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时间间隔与频率测量方法研究设计

编辑:金沙官网        发布日期:2018-06-22        点击量:732

摘要利用信号的时一空关系通过对被测时间信号与其在长度上传输延迟的重合检测来测量短时间间隔,以此为基础可完成各种时间间隔与频率侧量仪器设备设备。可比较容易地获得ns至IOPs量级的分辨率.这种利用信号传递速度的稳定、准确这一自然现象所保证的高精度比国内外传统的基于频率处理的方法精度更高,价格也更有优势,而且还能够解决特高频率的测量问题。

近年来由于航空航天、精密定位、通讯、计量、天文以及其他的高科技领域的技术发展,对于频率基、标准器的精度要求也越来越高。这方面发展的一个重要特点是光频标将以其精度上的优势而逐渐取代微波量子频标,同时微波量子频标的精度也在逐年提高。光频标的精度会比微波量子频标高3个数量级,达到10-18。为了更好和更广泛地发挥这些频标的作用,高精度的检测技术也必须同步地发展。近20年来,这方面测量方法从原理上并没有大的突破,只是由传统的方法结合生产工艺的改进使相应设备的测量分辨率较以前有所提高,但是由于精度欠缺、价格昂贵而且进一步提高精度对设备的要求也很高,已经无法满足日益发展的频标技术、时间传递、电子应用技术以及精密定位的需求.为此,开发新的原理和新的途径是解决这个问题的关键。伴随着频标信号的频率值的不断提高,对更高频率信号的频率的精密测量技术也是本行业技术发展的关键和各种光频标以及微波量子频标进一步发展的基础。在这方面所使用的各种测量方法主要是基于频率处理的方法,但是采用新的思路还有可能花更低的成本取得好的效果。

由此,为进一步提高任意时间间隔及频率测量范围以及测量分辨率,本文提出以信号的时一空关系通过对被测时间信号与其在长度上传输延迟的重合检测来测量短时间间隔的新的测量原理。

时间间隔与频率测量方法研究设计

基于时空关系的时间间隔测量原理

光和电磁波信号在空间或者特定介质中的传递速度的高度准确性和稳定性在计量学中被作为一个自然常数,高精度的频标信号之所以可以被测量和应用就是因为传输环节的高稳定性作为保证。所以,利用稳定的传输也能够构成测量仪器设备的基础。精密时频测量的关键已经转化为对于微细时间间隔和频率量的测量。因为长的时间间隔常常被分解为与填充时钟同步的较长时间间隔以及门时开启和关闭时与填充信号的不同步的小时间间隔。这个微细时间间隔常常变化在100ns到ps的范围,从频率稳定度方面考虑要求的时频测量的分辨率更是优于lps。对于这么短的时间信号的测量和处理常常受到器件的速度、噪声等因素的影响,大大限制了测量的精度。通过对各种传输线进行实验,进一步证明信号在传输线中的速度大约为2X108 m/s,那么ns和ps的传输延迟分别约为20cm和0.2mm,这是比较容易处理的长度段。从时一空关系这一点考虑,利用时频信号传输的时一空关系来处理时间间隔的测量问题,一方面利用相应器件的稳定性能够相对比较容易地得到更高的测量精度;另一方面通过特别短的时间间隔与好处理的长度量之间的对应关系也可以实现对于特别短的时间间隔的测量,这也反映了其高速度的可能性。这方面技术有可能成为本行业新一代检测技术。

在实际测量中,对于被测量的关键的短时间间隔,为了做到准确的延迟途径的计量,要求被整形成为窄的脉冲信号。通过在信号的传输路径上按照传输的速度、被测时间间隔的范围、测量要求达到的分辨率确定总的延迟路径的长度、对延迟段分段取样。被测量的短时间间隔的开始信号从延迟传输线通过,而在每一个取样段处,用被测时间间隔的结束信号对该处的信号传输状态进行取样。只有在延迟路径的传输延迟和被测量的时间间隔相等的情况下,取样才可能得到重合信号。根据对传输延迟长度的准确掌握、超窄脉冲技术的提高、重合检测线路的高稳定、高灵敏度,可以获得对时间间隔的高分辨率测量。随着测量分辨率的提高,不但对长度段的数量大大增加,而且单位长度段的长度也越来越小。所以,此方法的进一步进展必定要和微电路板、甚至微电子技术结合在共同;其原理框图和工作波形图如图1所示。

