一种双混频时差测量方法及测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种双混频时差测量方法及测量系统。本发明通过选取一个不间断的公共源信号，由两个计数器分别实时获取该公共源信号的时间计数值，在参考信号和被测信号的上升沿分别到来时，分别获取当前两个计数器的时间计数值，使参考信号和被测信号的上升沿个数对齐，并使与对齐个数相对应的两个时间计数值相减，即可得出准确的时差值，根据该准确的时差值可计算出其他的频差、相差和阿伦方差等。本发明这种采用公共源信号的方式，可解决传统异或门方式在沿重叠或两个沿时差小于硬件响应时间时不能进行准确测量的问题，即解决了双混频时差测量过程中常存在的周期模糊现象。总之，采用本发明可以实现低成本、快速、准确、实时、无限制地进行测量。
【专利说明】—种双混频时差测量方法及测量系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双混频时差法，具体地说是一种双混频时差测量方法及测量系统。
【背景技术】
[0002]双混频时差法是D.ff.Allan在上世纪70年代提出的测量高稳定度原子钟的方法，发展到今天其已经成为对单一频率测量准确度最高的方法，国际上许多先进的时间频率实验室均采用这一方法进行时标的测量。
[0003]在双混频时差测量过程中常存在周期模糊现象。周期模糊现象是指在双混频时差系统比对时，参考信号和被测信号由于存在频率偏差，随着长时间的测量，参考信号和被测信号会发生重合或者周期跳转，进而导致测量不准的现象。
[0004]传统的方法采用时间间隔计数器测量时差，其工作原理是将被测信号Fin和参考信号Ref整形成低频信号，后经D触发器，再用一个异或门，以获取两个信号沿之间的时差。但是，由于计数器中的电路延时大于500ps，系统的分辨率大于lOOps，如果两个时差小于IOOps就不能准确测量。如图1所示，图中示出了参考信号Ref和被测信号Fin的信号沿之间的时差，分别为Λ tl、A t2、A t3、A t4和Λ t5/，但是，由于Λ tl小于IOOps,随着时间的推移，系统在Λ t5'处将不能分辨出此时差是参考信号Ref的上升沿和下降沿之间的时差，导致计数器漏掉一次测量，最终使得测量结果不准确。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一就是提供一种双混频时差测量方法，以解决在双混频时差测量过程中常存在周期模糊现象的问题。
[0006]本发明的目的之二就是提供一种双混频时差测量系统，以实现快速、准确、实时地进行时差测量。
[0007]本发明是这样实现的:一种双混频时差测量方法，包括如下步骤:
a、选取一个不间断的公共源信号；
b、采用第一计数器和第二计数器分别实时获取所述公共源信号的频率计数并转换为时间计数；
C、判断参考信号和被测信号的上升沿是否到来，如果所述参考信号和所述被测信号的上升沿均未到来，则继续执行步骤c ;如果有任一信号的上升沿到来或者两个信号的上升沿均到来时，则执行步骤d;
d、当所述参考信号的上升沿到来时，由第一锁存器对当前所述第一计数器所获取的时间计数值进行锁存，并由第三计数器对所述参考信号上升沿的个数进行计数，计数结果由第三锁存器进行锁存；当所述被测信号的上升沿到来时，由第二锁存器对当前所述第二计数器所获取的时间计数值进行锁存，并由第四计数器对所述被测信号上升沿的个数进行计数，计数结果由第四锁存器进行锁存； e、读取所述参考信号和所述被测信号的上升沿到来时的时间计数值，同时读取所述参考信号和所述被测信号的上升沿个数，并将所读取的数据存入存储器内；
