??? 摘 要: 對(duì)多周期同步測(cè)頻" title="測(cè)頻">測(cè)頻原理及誤差進(jìn)行分析,提出多周期完全同步測(cè)頻新方法并用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量方法,使頻率測(cè)量準(zhǔn)確度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí),并對(duì)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。
??? 關(guān)鍵詞: 頻率測(cè)量? 同步? 多周期? 單片機(jī)
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??? 頻率測(cè)量是電子測(cè)量中經(jīng)常遇到的問(wèn)題,如何提高頻率測(cè)量的準(zhǔn)確度是關(guān)鍵。通常采用的方法有低頻端測(cè)周高頻端測(cè)頻和多周期同步測(cè)量頻率。采用低頻端測(cè)周高頻端測(cè)頻時(shí)存在中界頻率測(cè)量誤差很大即測(cè)量死區(qū)問(wèn)題,也就是說(shuō)不論低端和高端測(cè)量準(zhǔn)確度有多高,中界頻率測(cè)量誤差總是最大。因此從理論上講頻率的測(cè)量準(zhǔn)確度很難提高到某個(gè)數(shù)量級(jí);多周期同步測(cè)頻法則不存在這樣的問(wèn)題,只要周期數(shù)足夠大,測(cè)量的準(zhǔn)確度總可以提高到一定程度。但多周期同步測(cè)量實(shí)際上只是對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行同步,對(duì)時(shí)鐘信號(hào)并未同步,因此它只是一種準(zhǔn)同步。本文根據(jù)多周期同步測(cè)頻原理及測(cè)量誤差,提出完全同步頻率測(cè)量的新方法,最后使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量,使測(cè)量頻率的準(zhǔn)確度大大提高。
1 多周期同步測(cè)頻原理及誤差分析
??? 多周期測(cè)頻是在測(cè)周的基礎(chǔ)上,在信號(hào)的多個(gè)時(shí)間周期內(nèi)測(cè)量信號(hào)的頻率。由于被測(cè)信號(hào)控制門(mén)控" title="門(mén)控">門(mén)控信號(hào)的開(kāi)啟,所以稱(chēng)為同步測(cè)量。由于測(cè)頻和測(cè)周都會(huì)產(chǎn)生±1誤差(計(jì)數(shù)脈沖和門(mén)控信號(hào)不同步而產(chǎn)生)和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差(所使用的晶振" title="晶振">晶振不穩(wěn)定引起),且±1誤差較標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差更大,多周期同步測(cè)頻也就是使測(cè)量的±1誤差盡可能小。測(cè)量原理如圖1所示。
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??? 被測(cè)信號(hào)fx和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號(hào)f0分別作為計(jì)數(shù)器A和B的計(jì)數(shù)脈沖,同步門(mén)信號(hào)作為主門(mén)A和B的門(mén)控信號(hào),而同步門(mén)信號(hào)由被測(cè)信號(hào)fx和時(shí)間控制器共同控制。被測(cè)信號(hào)作為同步門(mén)的觸發(fā)信號(hào),時(shí)間控制器控制同步門(mén)的預(yù)置時(shí)間T′。開(kāi)始測(cè)量時(shí),稍滯后的預(yù)置時(shí)間處于被測(cè)信號(hào)的某一周期低電平或高電平處,同步門(mén)尚未開(kāi)啟,這時(shí)被測(cè)信號(hào)和晶振脈沖信號(hào)都不會(huì)被計(jì)數(shù)。只有當(dāng)被測(cè)信號(hào)下一個(gè)周期的上升沿到達(dá)時(shí)同步門(mén)才開(kāi)啟(這里假定觸發(fā)器為上升沿觸發(fā)),被測(cè)信號(hào)和晶振脈沖信號(hào)才開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)時(shí)間控制器預(yù)置時(shí)間T′結(jié)束時(shí),同步門(mén)不會(huì)立即關(guān)閉,而是等到被測(cè)信號(hào)下一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)才關(guān)閉。這時(shí)計(jì)數(shù)器A和B都停止計(jì)數(shù),實(shí)際上同步門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間為T(mén)而不是T′。所以可以得到:
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?? ?其中:T為同步門(mén)控時(shí)間;fx(Tx)為被測(cè)信號(hào)頻率(周期);f0(T0)為標(biāo)準(zhǔn)晶振信號(hào)頻率(周期);M為計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)值;N為計(jì)數(shù)器B的計(jì)數(shù)值。
??? 根據(jù)誤差傳遞公式可以得到被測(cè)信號(hào)頻率的相對(duì)
