自适应等精度频率测量方法与实现

第20卷! 第2期2007年2月

传感技术学报

C H I N E S EJ O U R N A L O F S E N S O R S A N D A C T U A T O R S

V o l . 20o . 2! N

2007F e b .

N e w M e a s n r e m e n t o f d i i t a l f r e n e n c a s e d g

o nA n t o -A d a t e d a n dE n a l -p r e c i s i o nt e c h n i n e p

W A N Gs h o u - u n 9L I Nb a o -t a o " 9W A N Gj u n -z h e n g

(9) 9d e a r t m e n t o u t o m a t i c C o n t r o l s c h o o l o n o r m a t i o n s c i e n c e a n dt e c h n o l o b e i i n I n s t i t u t e o e c h n o l o b e i i n 00081C h i a n g }9g }9P f A f I f j g f t j g 1

2A b s t r a c t Ak i n do f f r e u e n c e a s u r e m e n t t e c h n i u ew h i c ha d o t s an e w m e t h o do f a d a t i v e a n de u a l -I y m I p p I

9r e c i s i o n i s i n t r o d u c e d . B o m a r i s o nw i t h t r a d i t i o n a l m e a s u r e m e n t s t h i sm e a s u r e m e n t s o l v e s t h e e u a l -p y c p I r e c i s i o n p r o b l e mo n a c c o u n t o f t h e e x i s t e n c e o f c o u n t e r r o r b 1s u c c e s s f u l l . A d o t i n d a t i v e s u b -p y i y p g a p

9a r a r a h -i n s t a l l e d o t i m a l t i m e -l i m i t g a t e i t e l i m i n a t e sd e f i c i e n c a u s e db h ed e l a f t h e p r e d e t e r -p g p p y c y t y o

99m i n e d g a t e s i m l i f i e s c i r c u i t s t r u c t u r e a n d a c h i e v e s t h e p u r o s e o f b r o a d s c o e a n dh i h -r e c i s i o nm e a s -p p p g p u r e m e n t . m i c r o c o m u t e r i sa l i e dt od e s i ns o f t w a r ea n dh a r d w a r es s t e mo f t h i s f r e u e n c e a s u r e -p p p g y I y m m e n t . t h e a c t u a l e x e r i m e n t a l d a t a s h o wt h a t t h e f r e u e n c r r a n i n r o m0. 01~z t o 500k ~z c a nb e p I y a g g f m e a s u r e d e x a c t l n dm e a s u r e m e n t a c c u r a c i s a b o v e 0. 001~z . y a y 29m C 9e K e o r d s f r e u e n c e a s u r e m e n t U 9a d a t i v e u a l -r e c i s i o n I y m p I p y w E E A C C 273l 0G 97220

自适应等精度频率测量方法与实现

王军政汪首坤! 林波涛" !

() 北京理工大学信息科学技术学院自动控制系9北京100081

摘! 要! 提出了一种自适应等精度频率测量方法. 与传统测量方法相比9很好的解决了因存在i 1计数误差而造成测量精度

不高的问题. 采用自适应分段设置最优时限闸门9消除了预设闸门的延时带来的不足9简化了电路结构9实现了宽范围\高精采用单片机设计了该频率测量方法的软硬件系统9实际测量结果表明被测频率在0测量精度测量. . 01~z -500k ~z 范围内9度达到0. 001~z 以上.

关键词! 频率测量9单片机9自适应9等精度中图分类号! t N 77!!

文献标识码! () l 004-l 699200702-0346-04A !! 文章编号!

测量原理如测周法用于测量频率较低的信号9

图1所示. 再经被测信号经过通道A 被放大整形9控制主控门G 开闭9过K 级分频后9b 通道的时标

如何提高!! 频率是电子测量中经常测试的参数9

测量精度是很重要的问题. 传统测量方法有测周法\测频法和低频测周高频测频法. 测周法对较高频率信号的测量误差较大9测频率法存在低频信号测量时误差较大9而低频测周高频测频法存在中届频率测量误差大的问题. 本文研究了一种高精度数字测频方法9并用单片机和改进的软件算法9实现了该频率测量方法9很好地解决了传统测频方法存在的问题9并具有较好的快速性.

l ! 传统测频方法

l . l ! 测周法

收稿日期! 2006-10-082006-07-02!! 修改日期!

图1!