f、使所述存储器内所述参考信号上升沿的个数与所述被测信号上升沿的个数对齐；
g、从所述存储器内提取与所述参考信号和所述被测信号对齐个数相对应的时间计数值进行运算处理，得到时差值；
h、根据所述时差值计算频差、相差和阿伦方差，并将计算结果存入所述存储器内；
1、执行步骤C。
[0008]在所述步骤h与所述步骤i之间还包括有如下步骤:
j、判断所述存储器内所存储的数据是否达到存储器容量的上限，如果是，则执行步骤k;如果否，则执行步骤i ;
k、删除所述存储器内对齐位置之前的数据，使剩余数据从所述对齐位置处前移，之后执行步骤i。
[0009]在所述步骤e与所述步骤f之间还包括有如下步骤:
1、判断所述第一计数器、所述第二计数器、所述第三计数器和所述第四计数器中是否有数据溢出，若任一计数器中有数据溢出，则执行步骤m;如果所有计数器中均未数据溢出，则执行步骤f;
m、对于有数据溢出的计数器，使其中的计数变量累加一个该计数器的满值，之后执行步骤f。
[0010]本发明所提供的双混频时差测量方法具有如下优点:
第一，本发明通过选取一个不间断的公共源信号，由两个计数器分别实时获取该公共源信号的时间计数值，在参考信号和被测信号的上升沿分别到来时，分别获取当前两个计数器的时间计数值，使参考信号和被测信号的上升沿个数对齐，并使与对齐个数相对应的两个时间计数值相减，即可得出准确的时差值。这种采用公共源信号的方式，完美地解决了传统异或门方式在沿重叠或两个沿时差小于硬件响应时间时不能进行准确测量的问题，即解决了双混频时差测量过程中常存在的周期模糊现象，而且对时差测量的脉冲宽度没有任何限制。
[0011]第二，参考信号或被测信号的上升沿到来时，也即发生中断时；基于中断嵌套原理，因此本发明测量过程中不会丢掉任何一个时差测量，时差测量可实现无间隙实时采样。加之本发明采用对参考信号和被测信号上升沿的个数进行统计，并使个数一一对齐，因此实现了真正意义上的时差对齐，省去了传统技术中对阶梯式周期变化进行补齐处理的步骤和对实际周期进行测量的步骤，同时也使得时差测量更加准确、快速。
[0012]第三，本发明可实时监测计数器的溢出情况，并在有溢出时及时使计数变量累加一个该计数器的满值。这种处理方式是基于计数器周期是一个固定数值的原理进行的，通过这种处理可实现在周期模糊区域进行无缝衔接，很好地解决了传统方式处理周期模糊现象时所产生的误差。
[0013]第四，在存储器容量达到上限时，通过删减对齐位置之前的数据，可避免存储器内数据过多造成的溢出及运算速度的减慢。除此之外，本发明还可以对各计数器中进行周期累加的变量进行周期性裁剪，这种处理方法也可避免变量过大造成的溢出及运算速度的减慢，同时由于周期性裁剪变量，所以累加变量没有上限，不会溢出，如果选择适当，同时有足够的存储空间，理论上可以无限制的进行测量，没有时间上限的限制。
[0014]本发明还提供了一种双混频时差测量系统，包括计数单元、锁存单元、单片机和存储器；所述计数单元连接所述锁存单元，所述锁存单元连接所述单片机，所述单片机连接所述存储器；
所述计数单元包括第一计数器、第二计数器、第三计数器和第四计数器；所述锁存单元包括第一锁存器、第二锁存器、第三锁存器和第四锁存器；所述第一计数器与所述第一锁存器相接，所述第二计数器与所述第二锁存器相接，所述第三计数器与所述第三锁存器相接，所述第四计数器与所述第四锁存器相接；
所述第一计数器和所述第二计数器分别用来实时获取公共源信号的频率计数并转换为时间计数；
所述第一锁存器用于在参考信号的上升沿到来时对当前所述第一计数器所获取的时间计数值进行锁存；
所述第二锁存器用于在被测信号的上升沿到来时对当前所述第二计数器所获取的时间计数值进行锁存；
