基于單片機的多周期完全同步測頻技術(shù)
加入技術(shù)交流群
頻率測量是電子測量中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，如何提高頻率測量的準確度是關(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問(wèn)題，也就是說(shuō)不論低端和高端測量準確度有多高，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確度很難提高到某個(gè)數量級；多周期同步測頻法則不存在這樣的問(wèn)題，只要周期數足夠大，測量的準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，因此它只是一種準同步。本文根據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，最后使用單片機實(shí)現這種測量，使測量頻率的準確度大大提高。
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上，在信號的多個(gè)時(shí)間周期內測量信號的頻率。由于被測信號控制門(mén)控信號的開(kāi)啟，所以稱(chēng)為同步測量。由于測頻和測周都會(huì )產(chǎn)生1誤差(計數脈沖和門(mén)控信號不同步而產(chǎn)生)和標準頻率誤差(所使用的晶振不穩定引起)，且1誤差較標準頻率誤差更大，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和標準晶振信號f0分別作為計數器A和B的計數脈沖，同步門(mén)信號作為主門(mén)A和B的門(mén)控信號，而同步門(mén)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(mén)的觸發(fā)信號，時(shí)間控制器控制同步門(mén)的預置時(shí)間T@。開(kāi)始測量時(shí)，稍滯后的預置時(shí)間處于被測信號的某一周期低電子或高電子處，同步門(mén)尚未開(kāi)啟，這時(shí)被測信號和晶振脈沖信號都不會(huì )被計數。只有當被測信號下一個(gè)周期的上升沿到達時(shí)同步門(mén)才開(kāi)啟(這里假定觸發(fā)器為上升沿觸發(fā))，被測信號和晶振脈沖信號才開(kāi)始計數。當時(shí)間控制器預置時(shí)間了，結束時(shí)，同步門(mén)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(lái)時(shí)才關(guān)閉。這時(shí)計數器A和B都停止計數，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：
其中：T為同步門(mén)控時(shí)間；fx（Tx）為被測信號頻率(周期)；f0(T0)為標準晶振信號頻率(周期)；M為計數器A的計數值；N為計數器B的計數值。
根據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為標準晶振的頻率準確度；△M/M為計數器A的計數相對誤差；△N/N為計數器B的計數相對誤差。
由于計數器A的計數是在與被測信號相關(guān)的同步門(mén)T進(jìn)行的，被測信號又作為同步門(mén)的觸發(fā)信號，且T/Tx為整數，故被測信號的計數值M不存在計數誤差，即△M/M =0。所以稱(chēng)這種測量誤差與被測信號無(wú)關(guān)的測量方法為同步測量。但由于晶振信號與門(mén)控信號不相關(guān)，門(mén)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(jiàn)，這種多周期同步測頻法較簡(jiǎn)單的測頻測周法能明顯提高測量的準確度，而且測量誤差與被測信號頻率無(wú)關(guān)，可以省去計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度可達10-11~10-12數量級)，所以這種測量模式對于要求10-7以上的高準確度測量仍不能滿(mǎn)足需要，這種測量只能稱(chēng)作準同步測量。
2多周期完全同步測頻原理
完全同步測量就是門(mén)控信號與被測信號和標準晶振信號都相關(guān)，測量開(kāi)始和結束時(shí)門(mén)控信號與被測信號和標準晶振信號都同步，也就是門(mén)控時(shí)間既是被測信號周期的整數倍又是晶振信號周期的整數倍。這樣在門(mén)控時(shí)間內被測信號和標準晶振信號都沒(méi)有量化誤差，從而實(shí)現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。當兩路信號在某點(diǎn)相位相同，經(jīng)過(guò)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(guò)整數個(gè)周期(但周期數不一定相同)，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)計數器都不會(huì )產(chǎn)生1誤差，從而實(shí)現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(guò)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(mén)控電路輸出高電平，主門(mén)A和B同時(shí)打開(kāi)，計數器A和B同時(shí)計數；經(jīng)過(guò)時(shí)間了
3多周期完全同步測頻在單片機測量系統中的實(shí)現
整個(gè)測量系統由單片機、模擬電路和顯示電路組成。單片機在測量系統中主要完成定時(shí)、計數和運算功能。測量開(kāi)始時(shí)，經(jīng)過(guò)整形后的被測信號和晶振信號送到相位檢測器，當它們都在第一個(gè)零相位點(diǎn)時(shí)，檢測器將高電子送到單片機，兩計數器同時(shí)開(kāi)始計數。當兩路信號第二個(gè)零相位點(diǎn)到來(lái)時(shí)，檢測器將低電平送到單片機，計數器都停止計數。將兩個(gè)計數值經(jīng)過(guò)運算后由顯示器顯示。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(guò)程中要用到一個(gè)定時(shí)器和兩個(gè)計數器，定時(shí)器受相位檢測器的控制。當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(kāi)始計時(shí)；當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)器停止計時(shí)。與此同時(shí)，兩計數器分別在定時(shí)器計時(shí)期間對被測信號及晶振信號進(jìn)行計數，將汁數結果送運算器運算(由軟件編程進(jìn)行)。最后由顯示器顯示測量結果。由于測量準確度較高，顯示器的位數也要適當增加。
4實(shí)際應用及分析
根據-上述設計情況，將這個(gè)頻率測量系統用三個(gè)實(shí)驗進(jìn)行實(shí)測：一是對中央電視臺同步信號系統的頻率基準(4．43361875MHz)進(jìn)行測量，其頻率準確度高于510-12，選用雙恒溫晶振的頻穩度為110-11，測量時(shí)最后一位數字在變化，整個(gè)系統的頻率準確度達210-9；二是對某雷達信號的頻率進(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，頻率準確度為310-10。從測量結果看，整個(gè)測量系統并不能使頻率測量準確度與晶振的頻穩度在同一個(gè)數量級，而是有近兩個(gè)數量級的差距。主要是由于相檢器觸發(fā)產(chǎn)生的觸發(fā)誤差及系統響應引起的響應誤差等。但這個(gè)測頻系統比通常的多周期同步測量系統(測量頻率準確度可達10-6數量級)測量準確度要高出三個(gè)數量級。
通過(guò)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計方法，最后用單片機實(shí)殲這種方法，使頻率測量的準確度由原來(lái)的10-6數量級提高到10-9數量級。整個(gè)測量系統電路結構較簡(jiǎn)單，軟件設計也很容易，可以得到較好的應用。
評論