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關(guān)于等精度頻率測(cè)量第1頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
頻率、時(shí)間的應(yīng)用與人們?nèi)粘I钕⑾⑾嚓P(guān),而在當(dāng)代高科技中顯得尤為重要。例如,郵電通訊,大地測(cè)量,地震預(yù)報(bào),人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機(jī)的導(dǎo)航定位控制等都與頻率、時(shí)間密切相關(guān),因此準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)間和頻率是十分重要的。第1章數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)第2頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
頻率測(cè)量的方法(1)諧振法:利用LC回路的諧振特性進(jìn)行測(cè)頻(如諧振式波長(zhǎng)表可測(cè)無(wú)源LC回路的固有諧振頻率),測(cè)頻范圍為0.5~1500MHz。(2)外差法:改變標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率,使它與被測(cè)信號(hào)混合,取其差頻,當(dāng)差頻為零時(shí)讀取頻率。這種外差式頻率計(jì)可測(cè)高達(dá)3000MHz的微弱信號(hào)的頻率,測(cè)頻精確度為10-6左右。(3)示波法:在示波器上根據(jù)李沙育圖形或信號(hào)波形的周期個(gè)數(shù)進(jìn)行測(cè)頻。這種方法的測(cè)量頻率范圍從音頻到高頻信號(hào)皆可。(4)電子計(jì)數(shù)器法:直接計(jì)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù),然后以數(shù)字形式顯示頻率值。這種方法測(cè)量精確度高、快速,適合不同頻率、不同精確度測(cè)頻的需要。第3頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五1.1頻率測(cè)量數(shù)字頻率計(jì)是用于測(cè)量信號(hào)頻率的電路。測(cè)量信號(hào)的頻率參數(shù)是最常用的測(cè)量方法之一。實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量的方法比較多,在此我們主要介紹三種常用的方法:時(shí)間門(mén)限測(cè)量法、標(biāo)準(zhǔn)頻率比較測(cè)量法、等精度測(cè)量法。
1.1.1時(shí)間門(mén)限測(cè)量法
(1)直接頻率測(cè)量在一定的時(shí)間門(mén)限T內(nèi),如果測(cè)得輸入信號(hào)的脈沖數(shù)為N,設(shè)待測(cè)信號(hào)的頻率為fx,則該信號(hào)的頻率為第4頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五第5頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
改變時(shí)間T,則可改變測(cè)量頻率范圍。例如,當(dāng)T=1s,則fx=N(Hz);T=1ms,則fx=N(kHz)。此方法的原理框圖如圖所示,時(shí)序波形圖如圖所示。
測(cè)頻原理框圖第6頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
測(cè)頻時(shí)序波形圖第7頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五1)量化誤差如圖所示,雖然閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間都為T(mén),但因?yàn)殚l門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻不一樣,計(jì)數(shù)值一個(gè)為9,另一個(gè)卻為8,兩個(gè)計(jì)數(shù)值相差1。第8頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五量化誤差的相對(duì)誤差為:不管計(jì)數(shù)N是多少,ΔN的最大值都為±1。因此,為了減少最大計(jì)數(shù)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響,儀器使用中采取的技術(shù)措施是:盡量使計(jì)數(shù)值N大。使ΔN/N誤差相應(yīng)減少。例如在測(cè)頻時(shí),應(yīng)盡量選用大的閘門(mén)時(shí)間;第9頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
2).標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差在測(cè)頻時(shí)取決于閘門(mén)時(shí)間的準(zhǔn)確度。由于閘門(mén)時(shí)間和時(shí)標(biāo)均由晶體振蕩器多次倍頻或分頻獲得,因此,通用計(jì)數(shù)器有關(guān)功能的標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差就是指通用計(jì)數(shù)器內(nèi)(或外部接入)的晶體振蕩器的準(zhǔn)確度Δf0/f0。通過(guò)上述分析,可得頻率測(cè)量誤差表達(dá)式如下:第10頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五(2)直接周期測(cè)量當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率較低時(shí),采用直接測(cè)頻方法由量化誤差引起的測(cè)頻誤差太大,為提高測(cè)低頻時(shí)的準(zhǔn)確度,應(yīng)先測(cè)周期Tx,然后計(jì)算fx=1/Tx。第11頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