所述第三计数器用于在参考信号的上升沿到来时对当前所述参考信号上升沿的个数进行计数；
所述第四计数器用于在被测信号的上升沿到来时对当前所述被测信号上升沿的个数进行计数；
所述第三锁存器用于在参考信号的上升沿到来时对当前所述第三计数器的计数结果进行锁存；
所述第四锁存器用于在被测信号的上升沿到来时对当前所述第四计数器的计数结果进行锁存；
所述单片机包括第一判断单元、数据读取单元、个数对齐单元和计算单元；
所述第一判断单元用于实时判断参考信号和被测信号的上升沿是否到来；
所述数据读取单元用于从所述锁存单元中读取参考信号和被测信号的上升沿到来时的时间计数值以及参考信号和被测信号的上升沿个数，并将所读取的数据存入所述存储器内；
所述个数对齐单元用于使所述存储器内所述参考信号上升沿的个数与所述被测信号上升沿的个数对齐；
所述计算单元用于从所述存储器内提取与所述参考信号和所述被测信号对齐个数相对应的时间计数值进行运算处理，得到时差值，之后根据所述时差值计算频差、相差和阿伦方差，并将计算结果存入所述存储器内。
[0015]所述单片机还包括第二判断单元和数据删减单元；
所述第二判断单元用于判断所述存储器内所存储的数据是否达到存储器容量的上
限；
所述数据删减单元用于在所述第二判断单元的判断结果为是时删除所述存储器内对齐位置之前的数据，使剩余数据从所述对齐位置处前移。
[0016]所述单片机还包括第三判断单元和计数变量累加单元；
所述第三判断单元用于判断所述第一计数器、所述第二计数器、所述第三计数器和所述第四计数器中是否有数据溢出；
所述计数变量累加单元用于在所述第三判断单元判断出任一计数器中有数据溢出时，使该溢出数据的计数器中的计算变量累加一个该计数器的满值。
[0017]本发明所提供的双混频时差测量系统，可以实现快速、实时地进行时差测量，可完全解决参考信号和被测信号之间存在频率偏差时的比对测量问题，保证了测量的准确性。而且，本发明理论上可以实现任意不同频点的比对测量，测量时间可以无限长。再有，本发明与现有的测量系统相比，可节省硬件成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是传统采用时间间隔计数器测量时差产生误差的原理示意图。
[0019]图2是本发明双混频时差测量系统中计数单元和锁存单元的结构框图。
[0020]图3是本发明测量时差的原理示意图。
[0021]图4是本发明双混频时差测量方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0022]实施例1，一种双混频时差测量系统。
[0023]本发明所提供的双混频时差测量系统包括计数单元、锁存单元、单片机和存储器。计数单元连接锁存单元，锁存单元连接单片机，单片机连接存储器。
[0024]如图2所示，图中示出了计数单元和锁存单元的结构框图。计数单元包括第一计数器、第二计数器、第三计数器和第四计数器；锁存单元包括第一锁存器、第二锁存器、第三锁存器和第四锁存器。第一计数器与第一锁存器相接，第二计数器与第二锁存器相接，第三计数器与第三锁存器相接，第四计数器与第四锁存器相接。
[0025]第一计数器和第二计数器分别用来实时获取公共源信号O的频率计数并转换为时间计数。第一锁存器用于在参考信号Ref的上升沿到来时对当前第一计数器所获取的时间计数值进行锁存，该时间计数值即为参考信号Ref的时间计数值，第一锁存器可将该数据输出；参考信号Ref的上升沿到来时即为参考信号Ref中断时。第二锁存器用于在被测信号Fin的上升沿到来时对当前第二计数器所获取的时间计数值进行锁存，该时间计数值即为被测信号Fin的时间计数值，第二锁存器可将该数据输出；被测信号Fin的上升沿到来时即为被测信号Fin中断时。
