基于FPGA的10MHz頻標比對測量系統(tǒng)研制.pdf

1、頻率標準是指能給出較高準確度的單一頻率值的正弦形振蕩信號的裝置，在現(xiàn)代軍事、通訊、電力、導航等領(lǐng)域中都起著重要的作用。頻標比對測量是對頻率標準的準確度和穩(wěn)定度指標進行測量評估，對頻率標準在工程中的合理使用具有重要的現(xiàn)實意義。目前高精度頻標比對測量系統(tǒng)常采用雙混頻時差法，傳統(tǒng)的雙混頻時差法頻標比對原理是將待測信號和參考信號分別與公共振蕩器混頻，得到各自的差拍信號，然后將兩個差拍信號送往計數(shù)器進行計數(shù)測量。然而，計數(shù)法測量相位差結(jié)果并不是很

2、精準，計數(shù)時會產(chǎn)生±1個字的計數(shù)誤差。
　　本文研制10MHz頻標比對測量系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用了傳統(tǒng)的雙混頻時差法的基本構(gòu)架，但是針對差拍信號的測量舍棄傳統(tǒng)的計數(shù)法，而是采用了基于FPGA的數(shù)字相關(guān)法。并且對數(shù)字相關(guān)法公式進行改進，為方便FPGA運算，將差拍信號加上半個峰峰值。同時將數(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實現(xiàn)中設(shè)計反三角函數(shù)變換器對求解反余弦和反正切精度進行分析比較。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待測信號和參考信號下變頻為100Hz弦波信號，提高了系統(tǒng)的測量分辨率。
　　(2)研制了雙通道同步數(shù)據(jù)采集電路，將兩路100Hz低頻差拍弦波信號轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號，送至FPGA進行相位差解算。
　　(3)在FPGA中設(shè)計反三角函數(shù)變換器、數(shù)字相關(guān)器、乘法器、除法器等運算單元來共同構(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)計了串口驅(qū)動器，將待測信號和參考信號之間的相位差測量數(shù)據(jù)實時輸出至上位機顯示保存，將上位機軟件保存的測量數(shù)據(jù)加載到Stable32-1.6進行穩(wěn)定度指標分析。
　　(6)研制了系統(tǒng)原理樣機，設(shè)計了系統(tǒng)測試方案，測量了所研制