一種全同步數字頻率測量方法的研究

摘要：在頻率測量過(guò)程中，%26;#177;1個(gè)計數誤差通常是限制頻率測量精度進(jìn)一步提高的重要原因。在分析%26;#177;個(gè)計數誤差產(chǎn)生原因的基礎上，提出了一種利用被測信號、時(shí)鐘基準和測量門(mén)限相位的全同步來(lái)消除計數誤差的頻率測量方法，給出了基于FPGA實(shí)現上述測量方法的實(shí)驗原型和實(shí)驗對比結果。 關(guān)鍵詞：相位同步 頻率測量 FPGA 頻率測量是電子測量技術(shù)中最基本的測量之一。工程中很多測量，如用振弦式方法測量力、時(shí)間測量、速度測量、速度控制等，都涉及到頻率測量，或可歸結為頻率測量。頻率測量方法的精度和效能常常決定了這些測量?jì)x表或控制系統的性能。頻率作為一種最基本的物理量，其測量問(wèn)題等同于時(shí)間測量問(wèn)題，因此頻率測量的意義更加顯然。 常用數字頻率測量方法有M法、T法和M/T法。M法是在給定的閘門(mén)時(shí)間內測量被測信號的脈沖個(gè)數，進(jìn)行換算得出被測信號的頻率。這種測量方法的測量精度取決于閘門(mén)時(shí)間和被測信號頻率。當被測信號頻率較低時(shí)將產(chǎn)生較大誤差，除非閘門(mén)時(shí)間取得很大。所以這種方法比較適合測量高頻信號的頻率。T法是通過(guò)測量被測信號的周期然后換算出被測信號的頻率。這種測量方法的測量精度取決于被測信號的周期和計時(shí)精度，當被測信號頻率較高時(shí)，對計時(shí)精度的要求就很高。這種方法比較適合測量頻率較低的信號。M/T法具有以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，它通過(guò)測量被測信號數個(gè)周期的時(shí)間然后換算得出被測信號的頻率，可兼顧低頻與高頻信號，提高了測量精度。圖1但是，M法、T法和M/T法存在%26;#177;1個(gè)字的計數誤差問(wèn)題：M法存在被測閘門(mén)內%26;#177;1個(gè)被測信號的脈沖個(gè)數誤差，T法或M/T法也存在%26;#177;1個(gè)字的計時(shí)誤差。這個(gè)問(wèn)題成為限制測量精度提高的一個(gè)重要原因。本文在以上方法基礎上，提出了一種新的頻率測量方法，該方法利用全同步方法消除限制測量精度提高的%26;#177;1數字誤差問(wèn)題，從而使頻率測量的精度和性能大為改善。 1 全同步數字頻率測量方法的原理 M/T法是目前使用比較廣泛的一種頻率測量方法。其核心思想是通過(guò)閘門(mén)信號與被信號同步，將閘門(mén)時(shí)間T控制為被測信號周期的整數倍。測量時(shí)，先打開(kāi)參考閘門(mén)，當檢測到被測信號脈沖沿到達時(shí)開(kāi)始計時(shí)，對標準時(shí)鐘計數；參考閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，計時(shí)器并不立即停止計時(shí)，而是待檢測到被測信號脈沖沿到達時(shí)才停止計時(shí)，完成測量被測信號整數個(gè)周期的過(guò)程。測量的實(shí)際閘門(mén)時(shí)間與參考閘門(mén)時(shí)間可能不完全相箱，但最大差值不超過(guò)被測信號的一個(gè)周期。M/T法測量原理如圖1所示。圖2設實(shí)際閘門(mén)時(shí)間為T(mén)s，被測信號周期數為Nx，標準時(shí)鐘計時(shí)值為Ns，頻率為fs，則被測信號的頻率測量值為： 由于實(shí)際閘門(mén)時(shí)間為T(mén)s為被測信號周期的整數倍，因此Nx是精確的；而對標準時(shí)鐘的計量值則存在誤差△Ns(|△Ns|≤1)，即標準時(shí)鐘計時(shí)的真值應為Ns%26;#177;△Ns。由此可知被測信號的頻率真值為： 若不計標準時(shí)鐘的誤差，則測量的相對誤差是： 可以看出，M/T法實(shí)際上就是將測量閘門(mén)信號與被測信號同步，使得實(shí)際測量時(shí)間是被測信號周期的整數倍，所以M/T法又稱(chēng)為多周期同步測量法。M/T法中，相對誤差與被測頻率無(wú)關(guān)，即對整個(gè)測量頻率域等精度測量；對標準時(shí)鐘的計數值Ns越大則測量相對誤差越??；提高門(mén)限時(shí)間Ts和標準時(shí)鐘頻率可以提高測量精度；在精度不變的情況下，提高標準時(shí)鐘頻率可以縮短門(mén)限時(shí)間，提高測量速度。 由此可見(jiàn)，對閘門(mén)時(shí)間Ts的計時(shí)誤差△Ns是限制M/T法頻率測量精度進(jìn)一步提高的主要原因，消除△Ns誤差是提高測量精度的有效手段。全同步頻率測量法則是在參考閘門(mén)的控制下，尋找與標準時(shí)鐘同步的被測信號，并以此信號作為實(shí)際閘門(mén)的控制信號，實(shí)現實(shí)際測量閘門(mén)信號、標準時(shí)鐘、被測信號全同步，從而消除Nx和Ns測量誤差。 全同步頻率測量法原理如圖2所示。