[0026]第三计数器用于在参考信号Ref的上升沿到来时对当前参考信号Ref上升沿的个数进行计数；第三锁存器用于对第三计数器的计数结果进行锁存，并可输出参考信号Ref的上升沿个数。第四计数器用于在被测信号Fin的上升沿到来时对当前被测信号Fin上升沿的个数进行计数；第四锁存器用于对第四计数器的计数结果进行锁存，并可输出被测信号Fin的上升沿个数。
[0027]单片机包括第一判断单元、数据读取单元、个数对齐单元和计算单元。
[0028]第一判断单元用于实时判断参考信号和被测信号的上升沿是否到来。
[0029]数据读取单元用于从锁存单元中读取参考信号和被测信号的上升沿到来时的时间计数值以及参考信号和被测信号的上升沿个数，并将所读取的数据存入存储器内。
[0030]个数对齐单元用于使存储器内参考信号上升沿的个数与被测信号上升沿的个数对齐，即使参考信号的第I个上升沿与被测信号的第I个上升沿对齐，使参考信号的第2个上升沿与被测信号的第2个上升沿对齐，依此类推。
[0031]计算单元用于从存储器内提取与参考信号和被测信号对齐个数相对应的时间计数值进行运算处理，得到时差值，之后根据时差值，再结合闸门时间，计算频差、相差和阿伦方差等，最后将计算结果存入存储器内。如图3所示，选取与对齐个数相对应的时间计数值，即:使参考信号Ref的第I个上升沿时间计数值Trl对应被测信号Fin的第I个上升沿时间计数值Tf I，参考信号Ref的第2个上升沿时间计数值Tr2对应被测信号Fin的第2个上升沿时间计数值Tf2，依此类推，Tr3对应Tf3，Tr4对应Tf4，Tr5对应Tf5，……;则时差值为Λ tl=Trl-Tfl，A t2=Tr2-Tf2，......。
[0032]单片机还可以包括第二判断单元、数据删减单元、第三判断单元和计数变量累积单元。
[0033]第二判断单元用于判断存储器内所存储的数据是否达到存储器容量的上限；数据删减单元用于在第二判断单元的判断结果为是时删除存储器内对齐位置之前的数据，使剩余数据从对齐位置处前移。
[0034]第三判断单元用于判断第一计数器、第二计数器、第三计数器和第四计数器中是否有数据溢出；计数变量累加单元用于在第三判断单元判断出任一计数器中有数据溢出时，使该溢出数据的计数器中的计算变量累加一个该计数器的满值。
[0035]当然，单片机还可以包括第四判断单元和变量裁剪单元。第四判断单元用于判断第一计数器、第二计数器、第三计数器和第四计数器中的计数变量是否达到容量的上限；变量裁剪单元用于在第四判断单元判断出任一计数器中的计数变量达到容量的上限时，对该计数器中周期累加的变量进行周期性裁剪。
[0036]实施例2，一种双混频时差测量方法。
[0037]如图4所示，本发明所提供的双混频时差测量方法包括如下步骤:
①初始化参数，选取一个不间断的公共源信号作为持续时间测量的基准信号。
[0038]②采用第一计数器和第二计数器分别实时获取公共源信号的频率计数并转换为时间计数。
[0039]③判断参考信号和被测信号的上升沿是否到来，可采用两个中断源分别获取参考信号和被测信号的上升沿来产生中断，通过判断参考信号和被测信号是否中断进而判断上升沿是否到来；如果参考信号和被测信号的上升沿均未到来，则继续执行步骤③；如果有任一信号的上升沿到来或者两个信号的上升沿均到来时，则执行步骤④。
[0040]④当参考信号的上升沿到来时，由第一锁存器对当前第一计数器所获取的时间计数值进行锁存，并由第三计数器对参考信号上升沿的个数进行计数，计数结果由第三锁存器进行锁存；当被测信号的上升沿到来时，由第二锁存器对当前第二计数器所获取的时间计数值进行锁存，并由第四计数器对被测信号上升沿的个数进行计数，计数结果由第四锁存器进行锁存。
