虚拟化差拍频率计的研究与设计

论文摘要

本论文研究了虚拟仪器在精密频率测量中的应用,提出了虚拟化差拍频率测量方法,设计了虚拟化的差拍频率测量系统,并研制完成了一套原理实验样机。随着计算机技术的发展与普及,基于计算机的虚拟仪器有取代传统仪器的趋势;高稳频率源和频率测量应用的高速发展,对频率的测量也提出了越来越高的要求,传统的频率测量仪器和测量方法在测量精度和测量数据分析、处理方面存在不足,所以对其改造已势在必行。本论文为了改进传统的差拍频率测量技术的精度和降低成本,提出了将差拍技术与虚拟仪器技术相结合的方法,将经过差拍得到包含待测频率信息的正弦信号数字化送入计算机,采用数字信号相关运算算法分析得到频率值,从而实现高精度的频率测量。文章对该仪器的各个环节进行了详尽的分析研究。根据测量系统的工作流程,将整个系统分为差拍器模块、数据采集模块、程序通信模块、数据处理模块,再细化分成功能单一的模块,然后对这些硬件和软件模块分别进行设计和调试。本文还对虚拟化差拍和传统差拍两种测频模式进行了实验测试对比,实验证实虚拟化差拍方法,对10MHz的频率测量精度达到1.9×10-15/2s,比传统计数器差拍方法提高了近两个数量级,测量精度达到了国际先进水平。该设计大大降低了设备的成本、增加了仪器的灵活性。文章最后对影响测量精度的主要因素进行了深入细致的分析和研究。该系统不但能够实现高精度频率测量,还具有测量数据分析、处理、存储、图形化显示以及丰富的接口输出等功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 频率测量的历史和现状
• 1.2.1 测频方法的技术状况
• 1.2.2 国内外频率测量的研究现状
• 1.2.2.1 精密频率测量水平
• 1.2.2.2 测试技术的发展
• 1.3 本文的研究目的及意义
• 1.4 论文的结构安排
• 第二章 虚拟仪器技术
• 2.1 虚拟仪器的基本概念
• 2.2 虚拟仪器的结构
• 2.3 虚拟仪器的特点
• 2.4 虚拟仪器在频率测量中的应用
• 第三章 虚拟化差拍频率测量方案总体设计
• 3.1 传统的差拍测量法
• 3.1.1 传统差拍测量法的误差分析
• 3.2 虚拟化的差拍测量
• 3.3 虚拟化差拍频率测量计的设计
• 第四章 虚拟化差拍频率测量的软硬件设计
• 4.1 测量系统的总体结构
• 4.2 测量系统硬件部分设计
• 4.2.1 衰减器
• 4.2.2 差拍电路子系统
• 4.2.2.1 鉴相块
• 4.2.2.2 滤波电路的设计
• 4.2.2.3 放大电路的设计
• 4.2.3 数据采集子系统
• 4.2.3.1 DAQ 系统组成
• 4.2.3.2 信号接地测量技术噪声考虑
• 4.2.3.3 插卡式DAQ－PC16122
• 4.3 测量系统软件部分设计
• 4.3.1 测量软件系统结构
• 4.3.2 设备初始化模块设计
• 4.3.3 DAQ 数据采集模块设计
• 4.3.4 程序通信模块设计
• 4.3.5 数据处理模块
• 4.3.5.1 频率测量算法设计
• 4.3.5.2 相位差测量算法设计
• 4.3.6 软面板和仪器功能设计
• 第五章 虚拟化差拍频率测量测试结果分析
• 5.1 差拍测量测试比较
• 5.1.1 传统差拍法测量结果
• 5.1.2 虚拟化差拍测量结果
• 5.1.3 测试结果比较分析
• 5.2 影响虚拟化差拍测量精度因素
• 5.2.1 误差分析与抗干扰措施
• 5.2.1.1 频率的准确度和频率偏差
• 5.2.1.2 信号失真引入的噪声分析
• 5.2.1.3 采样率对测量精度的影响
• 5.2.1.4 采样误差的处理
• 5.2.1.5 采样字长对精度的影响
• 5.2.1.6 消除通道的附加误差
• 5.2.2 进一步提高测量精度的方法
• 5.2.3 虚拟化频率测量计总体测量精度
• 第六章 虚拟化频率计操作说明
• 6.1 设备连接说明
• 6.2 软件使用说明
• 结束语
• 参考文献
• 硕士期间发表的文章和研究成果
• 致谢