在給出參考閘門(mén)信號后，通過(guò)一個(gè)脈沖同步檢測器檢測被測信號脈沖沿和標準時(shí)鐘信號脈沖沿的同步信息，當它們同步就開(kāi)始計時(shí)；參考閘門(mén)關(guān)閉后，亦檢測被測信號脈沖沿和標準時(shí)鐘信號脈沖沿的同步信息，當它們同步則停止計時(shí)。 對于任意的標準時(shí)鐘和被測信號，要找到兩者脈沖完全同步的時(shí)刻來(lái)開(kāi)啟、關(guān)閉閘門(mén)是不現實(shí)的，但有可能找在實(shí)現脈沖同步檢測電路時(shí)，也存在一個(gè)脈沖同步檢測的誤差范圍。若以這個(gè)脈沖同步檢測電路檢測到脈沖同步的時(shí)刻作為開(kāi)關(guān)信號，可以使得實(shí)際閘門(mén)的開(kāi)關(guān)發(fā)生在標準時(shí)鐘和被測信號都足夠接近的時(shí)刻，從而達到計算值量化誤差的最小化。 設開(kāi)啟閘門(mén)時(shí)脈沖同步時(shí)間為△t1，關(guān)閉閘門(mén)時(shí)脈沖同步時(shí)間差為△t2，脈沖同步檢測最大時(shí)間差值或稱(chēng)為最大誤差為△t，則有：|△t1|≤△t,| △t2|≤△t。不計標準時(shí)鐘誤差，實(shí)際閘門(mén)與標準時(shí)鐘同步，實(shí)際閘門(mén)時(shí)間為T(mén)s,則被測信號的頻率測量值為： 被測信號頻率的真實(shí)值可表示為： 頻率測量的相對誤差為： 從(6)式可知，頻率測量的最大相對誤差只與脈沖同步檢測最大時(shí)間差值△t和閘門(mén)時(shí)間Ts有關(guān)。將(6)式與（3）式對比可知，標準時(shí)鐘周期1/?s和脈沖同步檢測最大時(shí)間差值△t分別是M/T法和本文所述的全同步頻率測量法中限制頻率測量精度提高的原因。顯然，控制△t來(lái)提高頻率測量精度是有鏟的，而且實(shí)現起來(lái)比提高標準時(shí)鐘頻率更容易。在全同步頻率測量法中，當△t=2.5ns、Ts為1s時(shí)，頻率測量相對精度可以達到10 -9量級；或當△t=2.5ns、Ts取0.001s時(shí)，可以實(shí)現1000次/s、相對精度達到10-6量級的快速動(dòng)態(tài)頻率測量。2 實(shí)驗原形與測試結果 根據上述思想，利用VHDL語(yǔ)言，在基于A(yíng)LTERA公司EPF10K100ARC240-1 FPGA的硬件平臺上實(shí)現了一個(gè)全同步數字頻率測量的實(shí)驗原形，其原理圖如圖3所示。 系統由控制器、脈沖同步檢測、計數器、頻率換算邏輯、鎖存器和顯示等幾部分組成。其中，脈沖同步檢測是檢測被測信號與標準時(shí)鐘是否同步并產(chǎn)生實(shí)際閘門(mén)控制信號的關(guān)鍵部分，其電氣性能直接影響到頻率測量精度。脈沖同步檢測的設計仿真結果如圖4所示。 圖4中，pulse1和pulse2為輸入的標準時(shí)鐘和被測信號，gate為輸入的參考閘門(mén)信號，output為脈沖同步檢測電路產(chǎn)生的實(shí)際閘門(mén)信號。所設計電路的脈沖同步檢測最大誤差△t為2.5ns，即pulse1和pulse2的上升沿時(shí)間如果相差不大于2.5ns，則檢測為兩脈沖同步；反之，則檢測為兩脈沖不同步。在相同條件下使用全同步頻率測量法與A/T法進(jìn)行頻率測量的對比結果如表1所示。系統使用的標準時(shí)鐘頻率fs為1.000000MHz，被測信號頻率標稱(chēng)值為3.68639MHz。表1 全同步頻率測量法與M/T法的測量對比結果 測量編號參考閘門(mén)時(shí)間（ms）全同步頻率測量法M/T法標準時(shí)鐘計數值測量信號計數值實(shí)際閘門(mén)時(shí)間（ms)測量結果（MHz）測量結果（MHz)1196335500.9633.686393.68721101437381.0143.686393.68731101437381.0143.686393.68641101437381.0143.686393.68750.011184350.1183.68643.760.01511880.0513.68623.770.01511880.0513.68623.780.011184350.1183.68643.6可以看出：閘門(mén)時(shí)間縮短會(huì )影響測量精度，但在同等條件下，全同步頻率測量法的測量精度要高于M/T法；M/T法通過(guò)提高標準時(shí)鐘頻率或加大門(mén)閘門(mén)時(shí)間來(lái)提高頻率測量精度，而全同步頻率測量法可以使用較低標準時(shí)鐘頻率、較短閘門(mén)時(shí)間來(lái)獲得較好的頻率測量精度。 本文提出的全同步頻率測量方法可以在較低的標準時(shí)鐘頻率、較短的閘門(mén)時(shí)間條件下顯著(zhù)提高頻率測量的精度，適用于各種頻率測量場(chǎng)合。本文實(shí)現的實(shí)驗原型主要是為了對本文方法進(jìn)行驗證，在實(shí)際應用還需要考慮輸入信號波形失真對精度的影響、相位檢測可能出現的極端情況等問(wèn)題。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）