基于FPGA的10MHz頻標(biāo)比對(duì)測(cè)量系統(tǒng)研制.pdf

1、頻率標(biāo)準(zhǔn)是指能給出較高準(zhǔn)確度的單一頻率值的正弦形振蕩信號(hào)的裝置，在現(xiàn)代軍事、通訊、電力、導(dǎo)航等領(lǐng)域中都起著重要的作用。頻標(biāo)比對(duì)測(cè)量是對(duì)頻率標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量評(píng)估，對(duì)頻率標(biāo)準(zhǔn)在工程中的合理使用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前高精度頻標(biāo)比對(duì)測(cè)量系統(tǒng)常采用雙混頻時(shí)差法，傳統(tǒng)的雙混頻時(shí)差法頻標(biāo)比對(duì)原理是將待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)分別與公共振蕩器混頻，得到各自的差拍信號(hào)，然后將兩個(gè)差拍信號(hào)送往計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量。然而，計(jì)數(shù)法測(cè)量相位差結(jié)果并不是很

2、精準(zhǔn)，計(jì)數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生±1個(gè)字的計(jì)數(shù)誤差。
　　本文研制10MHz頻標(biāo)比對(duì)測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用了傳統(tǒng)的雙混頻時(shí)差法的基本構(gòu)架，但是針對(duì)差拍信號(hào)的測(cè)量舍棄傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)法，而是采用了基于FPGA的數(shù)字相關(guān)法。并且對(duì)數(shù)字相關(guān)法公式進(jìn)行改進(jìn)，為方便FPGA運(yùn)算，將差拍信號(hào)加上半個(gè)峰峰值。同時(shí)將數(shù)字相關(guān)法求解公式中求解反余弦改為求解反正切，在FPGA實(shí)現(xiàn)中設(shè)計(jì)反三角函數(shù)變換器對(duì)求解反余弦和反正切精度進(jìn)行分析比較。將本文主要工作如下:
　　(

3、1)研制了9.9999MHz公共振蕩器和正弦差拍器，將10MHz待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)下變頻為100Hz弦波信號(hào)，提高了系統(tǒng)的測(cè)量分辨率。
　　(2)研制了雙通道同步數(shù)據(jù)采集電路，將兩路100Hz低頻差拍弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號(hào)，送至FPGA進(jìn)行相位差解算。
　　(3)在FPGA中設(shè)計(jì)反三角函數(shù)變換器、數(shù)字相關(guān)器、乘法器、除法器等運(yùn)算單元來共同構(gòu)建數(shù)字相關(guān)法。
　　(4)反三角函數(shù)變換器中研究了基于CORDIC的反余弦求

4、解算法、基于CORDIC的反正切求解算法和基于Chebyshev的反正切求解算法，并進(jìn)行了Matlab仿真和性能比較。結(jié)果表明基于Chebyshev的反正切求解算法更加逼近理論值。
　　(5)在FGPA中設(shè)計(jì)了串口驅(qū)動(dòng)器，將待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)之間的相位差測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出至上位機(jī)顯示保存，將上位機(jī)軟件保存的測(cè)量數(shù)據(jù)加載到Stable32-1.6進(jìn)行穩(wěn)定度指標(biāo)分析。
　　(6)研制了系統(tǒng)原理樣機(jī)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)測(cè)試方案，測(cè)量了所研制