等精度频率计的设计.docVIP

PAGE \* MERGEFORMAT 1 前言 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片微机的出现和发展，使传统的电 子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，形成一种完全突 破传统概念的新一代测量仪器。频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路，使仪器 在小型化、耗电、可靠性等方面都发生了重大的变化。传统的频率计测量误差较大，等精度 频率计以其测量准确、精度高、方便等优势将得到广泛的应用。 传统的测频方法有直接测频法和测周法[1]，在一定的闸门时间内计数，门控信号和被测 信号不同步，计数值会产生一个脉冲的误差。等精度测频法采用门控信号和被测信号同步， 消除对被测信号计数产生的一个脉冲的误差。等精度频率测量方法消除了量化误差，可以在 整个测试频段内保持高精度不变，其精度不会因被测信号频率的高低而发生变化。采用单片 机作为控制核心的等精度频率计，可以充分利用单片机软件编程技术实现等精度测频。通过 单片机对同步门的控制，使被测信号和标准信号在闸门时间内同步测量，为了提高精度，将 电子计数功能转为测周期，采用多周期同步测量技术，实现等精度测量。 一． 等精度频率计的测量原理 1.1等精度频率计的测量原理 基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的变化而变化。传统的直接测 频法其测量精度将随被测信号频率的降低而降低，测周法的测量精度将随被测信号频率的升 高而降低，在实用中有较大的局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，而且在整 个频率区域能保持恒定的测试精度。 等精度频率的测量原理图1 所示[2]。频率为fx 的被测信号经通道滤波、放大、整形后 输入到同步门控制电路和主门1（闸门），晶体振荡器的输出信号作为标准信号（时基信号） 输入到主门2。被测信号在同步控制门的作用下，产生一个与被测信号同步的闸门信号，被 测信号与标准信号（时基信号）在同步门控制信号的控制下。在同步门打开时通过同步门分 别输入到事件计数器和时间计数器的信号输入端，计数器开始计数。同步门关闭时信号不能 通过主门，计数器停止计数，单片机发出命令读入计数器的数值，并进行数据处理，将处理 后的结果送显示。 等精度频率测量方法是采用多周期同步测量。如图1的测量原理图所示由单片机发出预 置门控信号GATE，GATE的时间宽度对测频精度影响较少，可以在较大的范围内选择，即 在高频段时，闸门时间较短；低频时闸门时间较长。实现了全范围等精度测量，减少了低频 测量的误差。 在同步门的控制下，一方面保证了被测信号和时基信号的同步测量；另一方面在同步门 打开后计数器并不是马上计数，而是在被测信号的下一个上升沿开始计数，同步门关闭后计 数器也不是马上停止计数，而是在被测信号的下一个上升沿停止计数。即在实际闸门时间计 数，从而提高了测量精度。 由于采用D 触发器实现的同步门的同步作用，事件计数器所记录的Nx 值已不存在误差 的影响，但由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，时间计数器所记录的N0 的值 仍存在±1 误差的影响，只是由于时钟频率很高，误差的影响很小。所以在全频段的测量精 度是均衡的,从而实现等精度频率测量。 1．2 等精度频率计计数测量误差 由上述测量原理可知，公式 fx=f0×Nx/N0 成立。设所测频率的准确值为f x0。在一次测量 中，由于fx 计数的起停时间是由该信号的上升沿控制的，因此，在T 时间内对fx 的计数NX 无误差。在此时间内f0 的计数N0 最多相差一个脉冲，即△N0 ≤±l，则下式成立： fx/Nx = f0/N0 （1） fx0/NX = f0/(N0+△N0) （2） 由此可分别推得： fx= (f0/N0)×Nx （3） fx0=[f0/(N0+△N0)]×Nx （4） 根据相对误差公式有： △f x0/f x0=︱f x0-fx︱/f x0 （5） 将式(3)和式(4)代人式(5)整理后可得：△f x0/f x0=︱△N0︱/N0 （6） 因为 ︱△N0︱≤l （7） 所以 ︱△N0︱/N0≤1/N0 （8） 即相对误差： ︱ δ f︱=△f x0/f x0≤1/N0 （9） 其中： N0 = T×f0 （10） 由此可知, 增大Tp 或提高fx，可以增大Nx，减少测量误差，提高测量精度；相对测量 误差与被测信号频率的大小无关，仅与取样时间及时基信号（标准信号）频率有关，可以实 现被测频带内的等精度测量；取样时间越长，时基信号频率越高，分辨率越高。 二． 等精度测频的硬件电路设计及测量过程 2．1 硬件电路设计 等精度测频的硬件电路如图2 所示[3] [4]，其主要由以下几部分组成：单片机控制部分、 同步门控制电路、计数和键盘与显示电路。单片机控制部分主要完成测量过程的控制、测量 结果