浅谈几种测频方法

２０１０年１０月第５期　现代导航　・６９・　浅谈几种测频方法　梁永君　（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安７１００６８）　摘要：本文提出了４种测量信号频率的方法，对各种方法进行了详细的阐述　对四种测量　方法进行了比较，并分析了每种测量方法的优缺点。　关键词：信号频率；测频；测周；数字移相　中图分类号：ＴＮ８０１　文献标识码：Ａ　Ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ＬＩＡＮＧ　Ｙｏｎｇｊｕｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｆｏｕｒ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｏｆ　ｓｉｇｎａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃＮ　ａｎｄ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｔｈｅｍ．Ｔｈｅ　ｆｏｕｒ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｎａａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅｉｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｉｇｎａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｐｅｒｉｏｄ；Ｄｉｇｉａｔｌ　Ｐｈａｓｅ　Ｓｈｉｆｔｉｎｇ　在电子测量技术中，经常需要对信号频率（或　１　周期或脉宽）进行精确测量，最常用的直接测频方　法是计数器测频法和计数器测周法，这两种方法常　被用于利用单片机系统内部含有的高精度频率源、　测频法测量原理图见图１。　定时器／计数器对外部信号频率进行测试。随着　ＥＤＡ（电子设计自动化）技术和微电子技术的进步，　对测试精度的要求随之提高，等精度测频法和数字　标准信号　厂—］厂—］　移相法就是两种高精度的测频（或周期或脉宽）方　法。　惦号ｎ『］ｎ几『］ｎ　ｎ　几ｎ　ｎ『］『］几ｎ　ｎ　ｎ删　Ｎ１—————　１计数器测频法　图１测频法测量原理图　将被测频率的信号加到计数器的计数输入端，　控制单片机计数器在标准时间周期　。内对外部脉　测量开始时，被测频率信号可与标准信号通过　冲进行计数，所得的计数值Ⅳ　与被测信号的频率　外部同步电路同步，但当计数结束时，由于单片机　计数器只能进行整数计数，从而在理论上存在频率　ｆｘ１有如下关系：　测量的最后一个计数脉冲的误差，引起士１个记数脉　。：　：Ⅳ　。　冲单位时间间隔的误差。由误差理论得知测频法的　１ｃ１　误差和最大相对误差为：　＝－－Ｌ　收稿日期：２０１０－０７．２２。　・７０・　＋—现代导航　２０１０住　：＿　ｌ在实际测量中，为了提高测量的精度，采用扩　大阀门时间ｋ倍（即扩大待测信号周期　的ｋ倍）　｛ｘ　｛　在实际测量时，为了提高测量的精度，采取扩　来提高测量周期精确度。这样它们的相对误差分别　大阀门时问ｎ倍（即扩大标准信号周期　ｌ的ｎ倍）　来提高频率测量精确度，这样，其相对误差为：　：＋—Ｌ　｛ｘ　Ａ　给定的弘　精度要求可以篓　馨　’算出的最低　ｎ　ｇ差Ｔ＇Ｎ应～越小，根据　等精度测频法　ｏ　…一２计数器测周法　假设单片机晶振的频率经过系统分频后产生　标准计数脉冲，设周期为　（频率ｆｃ　），将周期　为　２（频率为　：）的标准信号送到计数器的计数　输入端，用被测信号周期　２控制计数器的计数时　间间隔，所得的计数值Ⅳ：与被测信号频率　有如　下关系：　２＝Ｎ２　２　ｚ＝志＝　ｆｅ２　由误差理论分析得知，测周法误差和最大相对　误差：　＝＋ｒｃ２　：±　：　：　“～　测周法测量原理图见图２。　Ｎ２————　标准信号　几ｎ　ｎ　ｎ门几『］ｎ　ｎ几ｎ　ｎ几几几几门门删　碥　被测信号　厂　＿　图２测周法测量原理图　为：　：＋　：＋立　２　显然，ｋ值越大，测得的相对误差越小。可以根据　给定的精度要求算出ｋ的最低取值。　３寸，Ｉ。刚又　Ａ　在测量过程中，有两个计数器分别对标准信号　和被测信号同时计数。首先给出闸门开启信号（预　置闸门上升沿），此时计数器并不计数，而是等到　被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计　数。然后预置闸门关闭信号（下降沿）到时，计数　器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿　到来时结束计数，完成一次测量过程。可以看出，　实际闸门时间ｆ与预置闸门订时间并不严格相等，　但差值不超过被测信号的一个周期。等精度测频原　理波形图如图３所示。　预置闸门　实　Ｆ二＝＝＝二　标准信号　㈣咖㈣Ⅲ砌㈣肿Ⅷ咖１　被测信号　］广］厂］厂＿］　Ｎｘ　图３等精度测频原理波形图　设在一次实际Ｉ匍门时『司ｆ中计数器对被测信　号的计数值为　，对标准信号的计数值为　。标　准信号的频率为　，则被测信号的频率为　＝等　㈩　由式（１）可知，若忽略标频　的误差，则等精度　测频可能产生的相对误差为　＝０ｆｘｅ一　Ｉ／　）×１００％　（２）　其中，　为被测信号频率的准确值。　