TX=NT0/k
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以上分析可見(jiàn),頻率計(jì)測(cè)周期的基本原理正好與測(cè)頻相反,即被測(cè)信號(hào)用來(lái)控制閘電路的開(kāi)通與關(guān)閉,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖。
數(shù)字頻率計(jì)測(cè)周期的原理框圖如圖所示。被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形電路變成方波,加到門(mén)控電路產(chǎn)生閘門(mén)信號(hào),如Tx=10ms,則閘門(mén)打開(kāi)的時(shí)間也為10ms,在此期間內(nèi),周期為T(mén)s的標(biāo)準(zhǔn)脈沖通過(guò)閘門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。若TS=1uS,則計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖N=TX/TS=10000個(gè)。若以毫秒(ms)為單位,則顯示器上的讀數(shù)為10.000。第13頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五測(cè)周誤差測(cè)周誤差包括測(cè)周量化誤差和觸發(fā)誤差。1)測(cè)周量化誤差。測(cè)周量化誤差為第14頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
2).觸發(fā)誤差當(dāng)進(jìn)行周期等功能的測(cè)量時(shí),門(mén)控雙穩(wěn)的門(mén)控信號(hào)由通過(guò)B通道的被測(cè)信號(hào)所控制。當(dāng)無(wú)噪聲干擾時(shí),主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間剛好等于一個(gè)被測(cè)信號(hào)的周期Tx。如果被測(cè)信號(hào)受到干擾,當(dāng)信號(hào)通過(guò)B通道時(shí),將會(huì)使整形電路(施密特觸發(fā)器)出現(xiàn)超前或滯后觸發(fā),致使整形后波形的周期與實(shí)際被測(cè)信號(hào)的周期發(fā)生偏離ΔTx,引起所謂的觸發(fā)誤差(或轉(zhuǎn)換誤差)。
經(jīng)推導(dǎo),
觸發(fā)誤差ΔTx/Tx的大小為
第15頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五周期測(cè)量誤差表達(dá)式如下第16頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五(3)中界頻率測(cè)頻誤差及測(cè)周誤差與被測(cè)信號(hào)頻率的關(guān)系如圖示,圖中測(cè)頻和測(cè)周兩條誤差曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率稱中界頻率fxm。第17頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五但是,還存在兩個(gè)問(wèn)題:①、該方法不能直接讀出被測(cè)信號(hào)的頻率值或周期值;②、在中界頻率附近,仍不能達(dá)到較高的測(cè)量精度。若采用多周期同步測(cè)量方法,便可解決上述問(wèn)題。很顯然,當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率fx>fxm時(shí),宜采用測(cè)頻的方法,當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率fx<fxm時(shí),宜采用測(cè)周的方法。第18頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五1.1.2標(biāo)準(zhǔn)頻率比較測(cè)量法用兩組計(jì)數(shù)器在相同的時(shí)間門(mén)限內(nèi)同時(shí)計(jì)數(shù),測(cè)得待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)為N1、已知的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)為N2,設(shè)待測(cè)信號(hào)的頻率為fx,已知的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率為f0;由于測(cè)量時(shí)間相同,則可得到如下等式:從上式可得出待測(cè)信號(hào)的頻率公式為第19頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