?? ?其中:
A的計(jì)數(shù)相對(duì)誤差;
??? 由于計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)是在與被測(cè)信號(hào)相關(guān)的同步門(mén)T進(jìn)行的,被測(cè)信號(hào)又作為同步門(mén)的觸發(fā)信號(hào),且
為整數(shù),故被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)值M不存在計(jì)數(shù)誤差,即
所以稱(chēng)這種測(cè)量誤差與被測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān)的測(cè)量方法為同步測(cè)量。但由于晶振信號(hào)與門(mén)控信號(hào)不相關(guān),門(mén)B必會(huì)產(chǎn)生量化誤差,
M越大時(shí),N就越大,
所以進(jìn)行多周期測(cè)量能減小測(cè)量誤差。由此可見(jiàn),這種多周期同步測(cè)頻法較簡(jiǎn)單的測(cè)頻測(cè)周法能明顯提高測(cè)量的準(zhǔn)確度,而且測(cè)量誤差與被測(cè)信號(hào)頻率無(wú)關(guān),可以省去計(jì)算中界頻率和選擇測(cè)量模式;
級(jí)),所以這種測(cè)量模式對(duì)于要求10-7以上的高準(zhǔn)確度測(cè)量仍不能滿(mǎn)足需要,這種測(cè)量只能稱(chēng)作準(zhǔn)同步測(cè)量。
2 多周期完全同步測(cè)頻原理
??? 完全同步測(cè)量就是門(mén)控信號(hào)與被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號(hào)都相關(guān),測(cè)量開(kāi)始和結(jié)束時(shí)門(mén)控信號(hào)與被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號(hào)都同步,也就是門(mén)控時(shí)間既是被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍又是晶振信號(hào)周期的整數(shù)倍。這樣在門(mén)控時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號(hào)都沒(méi)有量化誤差,從而實(shí)現(xiàn)兩信號(hào)的完全雙同步。這里巧妙地利用相位檢測(cè)技術(shù)控制同步觸發(fā)即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩路信號(hào)在某點(diǎn)相位相同,經(jīng)過(guò)若干周期后它們?cè)谕幌辔稽c(diǎn)相位又相同,那么這段時(shí)間兩路信號(hào)一定都經(jīng)過(guò)整數(shù)個(gè)周期(但周期數(shù)不一定相同),用它作為同步門(mén)控時(shí)間控制兩個(gè)主門(mén)的開(kāi)啟,兩個(gè)計(jì)數(shù)器都不會(huì)產(chǎn)生±1誤差,從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的同步測(cè)量。測(cè)量原理如圖2所示。
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??? 被測(cè)信號(hào)和晶振信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后都加到相位檢測(cè)器" title="相位檢測(cè)器">相位檢測(cè)器;相位檢測(cè)器檢測(cè)到兩路信號(hào)都在某一相位點(diǎn)(零相位點(diǎn))時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),門(mén)控電路輸出高電平,主門(mén)A和B同時(shí)打開(kāi),計(jì)數(shù)器A和B同時(shí)計(jì)數(shù);經(jīng)過(guò)時(shí)間T后,相位檢測(cè)器又檢測(cè)到兩路信號(hào)到達(dá)同一相位點(diǎn),產(chǎn)生一觸發(fā)信號(hào),這時(shí)門(mén)控電路輸出低電平,主門(mén)A和B同時(shí)關(guān)閉,計(jì)數(shù)器A和B停止計(jì)數(shù)。由于相檢器是從兩路信號(hào)的同一零相位點(diǎn)開(kāi)始觸發(fā),另一個(gè)零相位點(diǎn)再次觸發(fā),兩次觸發(fā)的時(shí)間間隔與兩路信號(hào)都相關(guān),且是每路信號(hào)周期的整數(shù)倍。與前面的多周期測(cè)量一樣,T=
即被測(cè)信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度與晶振的頻穩(wěn)度相等。從理論上看,被測(cè)信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度可以達(dá)到10-11～10-12數(shù)量級(jí),這樣的測(cè)量準(zhǔn)確度比前面的多周期測(cè)量的準(zhǔn)確度高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。但實(shí)際上由于相位檢測(cè)器的過(guò)零檢測(cè)及門(mén)控電路的觸發(fā)都會(huì)產(chǎn)生誤差,實(shí)際測(cè)量的頻率準(zhǔn)確度會(huì)比理論值低,而且這種測(cè)量也是靠犧牲測(cè)量時(shí)間來(lái)提高測(cè)量準(zhǔn)確度,所以也不適宜快速測(cè)量。
