一種基于自適應分頻的頻率測量方法及其實(shí)現

在電子測量中，頻率是最基本的測量量之一。目前采用比較廣泛的是等精度測頻法（多周期同步測量法）這種方法具有測量精度高、測量精度不隨被測信號的變化而變化的特點(diǎn)。但這種方法需要的硬件開(kāi)銷(xiāo)大，且同步電路結構復雜，易造成誤觸發(fā)，可靠性不高。本文針對等精度測頻法的不足，采用自適應的分頻方法對被測信號進(jìn)行連續分頻，從而產(chǎn)生可靠的閘門(mén)控制信號，簡(jiǎn)化了電路的結構；同時(shí)根據實(shí)際需要，在設計中加入了頻率信號的預處理電路，并結合pc104總線(xiàn)以及fpga等技術(shù)，實(shí)現了對頻率信號寬范圍、高速度、高精度的測量。該系統作為某型號計量校準裝置的一部分，已很好地應用于實(shí)際使用中。

1 等精度測頻原理及其改進(jìn)

等精度測頻是在直接測頻的基礎上發(fā)展而來(lái)的。等精度測頻的最大特點(diǎn)就是在整個(gè)頻率范圍內都能達到同樣的測量精度，且與被測信號頻率大小無(wú)關(guān)。其基本原理如圖1所示。

在測量過(guò)程中，預置閘門(mén)信號的上升沿啟動(dòng)測量過(guò)程，但此時(shí)對被測信號計數的計數器1和對基準時(shí)鐘計數的計數器2并沒(méi)有開(kāi)始計數。預置閘門(mén)信號變?yōu)楦唠娖胶?，被測信號的第一個(gè)上升沿使得實(shí)際閘門(mén)信號變?yōu)楦唠娖接行盘?，計數?和2開(kāi)始計數。當預置閘門(mén)信號變?yōu)榈碗娖叫盘枙r(shí)，計數器1和2并沒(méi)有立即停止計數，而是要等到緊接在其后的被測信號的上升沿到來(lái)時(shí)，實(shí)際閘門(mén)信號變?yōu)榈碗娖綗o(wú)效信號時(shí)才停止計數。若記計數器1的計數值為n1，計數器2的計數值為n2，基準頻率為f0，被測頻率為fx，則有fx=f0?n2/n1。

等精度測頻方法除了需要兩個(gè)計數器分別對被測信號和基準時(shí)鐘進(jìn)行計數外，還需要附加一個(gè)額外的計數器來(lái)產(chǎn)生預置閘門(mén)控制信號，而且由于預置閘門(mén)控制信號的引入，增加了同步電路的復雜度。當被測信號頻率較高時(shí)，被測信號的上升沿和預置閘門(mén)信號的下降沿可能會(huì )出現競爭冒險的問(wèn)題，從而造成誤觸發(fā)，影響了測量精度，降低了系統的可靠性。

針對這一問(wèn)題，改進(jìn)以后的等精度測頻原理如圖2所示。

其工作過(guò)程分為精測和精測兩步。精測時(shí)，將被測信號的預分頻數設置為2，對其進(jìn)行分頻，分頻后信號的上升沿啟動(dòng)計數器1對基準頻率進(jìn)行計數，其后緊接著(zhù)的下降沿啟動(dòng)計數器1對基準頻率進(jìn)行計數，其后緊接著(zhù)的下降沿使計數停止，根據計數值的大小估算出被測信號的頻率。精測時(shí)，根據此前估算的頻率和預選設定的測量時(shí)間，調整被測信號的預分頻數（譬如預先設定的測量時(shí)間為1s，估計的被測信號頻率為6000hz，那么調整后預分頻數為1/（1/6000）=6000），再重復對基準頻率的計數過(guò)程，完成頻率測量。

