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一種高性?xún)r(jià)比等精度數字頻率計方案設計
作者：
時(shí)間：2010-02-03
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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引言
頻率的概念就是1 s時(shí)間內被測信號的周期個(gè)數，最直接的測量方法就是單位時(shí)間內計數法，這種方法比較適合高頻測量。低頻通常用測周期法。這兩種方法的測量精度不固定，與被測信號的范圍相關(guān)。
等精度頻率測量法融合以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，可兼顧低頻與高頻信號；但較以上兩種方法而言，等精度頻率測量有較高的測量精度，且誤差不會(huì )隨著(zhù)被測信號頻率的改變而改變。
1等精度頻率測量原理
等精度頻率測量原理框圖如圖1所示。圖中計數器是帶使能控制的32位計數器，EN是計數允許使能信號，高電平允許計數。計數器1對基準時(shí)鐘信號fb計數，計數器2對被測信號fx計數。D觸發(fā)器實(shí)現對被測信號fx上升沿檢測，實(shí)現門(mén)控信號與fx上升沿同步，從而保證計數器2對被測信號計數剛好為整數個(gè)周期，零誤差。
測量過(guò)程控制時(shí)序波形如圖2所示。測量開(kāi)始，t0時(shí)刻MCU發(fā)出一個(gè)清零信號Clr，使計數器和D觸發(fā)器置0；t1時(shí)刻MCU發(fā)出測量啟動(dòng)信號Gate，使D觸發(fā)器輸人D為高電平；在被測信號fb上升沿到來(lái)t2時(shí)刻，D觸發(fā)器Q端才被置1，使計數器1和計數器2的EN同時(shí)為1，計數器開(kāi)始計數，系統進(jìn)入計數允許周期。這時(shí)，計數器1和2分別對基準時(shí)鐘信號和被測信號同時(shí)計數。一段時(shí)間過(guò)后，t3時(shí)刻MCU發(fā)出停止信號，即D觸發(fā)器輸入D為低電平，但此時(shí)計數器仍然沒(méi)有停止計數，直到下一個(gè)被測信號的上升沿t4時(shí)刻到來(lái)時(shí)，D觸發(fā)器Q輸出0將這2個(gè)計數器同時(shí)關(guān)閉。
由圖2可見(jiàn)，Gate的寬度Tc和發(fā)生的時(shí)間都不會(huì )直接影響計數使能信號EN，EN總是在被測信號fx上升沿改變，從而保證了被測信號被計數的周期總是整數個(gè)周期nTx，而與被測信號的頻率無(wú)關(guān)。正確理解這點(diǎn)，是理解等精度頻率測量的關(guān)鍵。由于測量過(guò)程中不能保證基準時(shí)鐘周期的完整性，還會(huì )引入測量誤差。這種隨機誤差dt最多只有基準時(shí)鐘fb信號的一個(gè)時(shí)鐘周期。由于fb的信號通常由高穩定度的高頻晶體振蕩器發(fā)出，任何時(shí)刻的絕對測量誤差只有1／N1。例如，對于門(mén)控信號接近1 s的測量過(guò)程，fb取100 MHz的晶振，最大誤差可以達到10-8。
2方案設計
2.1系統方案
單片機定時(shí)器／計數器電路如圖3所示。當C／T=0，TR=1，GATE=1時(shí)，單片機內部計數器時(shí)鐘開(kāi)關(guān)可受外部引腳INTn控制，這樣就可以實(shí)現單片機內部計數器與外部計數器同步開(kāi)關(guān)。
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