3 多周期完全同步測(cè)頻在單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)" title="測(cè)量系統(tǒng)">測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)
??? 整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)由單片機(jī)、模擬電路和顯示電路組成。單片機(jī)在測(cè)量系統(tǒng)中主要完成定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算功能。測(cè)量開(kāi)始時(shí),經(jīng)過(guò)整形后的被測(cè)信號(hào)和晶振信號(hào)送到相位檢測(cè)器,當(dāng)它們都在第一個(gè)零相位點(diǎn)時(shí),檢測(cè)器將高電平送到單片機(jī),兩計(jì)數(shù)器同時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)兩路信號(hào)第二個(gè)零相位點(diǎn)到來(lái)時(shí),檢測(cè)器將低電平送到單片機(jī),計(jì)數(shù)器都停止計(jì)數(shù)。將兩個(gè)計(jì)數(shù)值經(jīng)過(guò)運(yùn)算后由顯示器顯示。測(cè)量原理框圖如圖3所示。軟件流程圖如圖4所示。
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??? 在測(cè)量過(guò)程中要用到一個(gè)定時(shí)器和兩個(gè)計(jì)數(shù)器,定時(shí)器受相位檢測(cè)器的控制。當(dāng)相位檢測(cè)器檢測(cè)到兩路信號(hào)都為零相位時(shí),產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí);當(dāng)相位檢測(cè)器再次檢測(cè)到兩路信號(hào)的相位又都為零時(shí),產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,定時(shí)器停止計(jì)時(shí)。與此同時(shí),兩計(jì)數(shù)器分別在定時(shí)器計(jì)時(shí)期間對(duì)被測(cè)信號(hào)及晶振信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),將計(jì)數(shù)結(jié)果送運(yùn)算器運(yùn)算(由軟件編程進(jìn)行)。最后由顯示器顯示測(cè)量結(jié)果。由于測(cè)量準(zhǔn)確度較高,顯示器的位數(shù)也要適當(dāng)增加。
4 實(shí)際應(yīng)用及分析
??? 根據(jù)上述設(shè)計(jì)情況,將這個(gè)頻率測(cè)量系統(tǒng)用三個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測(cè):一是對(duì)中央電視臺(tái)同步信號(hào)系統(tǒng)的頻率基準(zhǔn)(4.43361875MHz)進(jìn)行測(cè)量,其頻率準(zhǔn)確度高于5×10-12,選用雙恒溫晶振的頻穩(wěn)度為1×10-11,測(cè)量時(shí)最后一位數(shù)字在變化,整個(gè)系統(tǒng)的頻率準(zhǔn)確度達(dá)2×10-9;二是對(duì)某雷達(dá)信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量,測(cè)得其頻率為8988.67436MHz,最后一位有3個(gè)字的變化,頻率準(zhǔn)確度為3×10-9;三是對(duì)晶振信號(hào)進(jìn)行二分頻信號(hào)測(cè)量得到20.00000006MHz,最后一位有3個(gè)字的變化,頻率準(zhǔn)確度為3×10-10。從測(cè)量結(jié)果看,整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)并不能使頻率測(cè)量準(zhǔn)確度與晶振的頻穩(wěn)度在同一個(gè)數(shù)量級(jí),而是有近兩個(gè)數(shù)量級(jí)的差距。主要是由于相檢器觸發(fā)產(chǎn)生的觸發(fā)誤差及系統(tǒng)響應(yīng)引起的響應(yīng)誤差等。但這個(gè)測(cè)頻系統(tǒng)比通常的多周期同步測(cè)量系統(tǒng)(測(cè)量頻率準(zhǔn)確度可達(dá)10-6數(shù)量級(jí))測(cè)量準(zhǔn)確度要高出三個(gè)數(shù)量級(jí)。
??? 通過(guò)對(duì)多周期同步測(cè)頻法的分析,提出了多周期完全同步測(cè)頻法的設(shè)計(jì)方法,最后用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)這種方法,使頻率測(cè)量的準(zhǔn)確度由原來(lái)的10-6數(shù)量級(jí)提高到10-9數(shù)量級(jí)。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,軟件設(shè)計(jì)也很容易,可以得到較好的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
1 蔣煥文.電子測(cè)量[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,1996
2 曹巧媛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002