標(biāo)準(zhǔn)頻率比較測(cè)量法對(duì)測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間門(mén)限的精度要求不高,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度和頻率的穩(wěn)定度要求較高,標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率越高,測(cè)量的精度就比較高。該方法的測(cè)量時(shí)間誤差與時(shí)間門(mén)限測(cè)量法的相同,可能的最大誤差為正負(fù)一個(gè)待測(cè)信號(hào)周期,即Δt=±1/fx。測(cè)量時(shí)可能產(chǎn)生的誤差時(shí)序波形如圖所示。第20頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五一般測(cè)量時(shí)可能產(chǎn)生的誤差時(shí)序波形圖第21頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
等精度測(cè)量法的機(jī)理是在標(biāo)準(zhǔn)頻率比較測(cè)量法的基礎(chǔ)上改變計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)開(kāi)始和結(jié)束與閘門(mén)門(mén)限的上升沿和下降沿的嚴(yán)格關(guān)系。當(dāng)閘門(mén)門(mén)限的上升沿到來(lái)時(shí),如果待測(cè)量信號(hào)的上升沿未到時(shí)兩組計(jì)數(shù)器也不計(jì)數(shù),只有在待測(cè)量信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí),兩組計(jì)數(shù)器才開(kāi)始計(jì)數(shù);當(dāng)閘門(mén)門(mén)限的下降沿到來(lái)時(shí),如果待測(cè)量信號(hào)的一個(gè)周期未結(jié)束時(shí)兩組計(jì)數(shù)器也不停止計(jì)數(shù),只有在待測(cè)量信號(hào)的一個(gè)周期結(jié)束時(shí)兩組計(jì)數(shù)器才停止計(jì)數(shù)。這樣就克服了待測(cè)量信號(hào)的脈沖周期不完整的問(wèn)題,其誤差只由標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)產(chǎn)生,與待測(cè)量信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)。最大誤差為正負(fù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率周期,即Δt=±1/f0。由于一般標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率都在幾十兆赫茲以上,因此誤差小于10-6。1.1.3等精度測(cè)頻法第22頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五等精度測(cè)量法的時(shí)序波形圖第23頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五預(yù)置閘門(mén)時(shí)間產(chǎn)生電路產(chǎn)生預(yù)置的閘門(mén)時(shí)間TP,TP經(jīng)同步電路產(chǎn)生與被測(cè)信號(hào)(fx)同步的實(shí)際閘門(mén)時(shí)間T。主門(mén)Ⅰ與主門(mén)Ⅱ在時(shí)間T內(nèi)被同時(shí)打開(kāi),于是計(jì)數(shù)器Ⅰ和計(jì)數(shù)器Ⅱ便分別對(duì)被測(cè)信號(hào)(fx)和時(shí)鐘信號(hào)(f0)的周期數(shù)進(jìn)行累計(jì)。第24頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
在T內(nèi),計(jì)數(shù)器Ⅰ的累計(jì)數(shù)NA=fx×T;計(jì)數(shù)器Ⅱ的累計(jì)數(shù)NB=f0×T。再由運(yùn)算部件計(jì)算得出即為被測(cè)頻率。計(jì)數(shù)器Ⅰ記錄了被測(cè)信號(hào)的周期數(shù),所以通常稱事件計(jì)數(shù)器。由于閘門(mén)的開(kāi)和關(guān)與被測(cè)信號(hào)同步,因而實(shí)際的閘門(mén)時(shí)間T已不等于預(yù)置的閘門(mén)時(shí)間TP,且大小也不是固定的,為此設(shè)置了計(jì)數(shù)器Ⅱ,用以在T內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)確定實(shí)際開(kāi)門(mén)的閘門(mén)時(shí)間T的大小,所以計(jì)數(shù)器Ⅱ通常稱為時(shí)間計(jì)數(shù)器。第25頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五由圖(b)所示的工作波形圖中可以看出,由于D觸發(fā)器的同步作用,計(jì)數(shù)器Ⅰ所記錄的NA值已不存在±1誤差的影響。由于時(shí)鐘信號(hào)與閘門(mén)的開(kāi)和關(guān)無(wú)確定的相位關(guān)系,計(jì)數(shù)器Ⅱ所記錄的NB的值仍存在±1誤差的影響,但是,由于時(shí)鐘頻率f0很高,±1誤差的影響很小,且在全頻段的測(cè)量精度是均衡的,測(cè)量精度已與被測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)。第26頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五等精度頻率計(jì)的設(shè)計(jì)實(shí)例
該等精度頻率計(jì)主要由五部分組成:?jiǎn)纹瑱C(jī)控制部分、通道部分、同步電路部分、計(jì)數(shù)器部分、鍵盤(pán)與顯示部分。