[0041]本步骤中当参考信号上升沿到来时将当前第一计数器的计数值进行锁存，当被测信号上升沿到来时将当前第二计数器的计数值进行锁存，从而可以在后续被相应程序随时读取。
[0042]⑤当参考信号上升沿产生中断时因为第一锁存器中已经将第一计数器当前计数值进行了锁存，所以程序可以随时进行读取，而被测信号产生中断时也可实时进行数据读取，同时可以读取此时参考信号和被测信号的上升沿个数。本步骤即是读取参考信号和被测信号的上升沿到来时的时间计数值及参考信号和被测信号的上升沿个数，并将所读取的数据存入存储器内。
[0043]⑥判断第一计数器、第二计数器、第三计数器和第四计数器中是否有数据溢出，如果任何一个计数器中出现数据溢出现象，则执行步骤⑦；如果所有计数器中均未出现数据溢出现象，则执行步骤⑧。
[0044]⑦对于有数据溢出的计数器，使其中的计数变量累加一个该计数器的满值，之后执行步骤⑧。
[0045]⑧使存储器内参考信号上升沿的个数与被测信号上升沿的个数对齐，即:使参考信号的第I个上升沿与被测信号的第I个上升沿对齐，使参考信号的第2个上升沿与被测信号的第2个上升沿对齐，依此类推。
[0046]⑨从存储器内提取与参考信号和被测信号对齐个数相对应的时间计数值进行运算处理，得到时差值。
[0047]具体可参见图3，选取与对齐个数相对应的时间计数值，即:使参考信号Ref的第I个上升沿时间计数值Trl对应被测信号Fin的第I个上升沿时间计数值Tfl，参考信号Ref的第2个上升沿时间计数值Tr2对应被测信号Fin的第2个上升沿时间计数值Tf2，
依此类推，Tr3对应Tf3, Tr4对应Tf4, Tr5对应Tf5,......;则时差值为Λ tl=Trl-Tfl,
Δ t2=Tr2-Tf2,......。
[0048]⑩根据时差值结合闸门时间，计算频差、相差和阿伦方差等，并将计算结果存入存储器内。
[0049]?判断存储器内所存储的数据是否达到存储器容量的上限，如果是，则执行步骤?；如果否，则执行步骤③。
[0050]?删除存储器内对齐位置之前的数据，使剩余数据从对齐位置处前移，之后执行
步骤③。
【权利要求】
1.一种双混频时差测量方法，其特征是，包括如下步骤: a、选取一个不间断的公共源信号； b、采用第一计数器和第二计数器分别实时获取所述公共源信号的频率计数并转换为时间计数； C、判断参考信号和被测信号的上升沿是否到来，如果所述参考信号和所述被测信号的上升沿均未到来，则继续执行步骤c ;如果有任一信号的上升沿到来或者两个信号的上升沿均到来时，则执行步骤d; d、当所述参考信号的上升沿到来时，由第一锁存器对当前所述第一计数器所获取的时间计数值进行锁存，并由第三计数器对所述参考信号上升沿的个数进行计数，计数结果由第三锁存器进行锁存；当所述被测信号的上升沿到来时，由第二锁存器对当前所述第二计数器所获取的时间计数值进行锁存，并由第四计数器对所述被测信号上升沿的个数进行计数，计数结果由第四锁存器进行锁存； e、读取所述参考信号和所述被测信号的上升沿到来时的时间计数值，同时读取所述参考信号和所述被测信号的上升沿个数，并将所读取的数据存入存储器内； f、使所述存储器内所述参考信号上升沿的个数与所述被测信号上升沿的个数对齐； g、从所述存储器内提取与所述参考信号和所述被测信号对齐个数相对应的时间计数值进行运算处理，得到时差值； h、根据所述时差值计算频差、相差和阿伦方差，并将计算结果存入所述存储器内； 1、执行步骤C。
