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    188宝金博页面版: 基于TAC的高精度频率测量系统的设计

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    内容提示： 2016 年第 12 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2016No. 12收稿日期:2016 －03 －12基于 TAC 的高精度频率测量系统的设计栾岳震，王国富，王小红，叶金才(桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004)摘要:为解决精密加法器时钟守时系统内本地振荡器频率测量模块分辨率低、测量精度差的问题，针对加法器时钟应用场景的特点，设计了一种新型的基于高稳定度 PPS(秒脉冲信号)的高分辨率频率测量系统，详细分析了该系统的电路实现及测量算法，给出了一套完善的实用方案，解决了目前应用较多的本地时钟频率测量方案的诸多缺点，实验表明该系统可实现...

    文档格式：PDF | 页数：4 | 浏览次数：60 | 上传日期：2017-02-24 20:35:23 | 文档星级：
    2016 年第 12 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2016No. 12收稿日期:2016 －03 －12基于 TAC 的高精度频率测量系统的设计栾岳震，王国富，王小红，叶金才(桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004)摘要:为解决精密加法器时钟守时系统内本地振荡器频率测量模块分辨率低、测量精度差的问题，针对加法器时钟应用场景的特点，设计了一种新型的基于高稳定度 PPS(秒脉冲信号)的高分辨率频率测量系统，详细分析了该系统的电路实现及测量算法，给出了一套完善的实用方案，解决了目前应用较多的本地时钟频率测量方案的诸多缺点，实验表明该系统可实现 13 位时间间隔测量精度，为低成本高精度仪器仪表的设计实现提供了一种新思路。关键词:频率测量;守时系统;振荡器;卫星同步授时;同步传感器网络中图分类号:TP216 文献标识码:A文章编号:1002 －1841(2016)12 －0092 －04High-Precion Frequency Measurement System Based on TACLUAN Yue-zhen，WANG Guo-fu，WANG Xiao-hong，YE Jin-cai(College of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China)Abstract:To solve this problem that resolution and precision of the frequency measure module used in precious adder-basedhold-over clock was low，aiming at the specification of adder-based clock，a new kind of high resolution frequency measuring sys-tem based on highly stable PPS(pulse per second)signal was designed． After analyzing the circuit and algorithm of this system，a complete practical solution was provided． This solution overcame many disadvantages of the frequency measuring scheme． Exper-iment data shows that this system has a 13 bit resolution of time interval measurement and provides a new method of the design oflow-cost high-precision instruments．Keywords:frequency measurement;hold-over system;oscillator;GNSS synchronizing;synchronized sensor network0 引言随着科技的不断进步，工业生产、科研、资源勘探、军事等诸多应用领域对时频测量技术提出了越来越高的要求。频率测量技术的性能是诸多电子系统的核心问题，例如在分布式传感器同步采集系统内［1 －3］ ，以加法器时钟为核心的数字守时时钟对本地振荡器频率的测量误差在每个时钟脉冲都会累加至系统的整体误差上，长期下去将产生很大的时间偏差。常用的频率测量技术有直接计数法、时间间隔扩展法、时间 － 幅度转换法、游标法、延迟线抽头法等方法［4］ ，国外一些公司也推出了高集成度的时间数字转换芯片(time-digital converter，TDC)。现有加法器时钟多使用基于数字逻辑门传输延迟的抽头线方法，该方法实现成本低、调试方便，但性能却受限于集成电路制造工艺，通常只能达到 100 ～ 200 ps 的测量分辨率［5］ ，测量精度也受到逻辑器件参数的离散性、环境温度等因素的制约。为解决这一问题，提出了一种针对加法器时钟应用特点的基于时间幅度转换法(time-amplitude conversion，TAC)的高精度高稳定度的振荡器频率测量方法。该方法对电容充电的电压进行动态校准，根据具体电路状况精确地缩放电压，可以直接避开电容老化、温度变化、被测频率范围变化导致的一系列难题。同时在电路设计上采用更加合理的结构和新型器件，可以大幅度提高电压采样精度，并改善电容电荷泄漏的问题。1 改进型频率测量系统设计高精度的同步传感器网络通常采用卫星授时信号作为基准时钟源对本地晶体振荡器或原子钟进行频率校正，并将本地时钟提供给守时时钟作为钟源，以保障卫星信号丢失后传感器网络的采集精度。卫星授时信号通常以秒脉冲信号(pulse per second，PPS)的形式提供。该 PPS 信号具有长期稳定性极佳(5． 0×10－14 ，τ =60 ～ 100 d)、脉冲边沿抖动较大的特点，该抖动服从 N(0，15 ns)的正态分布。本地晶体振荡器或原子钟频率通常为 10 ～ 100 MHz，远高于 PPS 信号的频率。针对这一特点，该系统使用 PPS 信号作为计数时间窗，本地高频时钟信号作为被计数脉冲，并

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