基于單片機(jī)的多周期完全同步測頻技術(shù)
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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(shí)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(gè)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(shí)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(gè)時(shí)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(huì)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(shí)間控制器共同控制。被測信號作為同步門的觸發(fā)信號，時(shí)間控制器控制同步門的預(yù)置時(shí)間T@。開始測量時(shí)，稍滯后的預(yù)置時(shí)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(shí)被測信號和晶振脈沖信號都不會(huì)被計(jì)數(shù)。只有當(dāng)被測信號下一個(gè)周期的上升沿到達(dá)時(shí)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(shí)間控制器預(yù)置時(shí)間了，結(jié)束時(shí)，同步門不會(huì)立即關(guān)閉，而是等到被測信號下一個(gè)上升沿到來時(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)際上同步門的開啟時(shí)間為T而不是T@。所以可以得到：
其中：T為同步門控時(shí)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(huì)產(chǎn)生量化誤差，所以△N 1。而N=T/T0=M Tx/T0，M越大時(shí)，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，而且頡N/N蛞蒼洞笥訐頡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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間兩路信號一定都經(jīng)過整數(shù)個(gè)周期(但周期數(shù)不一定相同)，用．它作為同步門控時(shí)間控制兩個(gè)主門的開啟，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(shí)產(chǎn)生觸發(fā)信號，門控電路輸出高電平，主門A和B同時(shí)打開，計(jì)數(shù)器A和B同時(shí)計(jì)數(shù)；經(jīng)過時(shí)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(gè)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(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算功能。測量開始時(shí)，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(gè)零相位點(diǎn)時(shí)，檢測器將高電子送到單片機(jī)，兩計(jì)數(shù)器同時(shí)開始計(jì)數(shù)。當(dāng)兩路信號第二個(gè)零相位點(diǎn)到來時(shí)，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(gè)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(gè)定時(shí)器和兩個(gè)計(jì)數(shù)器，定時(shí)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(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)；當(dāng)相位檢測器再次檢測到兩路信號的相位又都為零時(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(gè)頻率測量系統(tǒng)用三個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測：一是對中央電視臺(tái)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510-12，選用雙恒溫晶振的頻穩(wěn)度為110-11，測量時(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)210-9；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(gè)字的變化，頻率準(zhǔn)確度為310-9；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(gè)字的變化，頻率準(zhǔn)確度為310-10。從測量結(jié)果看，整個(gè)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(gè)數(shù)量級，而是有近兩個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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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