【正文】 ， 被計數(shù)的脈沖送到十進制計數(shù)器進行計數(shù)。設計數(shù)器的值為N，則可以得到被測信號頻率為f = N / T，經(jīng)過對照數(shù)字化直接測量頻率的原理我們可以發(fā)現(xiàn)，本測量在低頻率段的相對測量誤差較大，即在低頻率段不能滿足本設計的要求。 組合測頻法 是指在高頻時采用直接測量法，低頻時采用直接測量周期法測信號的周期，然后換算成頻率。這種方法可以在一定程度上彌補方法(1)的不足，但是難以確定最佳分測點，而且電路實現(xiàn)比較復雜。 倍頻法 是指把頻率測量范圍分成多個頻率段，使用倍頻技術，根據(jù)頻率段設置倍頻系數(shù)，將經(jīng)過整形的低頻信號進行倍頻后再進行測量，對高頻率段則直接進行測量， 倍頻法比較難以實現(xiàn)。 等精度測頻法 通過對傳統(tǒng)的測量方法的分析與研究，結合高精度恒誤差測量原理，我們設計了一種測量精度與被測頻率無關的硬件測頻電路。本方法立足于快速的寬位數(shù)高精度浮點數(shù)字運算。圖中，預置門控制信號是寬度為Tpr的一個脈沖，CNT1和CNT2是兩個可控計數(shù)器。標準頻率信號從CNT1的時鐘輸入端CLK輸入，其頻率為fs，經(jīng)過整形后的被測信號從CNT2的時鐘輸入端CLK輸入，設其實際頻率為fx，當預置門信號為高電平時，經(jīng)過整形后的被測信號的上升沿通過D觸發(fā)器的Q端同時啟動計數(shù)器CNT1和CNT2。CNT1和CNT2分別對被測信號和標準頻率信號同時計數(shù)。當預置門信號為低電平時，隨后而至的被測信號的上升沿將使兩個計數(shù)器同時關閉。 CLKENCLK CNT2 OUT2CLRCLKENCLK CNT1 OUT1CLRD Q預置門控信號標準頻率信號 被測信號清零信號 等精度測頻法原理框圖設在一次預置門時間Tpr內對被測信號的計數(shù)為Nx，對標準的計數(shù)值為Nx，則下式成立： fx / Nx = fs / Ns () 由此可推得 fx = fs Nx / Ns () 相對誤差公式 δ = 177。 ( 2 / Ns + ?fs / fs ) () 從誤差分析中可以看出來, 它的測量精度與Ns和標準頻率精確度有關, 而與被測頻率無關. 顯然, Ns決定于預置門時間和標準頻率信號的頻率, 其關系式如下: Ns = Tpr fs () 如果采用頻率為50MHz的晶體震蕩器, 則有: |δ| ≤ 1 / Ns ()如果預置門時間Tpr = , 則: Ns = 60 000 000 = 6 000 000, |δ| ≤ 106 以上四種方法中, 倍頻法雖然在理論上可以達到很高的精度, 但是在低頻段, 就目前常規(guī)的鎖相器件而言, 鎖相電路工作性能不理想, 頻率小于100Hz時甚至不能工作. 前三種方法本質上都是立足于頻率基本定義, 沒有擺脫傳統(tǒng)的測量方法的局限, 從下文的詳細論述中可以看出, 用方法(4)可以用單片機程序方便地完成寬位浮點數(shù)的數(shù)學運算, 實現(xiàn)高精度測量. 基于上述論證以及第二部分中詳細的理論分析, 我們準備選擇方法(4). 周期測量模塊 直接周期測量法 用被測信號經(jīng)過放大整形后形成的方波信號直接控制計數(shù)門控電路, 使主門開放時間等于信號周期Tx, 時標為Ts的脈沖在主門開放時間進入計數(shù)器. 設在Tx期間計數(shù)值為N, 可以根據(jù)以下公式來算得被測信號周期: Tx = NTs ()經(jīng)過誤差分析, 可以得出結論: 用該測量法測量的時候, 被測信號的頻率越高, 測量誤差越大. 等精度周期測量法 該方法在測量電路和測量精度上與等精度頻率測量完全相同, 只是在進行計算時所用的公式不同, 用周期1/T代換頻率f就可以了, 它的計算公式是: Tx = TsNs / Nx () 從降低電路的復雜度以及提高精度(特別是高頻)上考慮, 本設計將要采用方法(2)測量被測信號的周期. 脈沖寬度測量模塊 在進行脈沖寬度的測量時, 首先經(jīng)過信號處理電路進行處理, 限制只有信號的50%幅度以及其以上部分才能輸入數(shù)字測量部分. 