2.根据权利要求1所述的双混频时差测量方法，其特征是，在所述步骤h与所述步骤i之间还包括有如下步骤: j、判断所述存储器内所存储的数据是否达到存储器容量的上限，如果是，则执行步骤k;如果否，则执行步骤i ; k、删除所述存储器内对齐位置之前的数据，使剩余数据从所述对齐位置处前移，之后执行步骤i。
3.根据权利要求1或2所述的双混频时差测量方法，其特征是，在所述步骤e与所述步骤f之间还包括有如下步骤: 1、判断所述第一计数器、所述第二计数器、所述第三计数器和所述第四计数器中是否有数据溢出，若任一计数器中有数据溢出，则执行步骤m;如果所有计数器中均未数据溢出，则执行步骤f; m、对于有数据溢出的计数器，使其中的计数变量累加一个该计数器的满值，之后执行步骤f。
4.一种双混频时差测量系统，其特征是，包括计数单元、锁存单元、单片机和存储器；所述计数单元连接所述 锁存单元，所述锁存单元连接所述单片机，所述单片机连接所述存储器； 所述计数单元包括第一计数器、第二计数器、第三计数器和第四计数器；所述锁存单元包括第一锁存器、第二锁存器、第三锁存器和第四锁存器；所述第一计数器与所述第一锁存器相接，所述第二计数器与所述第二锁存器相接，所述第三计数器与所述第三锁存器相接，所述第四计数器与所述第四锁存器相接；所述第一计数器和所述第二计数器分别用来实时获取公共源信号的频率计数并转换为时间计数； 所述第一锁存器用于在参考信号的上升沿到来时对当前所述第一计数器所获取的时间计数值进行锁存； 所述第二锁存器用于在被测信号的上升沿到来时对当前所述第二计数器所获取的时间计数值进行锁存； 所述第三计数器用于在参考信号的上升沿到来时对当前所述参考信号上升沿的个数进行计数； 所述第四计数器用于在被测信号的上升沿到来时对当前所述被测信号上升沿的个数进行计数； 所述第三锁存器用于在参考信号的上升沿到来时对当前所述第三计数器的计数结果进行锁存； 所述第四锁存器用于在被测信号的上升沿到来时对当前所述第四计数器的计数结果进行锁存； 所述单片机包括第一判断单元、数据读取单元、个数对齐单元和计算单元； 所述第一判断单元用于实时判断参考信号和被测信号的上升沿是否到来； 所述数据读取单元用于从所述锁存单元中读取参考信号和被测信号的上升沿到来时的时间计数值以及参考信号和被测信号的上升沿个数，并将所读取的数据存入所述存储器内； 所述个数对齐单元用于使所述存储器内所述参考信号上升沿的个数与所述被测信号上升沿的个数对齐； 所述计算单元用于从所述存储器内提取与所述参考信号和所述被测信号对齐个数相对应的时间计数值进行运算处理，得到时差值，之后根据所述时差值计算频差、相差和阿伦方差，并将计算结果存入所述存储器内。
5.根据权利要求4所述的双混频时差测量系统，其特征是，所述单片机还包括第二判断单元和数据删减单元； 所述第二判断单元用于判断所述存储器内所存储的数据是否达到存储器容量的上限； 所述数据删减单元用于在所述第二判断单元的判断结果为是时删除所述存储器内对齐位置之前的数据，使剩余数据从所述对齐位置处前移。
6.根据权利要求4或5所述的双混频时差测量系统，其特征是，所述单片机还包括第三判断单元和计数变量累加单元； 所述第三判断单元用于判断所述第一计数器、所述第二计数器、所述第三计数器和所述第四计数器中是否有数据溢出； 所述计数变量累加单元用于在所述第三判断单元判断出任一计数器中有数据溢出时，使该溢出数据的计数器中的计算变量累加一个该计数器的满值。
【文档编号】G01R23/14GK103869156SQ201410130410
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】邓志成, 苏志强, 杜向伟, 冯卫 申请人:石家庄数英仪器有限公司