基于單片機(jī)的多周期完全同步測頻技術(shù)
頻率測量是電子測量中經(jīng)常遇到的問題，如何提高頻率測量的準(zhǔn)確度是關(guān)鍵。通常采用的方法有低頻端測周高頻端測頻和多周期同步測量頻率。采用低頻端測周高頻端測頻時存在中界頻率測量誤差很大即測量死區(qū)問題，也就是說不論低端和高端測量準(zhǔn)確度有多高，中界頻率測量誤差總是最大。因此從理論上講頻率的測量準(zhǔn)確度很難提高到某個數(shù)量級；多周期同步測頻法則不存在這樣的問題，只要周期數(shù)足夠大，測量的準(zhǔn)確度總可以提高到一定程度。但多周期同步測量實(shí)際上只是對被測信號進(jìn)行同步，對時鐘信號并未同步，因此它只是一種準(zhǔn)同步。本文根據(jù)多周期同步測頻原理及測量誤差，提出完全同步頻率測量的新方法，最后使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)這種測量，使測量頻率的準(zhǔn)確度大大提高。
1 多周期同步測頻原理及誤差分析
多周期測頻是在測周的基礎(chǔ)上，在信號的多個時間周期內(nèi)測量信號的頻率。由于被測信號控制門控信號的開啟，所以稱為同步測量。由于測頻和測周都會產(chǎn)生±1誤差(計(jì)數(shù)脈沖和門控信號不同步而產(chǎn)生)和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差(所使用的晶振不穩(wěn)定引起)，且±1誤差較標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差更大，多周期同步測頻也就是使測量的引誤差盡可能小。測量原理如圖1所示。
被測信號fx和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號f0分別作為計(jì)數(shù)器A和B的計(jì)數(shù)脈沖，同步門信號作為主門A和B的門控信號，而同步門信號由被測信號fx和時間控制器共同控制。被測信號作為同步門的觸發(fā)信號，時間控制器控制同步門的預(yù)置時間Tˊ。開始測量時，稍滯后的預(yù)置時間處于被測信號的某一周期低電子或高電子處，同步門尚未開啟，這時被測信號和晶振脈沖信號都不會被計(jì)數(shù)。只有當(dāng)被測信號下一個周期的上升沿到達(dá)時同步門才開啟(這里假定觸發(fā)器為上升沿觸發(fā))，被測信號和晶振脈沖信號才開始計(jì)數(shù)。當(dāng)時間控制器預(yù)置時間了，結(jié)束時，同步門不會立即關(guān)閉，而是等到被測信號下一個上升沿到來時才關(guān)閉。這時計(jì)數(shù)器A和B都停止計(jì)數(shù)，實(shí)際上同步門的開啟時間為T而不是Tˊ。所以可以得到：
其中：T為同步門控時間；fx（Tx）為被測信號頻率(周期)；f0(T0)為標(biāo)準(zhǔn)晶振信號頻率(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信號頻率的相對誤差
其中：△f0/ f0為標(biāo)準(zhǔn)晶振的頻率準(zhǔn)確度；△M/M為計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)相對誤差；△N/N為計(jì)數(shù)器B的計(jì)數(shù)相對誤差。
由于計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)是在與被測信號相關(guān)的同步門T進(jìn)行的，被測信號又作為同步門的觸發(fā)信號，且T/Tx為整數(shù)，故被測信號的計(jì)數(shù)值M不存在計(jì)數(shù)誤差，即△M/M =0。所以稱這種測量誤差與被測信號無關(guān)的測量方法為同步測量。但由于晶振信號與門控信號不相關(guān)，門B必會產(chǎn)生量化誤差，所以△N ±1。而N=T/T0=M Tx/T0，M越大時，N就越大，△N/N就越小減，所以進(jìn)行多周期測量能小測量誤差。由此可見，這種多周期同步測頻法較簡單的測頻測周法能明顯提高測量的準(zhǔn)確度，而且測量誤差與被測信號頻率無關(guān)，可以省去計(jì)算中界頻率和選擇測量模式；但由于△N/N 的存在，而且︱△N/N︱也遠(yuǎn)大于︱△f0/ f︱ (目前雙恒溫晶振的頻穩(wěn)度可達(dá)10-11~10-12數(shù)量級)，所以這種測量模式對于要求10-7以上的高準(zhǔn)確度測量仍不能滿足需要，這種測量只能稱作準(zhǔn)同步測量。
2多周期完全同步測頻原理