如图1(a)所示,分别把开门与关门的正弦波信号整形成方波信号,再经过处理变成窄脉冲,关门信号不需延迟,通过开门信号延迟的累积获得与关门信号的重合,在终端显示设备可以看到这种重合现象。控制电路用来控制锁存电路的工作个数,当检测到相位重合点,则对应的锁存电路工作;否则,锁存电路不工作。这是为了减少工作电路的个数以便尽可能地减少信号的损耗。这些微小的延迟由延迟线来完成。延迟线末端的匹配电阻是为了防止信号在延迟线中反射传播。

 

实验验证与性能分析

从波形图1(b)中,开门窄脉冲信号经过n个的延迟,最后与关门窄脉冲重合,通过对重合信号检测点的取样,大家知道此时开门脉冲经过了几个延时单元,由于是根据传输的速度、被测时间间隔的范围、测量要求达到的分辨率来确定的,所以不仅可以检测到信号的重合点,而且可以根据延迟导线线段的个数计算出待测的时间间隔:

在实际实验过程中,本文用更为简单的电路验证了导线传输的线性及稳定性,并测出了被测时间信号与其在长度上传输延迟的对应关系。重庆计量检测主要职责:研究、建立、维护、改造、使用国家计量基准和重庆市社会公用计量标准;所有的仪器校准,比如:实验室使用的所有仪器。像红外阿卡氏分什么的都需要。图2为实验装置图。

装t图前端与图1原理相同,这里的时间间隔测量仪用HP5370B,从延迟线上长度相等的点处引出如a,b,c,d,""",n个检测点接HP5370B的输入做关门信号,开门信号分别接输人标频的正弦、方波和窄脉冲信号,根据HP5370B的读数来计算时间间隔,并与延迟线长度的间隔做对应。实验数据做成的曲线如图3所示。

由图3可以得知,信号在延迟线中传输基本是线性的而且稳定的,外部测量设备的介人可能会在微细范围内影响传输性能,如图3得当,影响会减小。由表1得知,lcm延迟线可对应60几个ps的系统分辨率,当延迟线段长(金属微带线)设置约为2mm时,就很容易获得对任意时间间隔侧量分辨率达到l0ps量级的要求。借助于现代微电子技术,甚至可以在传输线上距离更小的地方设置检测口,提取重合信号,这样,时间间隔测量的精度和分辨率就会大大提高。从理论上,这种测量方法如同相点检测方法一样,可以完全避免士1个字的偏差。

 

应用

(1)实现特高频率如TH:直到光频测量。大家在几年前就曾经提出过用时间处理的方法来测量特高频率如THz直到光频的测量方法问题,并在较低的频段进行了实验验证。只是在实现的手段方面还没有有效的途径。经过探索,这个问题完全可能也转换成为以光速(即电磁波传播速度)为中介从长度的角度来实现。所要做的工作是,判断这个工作的测量频率上限和可以实现的最高精度。目前的解决方案已经确定,以频率合成技术为中介可以建立起高、低频信号间的倍数关系实现它们相位上的准同步,用这样的标志就可以算出高频信号的频率值。后面的技术实施虽然是进一步的工作,但是也反映出这个技术的应用深度以及可以推广应用的广度。

(2)在测量方法的使用上也可以把信号之间的短时间间隔在长度(延迟)的延伸上展开进行游标法测量。计量器具配备率是指已有器具和所需要器具的比例。


结论

与传统种类的时间间隔与频率测量仪器设备设备相比,本测量方法具有更宽的频率和时间间隔测量范围,更高的频率分辨率和更宽广的应用领域。目前,此方案仍处于前期实验验证阶段,还有许多工程和原理方面的间题需要进一步探讨和解决。

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