一、等精度頻率計(jì)的組成第27頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
任務(wù):通過(guò)P1口與P3口進(jìn)行整機(jī)測(cè)量過(guò)程的控制、故障的自動(dòng)檢測(cè)以及測(cè)量結(jié)果的處理與顯示等。
P1.0作預(yù)置閘門(mén)時(shí)間控制線;P1.1作同步門(mén)控制電路的復(fù)位信號(hào)線;1.8031單片機(jī)及其接口部分P1.2作查詢實(shí)際閘門(mén)時(shí)間的狀態(tài)線;P1.3作計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)線;P1.4~P1.7用做控制儀器鍵盤(pán)燈;P3.0,P3.1作為通道部分的控制線。
8031單片機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器作兩個(gè)主計(jì)數(shù)器的一部分,并通過(guò)T0,T1分別與外部的事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端相接。外部的事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的測(cè)量結(jié)果分別通過(guò)擴(kuò)展輸入口與P0口相連。
8155作為8031的擴(kuò)展I/0口,用來(lái)與鍵盤(pán)和顯示電路接口,其內(nèi)部的14位計(jì)數(shù)器被用來(lái)作為本機(jī)預(yù)置閘門(mén)時(shí)間的定時(shí)器,定時(shí)器的輸入信號(hào)取自8031的ALE端,定時(shí)器的輸出與8031的INT1端相接,作為中斷申請(qǐng)信號(hào)。第28頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
主要由放大、整形和一個(gè)十分頻的預(yù)分頻電路組成。本機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)頻范圍為20Hz~100MHz,當(dāng)被測(cè)頻率大于10MHz時(shí),需先經(jīng)預(yù)分頻電路分頻后再送入計(jì)數(shù)器電路。2.通道部分由主門(mén)Ⅰ、Ⅱ及同步控制電路組成。主門(mén)Ⅰ控制被測(cè)信號(hào)fx的通過(guò),主門(mén)Ⅱ控制時(shí)鐘信號(hào)fO的通過(guò),兩門(mén)的啟閉都由同步控制電路控制。3.同步電路
計(jì)數(shù)器包括事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器兩組完全相同的計(jì)數(shù)電路,分別由前后兩級(jí)組成。前級(jí)電路由高速的TTL計(jì)數(shù)器74LS393構(gòu)成八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器,電路如圖7-26示,計(jì)數(shù)前由P1.3發(fā)計(jì)數(shù)器清零信號(hào),計(jì)數(shù)后通過(guò)4LS244緩沖器將測(cè)量結(jié)果讀入內(nèi)存;后級(jí)由8031單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)/計(jì)數(shù)定數(shù)器構(gòu)成。4.計(jì)數(shù)器電路第29頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
鍵盤(pán)與顯示部分的電路如圖所示,這是一個(gè)較為典型的采用8155并行口組成的鍵盤(pán)顯示電路。七位LED顯示采用了動(dòng)態(tài)顯示軟件譯碼工作方式。段碼由8155的PB口提供,位選碼由PA口提供。鍵盤(pán)共設(shè)置了4個(gè)按鍵,采用逐列掃描查詢工作方式,其列輸出由PA口提供,列輸入由PC口提供。由于鍵盤(pán)與顯示做成一個(gè)接口電路,因此軟件中合并考慮鍵盤(pán)查詢與動(dòng)態(tài)顯示。為了使顯示器的動(dòng)態(tài)掃描不出現(xiàn)斷續(xù),鍵盤(pán)防抖的延時(shí)子程序用顯示子程序替代。5.鍵盤(pán)與顯示部分第30頁(yè),共36頁(yè),2022年,5月20日,15點(diǎn)19分,星期五
1.測(cè)量準(zhǔn)備
P1.3發(fā)出復(fù)位信號(hào),使計(jì)數(shù)器清零;同時(shí)P1.1也發(fā)復(fù)位信號(hào),使同步D觸發(fā)器的Q端為低電平,則主門(mén)Ⅰ和主門(mén)Ⅱ關(guān)閉。這時(shí)P1.0的初狀態(tài)為“1”,使D觸發(fā)器的D端為高電平。同步門(mén)可靠關(guān)閉。
2.測(cè)量開(kāi)始
P1.0從高電平跳到低電平,使D觸發(fā)器的D端為“0”,這時(shí)被測(cè)信號(hào)一旦到達(dá)CK端,觸發(fā)器Q立即由“0”→“1”,同步門(mén)被打開(kāi),被測(cè)信號(hào)和時(shí)間信號(hào)分別進(jìn)入相應(yīng)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。的P1.0從高電平跳到低電平的同時(shí),也啟動(dòng)了計(jì)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)量閘門(mén)時(shí)間。
3.測(cè)量結(jié)束當(dāng)預(yù)定
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