完全同步測量就是門控信號與被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都相關(guān)，測量開始和結(jié)束時門控信號與被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都同步，也就是門控時間既是被測信號周期的整數(shù)倍又是晶振信號周期的整數(shù)倍。這樣在門控時間內(nèi)被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都沒有量化誤差，從而實(shí)現(xiàn)兩信號的完全雙同步。這里巧妙地利用相位檢測技術(shù)控制同步觸發(fā)即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩路信號在某點(diǎn)相位相同，經(jīng)過若干周期后它們在同一相位點(diǎn)相位又相同，那么這段時間兩路信號一定都經(jīng)過整數(shù)個周期(但周期數(shù)不一定相同)，用．它作為同步門控時間控制兩個主門的開啟，兩個計(jì)數(shù)器都不會產(chǎn)生±1誤差，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的同步測量。測量原理如圖2所示。
被測信號和晶振信號經(jīng)過整形后都加到相位檢測器；相位檢測器檢測到兩路信號都在某一相位點(diǎn)(零相位點(diǎn))時產(chǎn)生觸發(fā)信號，門控電路輸出高電平，主門A和B同時打開，計(jì)數(shù)器A和B同時計(jì)數(shù)；經(jīng)過時間了
3多周期完全同步測頻在單片機(jī)測量系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)
整個測量系統(tǒng)由單片機(jī)、模擬電路和顯示電路組成。單片機(jī)在測量系統(tǒng)中主要完成定時、計(jì)數(shù)和運(yùn)算功能。測量開始時，經(jīng)過整形后的被測信號和晶振信號送到相位檢測器，當(dāng)它們都在第一個零相位點(diǎn)時，檢測器將高電子送到單片機(jī)，兩計(jì)數(shù)器同時開始計(jì)數(shù)。當(dāng)兩路信號第二個零相位點(diǎn)到來時，檢測器將低電平送到單片機(jī)，計(jì)數(shù)器都停止計(jì)數(shù)。將兩個計(jì)數(shù)值經(jīng)過運(yùn)算后由顯示器顯示。測量原理框圖如圖3所示。軟件流程圖如圖4所示。
在測量過程中要用到一個定時器和兩個計(jì)數(shù)器，定時器受相位檢測器的控制。當(dāng)相位檢測器檢測到兩路信號都為零相位時，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，定時器開始計(jì)時；當(dāng)相位檢測器再次檢測到兩路信號的相位又都為零時，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，定時器停止計(jì)時。與此同時，兩計(jì)數(shù)器分別在定時器計(jì)時期間對被測信號及晶振信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，將汁數(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量結(jié)果。由于測量準(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，將這個頻率測量系統(tǒng)用三個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測：一是對中央電視臺同步信號系統(tǒng)的頻率基準(zhǔn)(4．43361875MHz)進(jìn)行測量，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，測量時最后一位數(shù)字在變化，整個系統(tǒng)的頻率準(zhǔn)確度達(dá)2×10-9；二是對某雷達(dá)信號的頻率進(jìn)行測量，測得其頻率為8988．67436MHz，最后一位有3個字的變化，頻率準(zhǔn)確度為3×10-9；三是對晶振信號進(jìn)行二分頻信號測量得到20．00000006MHz，最后一位有3個字的變化，頻率準(zhǔn)確度為3×10-10。從測量結(jié)果看，整個測量系統(tǒng)并不能使頻率測量準(zhǔn)確度與晶振的頻穩(wěn)度在同一個數(shù)量級，而是有近兩個數(shù)量級的差距。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。但這個測頻系統(tǒng)比通常的多周期同步測量系統(tǒng)(測量頻率準(zhǔn)確度可達(dá)10-6數(shù)量級)測量準(zhǔn)確度要高出三個數(shù)量級。
通過對多周期同步測頻法的分析，提出了多周期完全同步測頻法的設(shè)計(jì)方法，最后用單片機(jī)實(shí)殲這種方法，使頻率測量的準(zhǔn)確度由原來的10-6數(shù)量級提高到10-9數(shù)量級。整個測量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)較簡單，軟件設(shè)計(jì)也很容易，可以得到較好的應(yīng)用。
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