脈沖邊沿被處理得非常陡峭, 然后送入測量計數(shù)器進行測量. 測量電路在檢測到脈沖信號的上升沿的時候打開計數(shù)器, 并且在檢測到下降沿的時候關閉計數(shù)器, 設脈沖寬度為Twx, 計算公式為: Twx = Nx / fs () 占空比測量模塊 測量一次脈沖信號的脈沖寬度, 記錄下它的值為Twx1, 然后將信號反相, 再測量一次脈沖寬度并且記錄下它的值為Twx2, 通過下面的公式計算占空比: 占空比 = Twx1100% / (Twx1 + Twx2) () 標準頻率發(fā)生電路 本模塊采用高頻率穩(wěn)定度和高精度的可微調晶體振蕩器作為標準頻率發(fā)生器. 小信號處理部分 小信號處理部分受限于寬帶放大器的性能, 放大器電路需要附有高速整形電路. 有以下幾種方案: 采用分立元件 使用場效應管做輸入極, 以提高輸入阻抗. 用截止頻率1 000MHz的三極管9018做放大極. 由于電路復雜, 需要調節(jié)的部分較多, 而且一致性差, 所以不予采用. 采用運算放大器 電路簡潔, 但是因為與TTL電平接口而另外需要電平移位電路. 并且需要使用運算放大器做一高速寬帶放大器, 市場上難以買到高速運算放大器, 其應用因此受到限制. 直接采用比較器 采用比較器可以簡單的完成設計. 采用高速比較器LM361可以處理高達10MHz的輸入信號. LM361有低輸入失調電壓和電壓范圍靈活等特點, 響應時間最大僅20ns, 輸出電平可與TTL電平相匹配. 綜合考慮, 本部分電路采用方案(3). 比較器輸入容易受到干擾, 因此電路上采用凈化電源并且需要合理安排地線. 經(jīng)過最后的實際測量, 輸入靈敏度4mV左右, 完全滿足小信號測量的需要.第2章 基本測量原理與理論誤差分析 等精度頻率/周期測量技術 若所測頻率值為fx, 被測頻率的真實值為fxe, 標準頻率為fs, 在一次測量中, 預置門時間為Tpr, 被測信號技數(shù)值為Nx, 標準頻率信號計數(shù)值為Nx. 由于fx計數(shù)的起停時間都是由該信號的上升沿觸發(fā)的, 因此在Tpr時間內對fx的計數(shù)Nx無誤差, 在此時間內的計數(shù)Ns最多相差一個脈沖, 即?et ≤ 1, 則下式成立: fx / Nx = fs / Ns () fxe / Nx = fs / ( Ns + ?et ) ()可以分別推得 fx = fs Nx / Ns () fxe = fs Nx / ( Ns + ?et ) ()根據(jù)相對誤差公式有 |δ| = ?fxe / fxe = ( fxe fx ) / fxe ()經(jīng)過整理可以得到 ?fxe / fxe = ?et / Ns ()因為?et ≤ 1, 故?et / Ns ≤ 1 / Ns, 即 ?et / Ns ≤ 1 / Ns Ns = Tpr fs () 根據(jù)以上分析, 可以知道等精度測頻法具有三個特點: ① 相對測量誤差與被測頻率的高低無關。 ② 增大Tpr或fs可以增大Ns, 減少測量誤差, 提高測量精度。 ③ 測量精度與預置門寬度和標準頻率有關, 與被測信號的頻率無關, 在預置門和常規(guī)測頻閘門時間相同而被測信號頻率不同的情況下, 等精度測量法的測量精度不變. 標準頻率誤差 標準頻率誤差為?fs / fs, 因為晶體的穩(wěn)定度很高, 標準頻率誤差可以進行校準, 相對于量化誤差, 校準后的標準頻率誤差可以忽略。 預置門時間信號與閘門時間信號 預置門的概念與傳統(tǒng)的閘門的概念是不同的. 預置門是指同時啟動或同時停止標準頻率信號計數(shù)器和被測信號計數(shù)器的門控信號. 預置門的概念用于高精度恒定誤差測頻/周期方法中, 并且稱預置門的時間寬度為預置門時間. 高精度恒定誤差測頻方法測量精度與預置門時間和標準頻率有關, 與被測信號的頻率無關. 在預置門時間和閘門時間相同而被測信號頻率不同的情況下, 高精度恒定誤差頻率測量法的測量精度不變, 而直接測頻法的精度隨著被測信號的增加而接近線性的增大. 高精度恒誤差周期測量方法