這種改進(jìn)既實(shí)現了等精度測量的基本思路——被測信號的測量時(shí)間為整數個(gè)周期，又可根據被測信號頻率的不同，自動(dòng)調整被信號的預分頻數，直接利用分頻后的信號作為控制信號。這樣就將會(huì )對被測信號的計數和分頻合二為一，從而簡(jiǎn)化了電路結構，減少了硬件開(kāi)銷(xiāo)，避免了誤觸發(fā)，提高了測量系統的可靠性，達到了寬范圍、等精度測量的要求。

2 誤差分析

設被測信號頻率為fx，基準信號頻率為f0，對基準信號頻率的計數值為n0，精測時(shí)被測信號的分頻數為nx，則依據改進(jìn)后的等精度測頻原理，被測信號頻率fx=2?f0?nx/n0。

測量結果的相對不確定度為：

預分頻數nx不存在±1誤差，所以根號中的第二頻為0；在實(shí)際中，采用高穩晶振，其相對不確定度可達1×10 -7；而由于采用對被測頻率連續進(jìn)行分頻，使閘門(mén)時(shí)間足夠長(cháng)（如1s），這樣填充的基準脈沖數可達10 7，n0的最大誤差就是±1，所以n0的相對不確定度也可達到1×10 -7。綜合起來(lái)，頻率測量結果的相對不確定度可達10 -7數量級，實(shí)現了高精度測量。同時(shí)對于頻率越低的信號，n0會(huì )越大，其相對不確定度會(huì )更小，但由于晶振的相對不確定性的影響，它仍然只能達到10 -7數量級，要想進(jìn)一步提高測量精度，就必須使用更高精度的晶振。

3 硬件設計

測頻系統的硬件設計如圖3所示。

作為一個(gè)實(shí)際的頻率校頻系數，測量的頻率信號不僅有標準的ttl電平信號，也有正弦信號以及需要隔離的頻率信號，所以在測頻系數時(shí)，對不同類(lèi)型的頻率信號進(jìn)行處理（光電隔離、滯回比較、信號整型等），這樣便使整個(gè)測頻系統能夠得到廣泛的應用。

pc104嵌入式處理器具有體積小、集成度高、可靠性高、功耗低、便于攜帶等特點(diǎn)，可作為測頻系統的控制器，完成頻率測量的控制和運算任務(wù)。

現場(chǎng)可編程門(mén)陣列fpga由于具有集成度高、高速度和高穩定性的特點(diǎn)，而被廣泛應用到數字邏輯電路的設計中。本測頻系統的核心就是一塊fpga芯片——altera公司的epf10k10，所有的邏輯模塊均在fpga中實(shí)現。

測頻工作原理如下：由四選一選擇開(kāi)關(guān)選擇一路信號作為當前的測量通道；被測信號進(jìn)入分頻模塊，按預置分頻數進(jìn)行分頻；分頻后的信號通過(guò)閘門(mén)信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生閘門(mén)控制信號，當閘門(mén)控制信號為高電平有效信號時(shí)，基準時(shí)鐘被測量計數器模塊計數；測量停止后，產(chǎn)生相應的停止標志位和溢出標志位，以供軟件進(jìn)行查詢(xún)；當軟件查詢(xún)到測量停止時(shí)，讀取計數器數值，計算后得到頻率值。

4 軟件設計

根據測頻過(guò)程的思考，可編寫(xiě)相應的軟件。測頻程度流程圖如圖4所示。

本文設計的等精度測頻系統，從原理上對傳統的等精度測頻方法進(jìn)行了一些改進(jìn)，采用自適應分頻方法，簡(jiǎn)化了電路結構，提高了系統可靠性；測量精度可達10 -7數量級，測量范圍從0.1hz到50mhz，實(shí)現了高精度、寬范圍的測量。而在實(shí)際設計中，通過(guò)使用pc104總線(xiàn)和fpga芯片等技術(shù)，使整個(gè)系統具有體積小、功耗低、便于攜帶等特點(diǎn)，可以方便地應用到野外條件下的頻率測量和校準中。