测周法原理框图

第2期

王首坤! 林波涛等" 自适应等精度频率测量方法与实现

347

信号来自对晶振的分频3在主控门G 有效期间计数则信号的频率测量公式为:器t 0计数值为n

>/((1F =K t C -n >若晶振频率f c 经过M 级分频得到的时标信号为则信号频率的计算公式可以表示为:t C

/(F =(K -M -n >f c >法的相对误差可表示为:

(>2其中K ~此测频M 分别为信号和晶振的分频系数.

图3! 等精度测量原理图

测量过程中 预置闸门信号的上升沿启动测d F /F =d f c /f c -d

M /M -d n /n (3>其中d K /K ~d M /M 一般为零 d f c /f

c 为晶振误差 此项通常可达到10-6! 1

0-8

3由于晶振信号与门控信号不相关 会造成d n /n 较大

并且n 的计数值误差至少为i 1 所以当信号的频率越高 误差必然越大.

. 2! 测频法

测频法用于测量频率较高的信号 测量原理如图2所示. 利用分频晶振信号得到的闸门信号t s 控制主控门G 的开闭 在G 有效期间计数器记录信号的脉冲数N 则被测信号的频率可表示为:

图2! 直接数字测频原理图

F =N

/t s (4

>其相对误差精度为:

F /F =d N /N -d t s /t s =d N /N +d f c /f c (5>上式d f c /f c 中是晶振频稳度 d N /N 是计数值的相对误差3当被测信号频率很低时 测频误差会很大. . 3! 低频测周高频测频法

采用低频测周高频测频法测量频率时会存在中届频率测量误差大的问题. 即使低频和高频测量很准确 中间频段测量误差也比较大.

! 自适应等精度数字频率测量

. l ! 等精度测频原理与不足

等精度测频法也称为多周期同步测频法 其基本原理如图3所示. 这种方法具有测量精度高~测量精度不随被测信号的变化而变化的特点. 但这种方法需要的硬件开销大 且同步电路结构复杂 易造成误触发 可靠性不高.

量 但此时对被测信号和基准时钟信号进行计数的计数器1和计数器2并未开始计数 要等到预置闸门信号变为高电平后 被测信号的第一个上升沿使得实际闸门信号变为高电平有效时 计数器1和2才开始计数. 当预置闸门信号变为低电平时 计数器和2并未立即停止计数

而是要等到紧接在其后的被测信号的上升沿到来时 实际闸门信号变为低电平无效信号时才停止计数. 可见实际闸门信号比预设闸门要有延迟 并且这种延迟会随着被测信号周期长短的变化而变化 影响了测量的精度. 并且当被测信号的频率较高时容易引起被测信号的上升沿和预置闸门信号的下降沿竞争的冒险 从而造成误触发 降低了系统的可靠性.

. 2! 自适应等精度数字测频原理

针对上述等精度测频的不足 进行了时限闸门的改进 消除了预设闸门的延时带来的不足 去掉了复杂的同步电路 同时可根据各频率段自适应选择最优的时限闸门 从而实现了宽范围~高精度测量. 自适应等精度测频的工作过程分为粗测和精测(自

适应调整闸门>两步. 测量开始时自适应闸门的时限

设定为较小的值 随后自适应调整其时限的长短. 开始时设定较小的时限闸门 使信号的测量范围较大 此时对高频信号的测量是比较准确的 但对低频信号的测量会由于时限设定的过小而带来相对较大的误差 这时系统通过查表的方式自适应调整时限系数 从而在下次测频时有最优时限闸门. 各个频段的最优时限闸门可通过实验得到 并建立各频段相应的时限系数表格3测量过程中调用相关子程序完成时限系数的选择并补偿响应t 0溢出中断而漏计数值.

图4! 自适应等精度数字测频原理图

12l d l 22

348

传! 感! 技! 术! 学! 报2007年

在图4中 t M =t C ' m t N =t C ' n 其中t C

为晶振分频得到的时标 m ~n 是自适应时限系数. 测量时t t 1和I N t 1接输入信号. 0时刻在信号的第一个上升沿到来时 产生I 启动自适应闸N t 1中断 门使t 并关闭自身中断使能. ~1t 0同时开始计数 记录自身中断0定时溢出产生溢出中断 t 1时刻t 次数N 使能t 开放I 在下个0计数 N t 1中断使能.

