基于直接数字化测量和处理的精密频率改正器的制作方法

本发明属于卫星导航、通信、精密测量仪器、精密时钟源技术中领域，用于解决工程应用类原子钟、精密石英晶体振荡器老化和自身频率准确度变化的调整和补偿。

背景技术：

频率合成器往往为了具有宽的频率调整范围，很难有精细的频率调节步进值，虽然原子钟、晶体振荡器性能优越，但是存在老化漂移，使得频率标称值发生变化，因此为了使得晶体振荡器作为精密的频率源使用，需要一种仪器或装置对原子钟、晶体振荡器的输出信号频率进行精细改正，从而保持原子钟、晶体振荡器的高度准确性。而现有技术结构复杂、成本高、使用不便，所以需要一款高精度、宽范围、低成本的频率改正器来改变原子钟等的老化漂移问题。

技术实现要素：

本发明公开了一种基于直接数字化测量和处理的精密频率改正器，具有精度高、范围宽、成本低的特点。

本发明的技术方案是：一种基于直接数字化测量和处理的精密频率改正器，其特征在于，由双路adc、fpga、mcu、dac以及压控晶体振荡器vcxo构成，并且mcu带外部usb接口，采用外部高稳晶体振荡器作为公用时钟信号，借助于时钟游标效应以及量化误差抑制技术，通过测量频率源输入信号f0与实际输出信号fx之间的频差，通过此频差与设定频差δf的比对，实现设定的目标频率输出，频率改正的范围从0.1mhz到10hz，同时可以实现秒级稳定度小于3*10-12，以及10-12量级的微小频率改正。

本发明采用双路adc测量结构，一路用来采集频率源输入信号f0，一路用来采集vcxo输出信号形成反馈，并且双路adc与fpga采用统一时钟，mcu通过fpga得到参考信号与输入信号的频率计数，从而算出参考信号与实际输出信号之间的频差，并与设定频差比较，产生误差信号ε来驱动压控晶体振荡器vcxo，使得输出频率保持在目标频率处，这样形成一个闭环反馈回路，达到自动调节的目的；dac将mcu输出的数字信号转换为模拟信号来驱动晶体振荡器vcxo。

借助的时钟游标效应是指采样时钟信号fr和输入信号f0之间的时钟游标效应，本发明中采样时钟信号fr与输入信号f0属于同频有微小频差的关系，采样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。

在数字化测量中使用了量化误差抑制技术，本发明选择某固定的过零点作为测量参考点，大大抑制了量化误差，保证了高精度测频。

本发明相比传统的频率改正器宽范围频率调节，其不同之处在于采用晶体振荡器作为公用时钟，通过频率改正功能实现设定的目标频率输出，其输出信号的频率范围明显要窄的多，如从0.1mhz到10hz，同时可以实现秒级稳定度小于3*10^-12，以及10^-12量级的微小频率改正。相比传统的频率改正器该改正器为连续改正，并且性价比更高。

附图说明

图1是本发明原理实现框图。

图2是样机实物图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于直接数字化测量和处理的精密频率改正器，由精密频率测量和反馈校正两部分构成。

进一步由双路adc、fpga、mcu、dac以及压控晶体振荡器vcxo构成，并且mcu带外部usb接口。

进一步精密频率测量部分使用时钟游标效应。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者互成倍数关系的基础上有一个微小的频差δf时，随着时间的延伸，采集点会周期性地、顺序的在被测信号的波形上移动，即时钟游标效应。

本发明中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。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，大大降低量化误差的影响，理想状态下可以消除量化误差。

进一步精密频率测量部分使用量化误差抑制技术。由于adc存在量化误差，采样数据跳变之后有一个“平坦区”，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。本发明选择某固定的跳变点即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，即存在固定的时间上的偏移，可以理解为闸门向前或向后移动发生了同步移动，但是闸门总的长度并没有改变。以此作为测量参考点，大大抑制了量化误差，保证了高精度测频。

进一步精密频率测量部分采用非标准频率的晶体振荡器作为参考信号。实际中传统的频率合成器往往为了具有宽的频率调整范围，很难有精细的频率调节步进值。晶体振荡器性能虽然优越，但是存在老化漂移，使得频率标称值发生变化，因此为了使得晶体振荡器作为精密的频率源使用，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。而通常的频率改正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。本发明的工作频点就是针对常用精密晶体振荡器，如10mhz而设计的，但是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作为参考，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，以此保证设备准确和精密的持续运行。如图2所示是本发明的样机示意图。

进一步反馈校正部分如下说明，采用双路adc测量结构，一路用来采集参考信号，一路用来采集vcxo输出的反馈信号，并且双路adc与fpga采用统一时钟。mcu通过fpga得出的计数值算出参考信号与实际输出之间的偏差，并与设定偏差比较产生误差信号来驱动压控晶体振荡器vcxo，使得输出频率保持在预期频率处，这样形成一个闭环反馈回路，达到自动调节的目的。

进一步mcu模块的软件设计主要是用c语言编写单片机的控制程序。其次fpga模块用来得到参考信号与输入信号的频率计数，在时钟方面有严格要求，软件设计主要是verilog语言对其进行程序编写。最后，驱动压控晶体振荡器的电压信号由dac转换，将mcu输出的数字信号转换为模拟信号来驱动晶体振荡器。

本发明中，通过测量获得本身存在偏差的晶振输入参考信号与实际输出信号之间的频差，通过此频差与设定频差的比对，使得最终的输出信号不仅范围窄并且秒级稳定度高。

进一步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较窄，如从0.1mhz到10hz。同时输出信号为准确的标准频率(此时设定频差为零)或标准频率带有微小偏差(此时设定频差不为零但远小于标准频率)，可以实现秒级稳定度小于3*10^-12，以及10^-12量级的微小频率改正。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于直接数字化测量和处理的精密频率改正器，用于解决工程应用类原子钟、精密石英晶体振荡器老化和自身频率准确度变化的调整和补偿。本发明基于先进的直接数字测量原理，即在数字化的背景下，采用双路ADC测量结构，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。此发明相比传统的频率改正器宽范围频率调节，其不同之处在于采用晶体振荡器作为公用时钟，通过频率改正功能实现设定的目标频率输出，其输出信号的频率范围明显要窄的多，如从0.1mHz到10Hz，同时可以实现秒级稳定度小于3*10‑12，以及10‑12量级的微小频率改正。相比传统的频率改正器该改正器为连续改正，并且性价比更高。

技术研发人员：白丽娜;翟鸿启;刘海东;谷小倩;刘蓓玲;王婷婷;燕雯;周渭;黄李贝;郭怡萱;惠月红
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2017.08.09
技术公布日：2017.12.15