器u9的引脚13与dds频率合成器u3的引脚14连接，第五计数器u9的引脚11与第六计数器u10的引脚13连接，第六计数器u10的引脚11与第七计数器u11的引脚13连接，第七计数器u11的引脚11与第八计数器u12的引脚13连接。

此外，本实用新型还设置有电源模块、显示模块和下载接口模块。

如图7所示，上述电源模块用于提供供电电源，分别向各个模块供电。该功能的实现可以采用7805稳压芯片，稳压芯片u1通过单刀双掷开关s1与电源输入插座p1连接，单刀双掷开关s1的连接端2与电源输入插座p1连接，单刀双掷开关s1的连接端1与稳压芯片u1的输入端连接，电源输入插座p1的另外两端均接地，稳压芯片u1的输入端还分别通过第一极性电容e1和第一电容c1接地，稳压芯片u1的接地端接地，稳压芯片u1的输出端连接供电电源端vcc，并分别通过第二极性电容e2、第二电容c2及串联的第一电阻r1和指示灯led1接地。

如图8所示，上述显示模块用于显示待测信号频率，该功能的实现可以采用12864点阵显示屏。点阵显示屏lcd1的引脚1、20均接地，点阵显示屏lcd1的引脚2连接供电电源vcc，并通过并联的第三极性电容e3和第三电容c3接地，还通过第二电阻r2分别与引脚3和引脚18连接，点阵显示屏lcd1的引脚4与单片机u2的引脚48连接，点阵显示屏lcd1的引脚5与单片机u2的引脚1连接，点阵显示屏lcd1的引脚6与单片机u2的引脚14连接，点阵显示屏lcd1的引脚7、8、9、10、11、12、13、14分别与单片机u2的引脚18、29、30、31、32、41、42连接，点阵显示屏lcd1的引脚15与单片机u2的引脚16连接，点阵显示屏lcd1的引脚17、19连接供电电源vcc。

如图9所示，上述下载接口模块用于下载单片机内存储的控制程序，该功能的实现可以采用下载接口p2，下载接口p2的引脚4连接供电电源vcc，并通过并联的第五极性电容e5和第十三电容c13接地，下载接口p2的引脚3、2分别与单片机u2的引脚19、20连接，下载接口p2的引脚1接地。

下面对本实用新型的测频装置的工作原理作进一步详细说明。

如图10所示，假设某方波信号x的周期为t，在闸门时间tn内对方波信号进行计数，假设每来一个上升沿计数一次，实际数值为n，即在闸门时间tn内共有n个上升沿，则在闸门时间内共有n-1个完整的方波周期。

假设闸门上升沿和方波信号x在闸门内第一个上升沿的时间为t1，闸门下降沿和方波信号x在闸门内最后一个上升沿的时间为t2，则可得：

tn＝(n-1)t+t1+t2

假设在图7中，t1<t-t2，把x波形相位提前θ1＝2πt1/t，得到波形x1,闸门上升沿和x1的一个上升沿刚好重合，在此称为闸门上升沿和x1上升沿同步，简称x1和闸门前沿同步，当θ1＞2πt1/t时，在闸门时间tn内对x1波形上升沿计数，实际数值为n1，有：n1＝n-1；如果把x波形相位滞后θ2＝2πt2/t，得到波形x2，闸门下降沿和x2的一个上升沿刚好重合，在此称为闸门下降沿和x2上升沿同步，简称x2和闸门后沿同步，当θ2＞2πt2/t时，在闸门时间tn内对x2波形上升沿计数，实际数值为n2，有：n2＝n-1。

可见，当把x波形移相到某一位置，计数值就会发生变化，通过此时移动的相位就可推算出t1和t2。

通过计数值n的测量可以完成闸门时间的粗测，通过t1和t2的测量可以完成闸门时间的精测，以此为基础，最终可实现高精度的频率测量。

本实用新型采用移相同步测频法在整个测试频率段都有极高的测量精度，其测频精度与被测信号无关，主要取决于标准信号频率、闸门时间和移相精度，移相同步测频技术为频率测试带来了一个新的思路和方法，该方法快捷可靠、测频准确，易于实现，具有重要的理论价值和广阔的应用前景。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。