~输入信号的上升沿到来时 关闭t 0t 1计数使能. 此时定时器t 0的计数值为N 0数器t 1的计数值中断返回后程序调用自适应算法子程序 确定下0.

次测频的最优时限闸门 进行相应的计算后输出显示被测信号频率.

实验数据(表1() ) 3

表l ! 实验数据

应用自适应等精度数字测频法实测数据

低! 频! 段0. 1323

中! 频! 段

高! 频! 段

信号输入数字显示信号输入数字显示信号输入数字显示

0. 1321310. 86~z

310. 8631. 729k ~z 31729

5. 0842~z 5. 08401. 3575k ~z 13575109. 74k ~z 109743为N 1. 则被测信号的频率可以表示为:F =N 1/I (65536N +N 0) /t C ]

(6

) 其中t C =12/f c f c 为晶振频率. . 3! 自适应等精度数字测频的单片机实现(1

) 测频装置的硬件实现如图6所示 应用51系列单片机构成的最小系统就可实现本文介绍的高精度测量方法. 被测信号连接到计数器t 0和外部中断I N t 1的输入端. 使用双恒温的晶振 给系统提供高精度基准信号源. 利用

2

C 总线控制芯片Z ~O N G L I G O N G 7290完成键值输入和六位L E D 显示数码管显示功能.

图6! 系统硬件原理图

(2

) 测频装置的软件实现如图7所示 系统经初始化后进入w h i l e 循环 信号的第一上升沿将引起I N t 1中断.

系统响应中图7! 软件流程图

断置t R 0=1~t R 1=1 同时关闭自身中断 打开时限闸门. 在到达闸门时限后 系统响应t 0溢出中断 记录中断次数 打开I N t 1中断. 下一个信号的上升沿引起第二次I N t 1中断 置t R 0=0~t R 1=

14. 611~z 14. 6113. 7216k ~z 3721633. 19k ~z

233192

41. 691~z 41. 6917. 6223k ~z 76223379. 74k ~z 37973997. 512~z 97. 51217. 224k ~z 17224475. 84k ~z 475843

!! 从上面的实验数据可以看出

应用自适应等精度测频法完全消除了频率测量中的i 1误差 实现了小数点后三位的精确测量与显示 满足了对高中低各频段的高精度测量的要求.

(4

) 误差分析信号频率的计算公式(5) 也可表示为:F =(N 1' f c )

/I (65536' N +N 0) ' 12](7) 此方法的误差为:

' F =N 1+f c -65536' N +N (8) 0

其中f c 为双恒温晶振的固有频率

其频稳度可达0-11!

10-12

数量级3N 1是计数器1在闸门时限内的计数值 由于从跟本上消除了误差i 1误差

所以N 1/N 13N 是t 0溢出中断次数

d N =0 所以5536' d N =0

3N 0为定时器t 0最后一次溢出中断后所记的值 其误差为i 1

被测信号的相对误差为:

' F =65536' N +N 0+f c

#65536' N +N 0(9) 可见由于分母的值非常大 而且分母的值会随着t 0溢出中断次数的增加而增大 从而大大提高了测量的精度. 由于N $1 所以当N =1时

此系统的最大相对误差为10-4!

10-5 当N 增大时系统的相对误差会减小. 此技术简化了电路结构 提高了系统的可

靠性. 要想提高系统的精度则增大N 值或提高计数定时器的位数便可. 由此可见自适应等精度数字测频的精度满足高精度测量的要求.

! 结! 论

本文对等精度测频方法进行了改进 采用自适应分段设置最优时限闸门的方法 应用单片机系统成功地实现了宽范围频率信号的高精度测量 简化了电路结构 提高了系统的可靠性 测量精度可达

2I

1d 63

第2期

王首坤! 林波涛等" 自适应等精度频率测量方法与实现

I E E E P E S .

349

0. 001~z 以上 实测测量范围从0. 01~z 到

如果采取更高频的晶振 测量范围和精度500k ~z . 也会提高. 应用该技术已成功实现了高精度数字测频仪 转速仪 扭矩仪. 参考文献!