第５期　梁永君：浅谈几种测频方法　・７ｌ・　在测量中，由于　计数的起停时间都是由该信　号的上升测触发的，在闸门时间ｒ内对　的计数　Ⅳ　无误差（ｆ＝Ｎｘ　）；对　的计数　最多相差　始）时，被测信号的上升沿通过Ｄ触发器的输出端，　同时启动两个计数器计数；同样，当预置门信号为　低电平（预置时间结束）时，被测信号的上升沿通　一个数的误差，即ｌ　ｌ　１，其测量频率为　＝ｅ［Ⅳ　／（Ｎｓ＋ＡＮｓ）】／　将式（１）和式（３）代入式（２），并整理得：　＝Ｉ　Ｉ／Ⅳ　１／Ｎ　＝１／（ｆ－　）　由上式可以看出，测量频率的相对误差与被测　信号频率的大小无关，仅与闸门时间和标准信号频　率有关，即实现了整个测试频段的等精度测量。闸　门时间越长，标准频率越高，测频的相对误差就越　小。标准频率可由稳定度好、精度高的高频率晶体　振荡器产生，在保证测量精度不变的前提下，提高　标准信号频率，可使闸门时间缩短，即提高测试速　度。　表１所列为标准频率在１０ＭＨｚ时闸门时间与　最大允许误差的对应关系。　表１闸门时间与精度的关系　闸门时间／ｓ　精度　０．０１　ｌ０。５　０．１　ｌ０。６　１　１０。７　等精度测频的实现方法可简化为图４所示的框　图。ＣＮＴ１和ＣＮＴ２是两个可控计数器，标准频率　（　）信号从ＣＮＴ１的时钟输入端ＣＬＫ输入；经　整形后的被测信号（ｆｘ）从ＣＮＴ２的时钟输入端　ＣＬＫ输入。　标频信号　预置门信号　被测信　图４等精度测频实现方法的原理　每个计数器中的ＣＥＮ输入端为时钟使能端控　制时钟输入。当预置门信号为高电平（预置时间开　过Ｄ触发器的输出端，同时关闭计数器的计数。　４数字移相法　所谓移相是指对于两路同频信号，以其中一路　为参考信号，另一路相对于该参考信号做超前或滞　后的移动形成相位差。数字移相通常采用延时方　法，以延时的长短来决定两数字信号间的相位差，　这里提出的测量原理正是基于数字移相技术。如图　５所示。　厂———］：　］　厂］　—］　厂］　］　厂　厂］　厂　］厂］　ｆ＿　］门　硐门　等效时钟　图５基于数字移相技术的测量原理　原始计数时钟信号ＣＬＫＯ通过移相后得到　ＣＬＫ９０、ＣＬＫ１８０、ＣＬＫ２７０，相位依次相差９０。，雌　　用这四路时钟信号同时驱动四个相同的计数器对　待测信号进行计数。设时钟频率为厂，周期为　，　４个计数器的计数个数分别为ｍｌ、ｍ２、ｍ３和ｍ４，　则最后脉宽测量值为：　Ｗ＝ｌ（ｍｌ＋ｍ２＋ｍ３＋ｍ４）／４ｌ×Ｔ　（１）　可以看到，这种方法实际等效于将原始计数时　钟四倍频，以４厂的时钟频率对待测信号进行计数　测量，从而将测量精度提高到原来的４倍。例如原　始计数时钟为８０ＭＨｚ时，系统的等效计数频率则　为３２０ＭＨｚ，如果不考虑各路计数时钟间的相对延　迟时间误差，其测量的最大误差将降为原来的四分　之一，仅为３．１２５ｎｓ。同时，该法保证了整个电路的　最大工作频率仍为厂，避免了时钟频率提高带来的　・７２・　一现代导航　２０１０笠　系列问题。　证测试系统的精度、稳定性和柔性，可以采用现场　可编程门阵￣Ｏ（ＦＰＧＡ）来实现这种测量方法。　５分析　经过分析得知，测频法在　的低频段，相对误　差远大于高频段，而测周法在　的高频段误差远大　数字移相法就是在数字移相技术的基础上设　计的一种高精度的脉宽测量方法，使测量精度相对　于脉冲计数法提高了多倍。若需进一步提高这种方　法的测量精度，可以通过以下两个方面进行改进：　（１）继续提高晶振频率，寻求速度更快的　于低频段。因此，对于高频信号，应选取直接测频　法；对于低频信号选取先测周期，再将周期转换为　ＦＰＧＡ芯片。晶振频率越高，系统原理误差越小。　（２）减小信号延迟误差。经分析，信号的延　频率，以提高测量的准确度。这两种方法的计数值　会产生土１个字误差，并且测试精度与计数器中记录　的数值Ⅳ１或Ⅳ，有关。为了保证测试精度，一般对　于低频信号采用测周期法；对于高频信号采用测频　法，因此测试时很不方便，所以提出等精度测频方　法。　等精度测频方法时在直接测频方法的基础上　发展起来的。他的闸门时间不是固定的值，而是被　测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此，　消除了对被测信号计数所产生的士１个字误差，并且　达到了在整个测试频段的等精度测量。　采用数字移相法测量脉宽的设计系统实现的　最关键部分是保证送入各计数器的时钟相对延迟　精度，即要保证计数时钟之间的相位差。由于通常　原始时钟频率已经相对较高（通常接近１００ＭＨｚ），　周期在１０￣２０ｎｓ之问，因此对时钟的延迟时间只有　几ｎｓ，使用普通的延迟线芯片无法达到精度要求；　同时为了避免电路板内芯片间传送延迟的影响，保　迟误差对系统精度的影响占了很大的比例。减小各　计数时钟和待测信号到计数器的信号延迟的差异，　可以有效地提高测量精度。由于ＦＰＧＡ内部信号延　迟的时间均可以很方便地得到，因此在设计时可以　通过调整内部各元件的放置位置以及连线来尽量　减小延迟误差，或者通过添加一些门电路来增加延　时以使各信号延迟时间尽可能相同。　参考文献：　［１】　张水珊．电子测量技术基础【Ｍ】．西安：西安电子科技　大学出版社，２００２　［２］　史延龄．单片机测频研究［Ｊ】．仪表技术，１９９８，（３）　［３】　蒋焕文，孙续．电子测量（第２版）［Ｍ］．北京：中国　计量出版社，１９８８