1u J u n L i X i n A i~o n . S t u d n~i h -P e r f o r m a n c et e m -! X g y o g

e r a t u r em e t e rU s i n u a r t zt u n i n -F o r kt e m e r a t u r eA e n -p g C g p

s o r . I n t e l l i e n t C o n t r o l a n dA u t o m a t i o n 2004I E E EC N F . g 2a o Z h i u n L i u~o n . AN e wA u t o -A d a t C e n t r e F r e u e n c ! B y g p I y

E zN a h o u r a i i d i t o r -i n -c h i e f . D S P -B a s e dt e s t i n fA n a l o 3! E g o g

a n dm i x e d -S i n a l C i r c u i t s m . C o m u t e r S o c i e t r e s s o f t h e g p y P I E E EE d i t o r i a l B o a r d 1987.

基于同步周期扩展的宽范围等精度快速频率 4! 赏星耀项新建.

测量方法的研究. 仪器仪表学报 20048.

精度可变多周期不间断测的方法的研究. 仪器仪表学 5! 张庚辰.

报 20006

基于单片机的等精度数字测频装置的原理与实现 国 6! 陈一新.

外电子元器件2002.

一种基于自适应分频的频率测量方法及其实现. 7! 钟波孟晓风.

o f S S CS i g n a l sR F m e t h o d f o r P o w e r l i n eC o m m u n i c a t i o nu n -d e r S t r o n g N o i s eB a c k g r o u n d C %t r a n s m i s s i o na n dD i s t r i -b u t i o n C o n f e r e n c ea n d E x h i b i t i o n A s i aa n d P a c i f i c 2005

汪首坤 1977- 男 湖南常德人 硕士生 北京理工大学任讲师 主要有从事数字控制和计算机测试技术等方面的研究 b i t w s k " b

i t . e d u . c n 电子技术应用 2005.

8 ! 乔长安

陈运涛 张富平 李彬. 等精度频率测量方法. 火力与指挥控制 2003.

林波涛 1980- 男 山东吕邑市人 北京理工大学攻读机械电子工程硕士 主要从事视频图像处理与流媒体通信p r o m -i s i n g l i n "

t o . c o m

自适应等精度频率测量方法与实现

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

汪首坤， 林波涛， 王军政， WANG Shou-kun， LIN Bao-tao， WANG Jun-zheng北京理工大学信息科学技术学院自动控制系,北京,100081传感技术学报

CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS2007,20(2)7次

参考文献(8条)

1. 乔长安;陈运涛;张富平;李彬 精度频率测量方法[期刊论文]-火力与指挥控制 2003(z1)2. 钟波;孟晓风 一种基于自适应分频的频率测量方法及其实现[期刊论文]-电子技术应用 2005(9)3. 陈一新 基于单片机的等精度数字测频装置的原理与实现[期刊论文]-国外电子元器件 2002(4)4. 张庚辰 精度可变多周期不间断测的方法的研究[期刊论文]-仪器仪表学报 2000(06)

5. 赏星耀;项新建 基于同步周期扩展的宽范围等精度快速频率测量方法的研究[期刊论文]-仪器仪表学报 2004(08)6. Ez Nahouraii;Editor-in-chief DSP-Based Testing of Analog and Mixed-Signal Circuits 19877. Bao Zhiyun;Liu Hong A New Auto-Adapt Centre Frequency of SSC Signals RF Method for Power lineCommunication under Strong Noise Background[会议论文] 2005

8. Xu Jun;Li Xin;Ai Hong Study on High-Performance Temperature Meter Using Quartz Tuning-ForkTemperature Aensor

引证文献(7条)

1. 沈伟. 王军政. 汪正军 一种基于信号补偿的频率测量方法[期刊论文]-仪器仪表学报 2010(10)2. 汤浩. 罗凯. 李代金 大型回转体转动惯量测量系统的设计[期刊论文]-传感技术学报 2010(11)

3. 任全会. 王学力 基于SOC自适应等精度测频系统的设计[期刊论文]-郑州铁路职业技术学院学报 2009(4)4. 汪之国. 龙兴武. 王飞 高精度测频方法及其在四频激光陀螺中的应用[期刊论文]-传感技术学报 2009(10)5. 吕运朋. 李海威. 张全法. 蒋华勤 基于ARM的嵌入式高精度频率计的设计[期刊论文]-电子测量技术 2009(1)6. 国彬. 张和生 基于CPLD与DSP的高精度自适应频率测量方法的研究与实现[期刊论文]-计算机测量与控制2008(12)

7. 毛文宇. 吴剑文. 李伟斌 等精度频率计的设计[期刊论文]-科技创新导报 2007(29)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cgjsxb200702024.aspx