??? 被測信號f_x和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號f₀分別作為計數(shù)器A和B的計數(shù)脈沖,同步門信號作為主門A和B的門控信號,而同步門信號由被測信號f_x和時間控制器共同控制。被測信號作為同步門的觸發(fā)信號,時間控制器控制同步門的預(yù)置時間T′。開始測量時,稍滯后的預(yù)置時間處于被測信號的某一周期低電平或高電平處,同步門尚未開啟,這時被測信號和晶振脈沖信號都不會被計數(shù)。只有當(dāng)被測信號下一個周期的上升沿到達時同步門才開啟(這里假定觸發(fā)器為上升沿觸發(fā)),被測信號和晶振脈沖信號才開始計數(shù)。當(dāng)時間控制器預(yù)置時間T′結(jié)束時,同步門不會立即關(guān)閉,而是等到被測信號下一個上升沿到來時才關(guān)閉。這時計數(shù)器A和B都停止計數(shù),實際上同步門的開啟時間為T而不是T′。所以可以得到:
???

?? ?其中:T為同步門控時間;f_x(T_x)為被測信號頻率(周期);f₀(T₀)為標(biāo)準(zhǔn)晶振信號頻率(周期);M為計數(shù)器A的計數(shù)值;N為計數(shù)器B的計數(shù)值。
??? 根據(jù)誤差傳遞公式可以得到被測信號頻率的相對
?? ?其中:A的計數(shù)相對誤差;

??? 由于計數(shù)器A的計數(shù)是在與被測信號相關(guān)的同步門T進行的,被測信號又作為同步門的觸發(fā)信號,且為整數(shù),故被測信號的計數(shù)值M不存在計數(shù)誤差,即所以稱這種測量誤差與被測信號無關(guān)的測量方法為同步測量。但由于晶振信號與門控信號不相關(guān),門B必會產(chǎn)生量化誤差,M越大時,N就越大,所以進行多周期測量能減小測量誤差。由此可見,這種多周期同步測頻法較簡單的測頻測周法能明顯提高測量的準(zhǔn)確度,而且測量誤差與被測信號頻率無關(guān),可以省去計算中界頻率和選擇測量模式;級),所以這種測量模式對于要求10^-7以上的高準(zhǔn)確度測量仍不能滿足需要,這種測量只能稱作準(zhǔn)同步測量。
2 多周期完全同步測頻原理
??? 完全同步測量就是門控信號與被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都相關(guān),測量開始和結(jié)束時門控信號與被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都同步,也就是門控時間既是被測信號周期的整數(shù)倍又是晶振信號周期的整數(shù)倍。這樣在門控時間內(nèi)被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都沒有量化誤差,從而實現(xiàn)兩信號的完全雙同步。這里巧妙地利用相位檢測技術(shù)控制同步觸發(fā)即可實現(xiàn)。當(dāng)兩路信號在某點相位相同,經(jīng)過若干周期后它們在同一相位點相位又相同,那么這段時間兩路信號一定都經(jīng)過整數(shù)個周期(但周期數(shù)不一定相同),用它作為同步門控時間控制兩個主門的開啟,兩個計數(shù)器都不會產(chǎn)生±1誤差,從而實現(xiàn)真正意義上的同步測量。測量原理如圖2所示。

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??? 被測信號和晶振信號經(jīng)過整形后都加到相位檢測器" title="相位檢測器">相位檢測器;相位檢測器檢測到兩路信號都在某一相位點(零相位點)時產(chǎn)生觸發(fā)信號,門控電路輸出高電平,主門A和B同時打開,計數(shù)器A和B同時計數(shù);經(jīng)過時間T后,相位檢測器又檢測到兩路信號到達同一相位點,產(chǎn)生一觸發(fā)信號,這時門控電路輸出低電平,主門A和B同時關(guān)閉,計數(shù)器A和B停止計數(shù)。由于相檢器是從兩路信號的同一零相位點開始觸發(fā),另一個零相位點再次觸發(fā),兩次觸發(fā)的時間間隔與兩路信號都相關(guān),且是每路信號周期的整數(shù)倍。與前面的多周期測量一樣,T=即被測信號的頻率準(zhǔn)確度與晶振的頻穩(wěn)度相等。從理論上看,被測信號的頻率準(zhǔn)確度可以達到10^-11～10^-12數(shù)量級,這樣的測量準(zhǔn)確度比前面的多周期測量的準(zhǔn)確度高好幾個數(shù)量級。但實際上由于相位檢測器的過零檢測及門控電路的觸發(fā)都會產(chǎn)生誤差,實際測量的頻率準(zhǔn)確度會比理論值低,而且這種測量也是靠犧牲測量時間來提高測量準(zhǔn)確度,所以也不適宜快速測量。
3 多周期完全同步測頻在單片機測量系統(tǒng)" title="測量系統(tǒng)">測量系統(tǒng)中的實現(xiàn)
??? 整個測量系統(tǒng)由單片機、模擬電路和顯示電路組成。單片機在測量系統(tǒng)中主要完成定時、計數(shù)和運算功能。測量開始時,經(jīng)過整形后的被測信號和晶振信號送到相位檢測器,當(dāng)它們都在第一個零相位點時,檢測器將高電平送到單片機,兩計數(shù)器同時開始計數(shù)。當(dāng)兩路信號第二個零相位點到來時,檢測器將低電平送到單片機,計數(shù)器都停止計數(shù)。將兩個計數(shù)值經(jīng)過運算后由顯示器顯示。測量原理框圖如圖3所示。軟件流程圖如圖4所示。

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??? 在測量過程中要用到一個定時器和兩個計數(shù)器,定時器受相位檢測器的控制。當(dāng)相位檢測器檢測到兩路信號都為零相位時,產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,定時器開始計時;當(dāng)相位檢測器再次檢測到兩路信號的相位又都為零時,產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,定時器停止計時。與此同時,兩計數(shù)器分別在定時器計時期間對被測信號及晶振信號進行計數(shù),將計數(shù)結(jié)果送運算器運算(由軟件編程進行)。最后由顯示器顯示測量結(jié)果。由于測量準(zhǔn)確度較高,顯示器的位數(shù)也要適當(dāng)增加。
4 實際應(yīng)用及分析
??? 根據(jù)上述設(shè)計情況,將這個頻率測量系統(tǒng)用三個實驗進行實測:一是對中央電視臺同步信號系統(tǒng)的頻率基準(zhǔn)(4.43361875MHz)進行測量,其頻率準(zhǔn)確度高于5×10^-12,選用雙恒溫晶振的頻穩(wěn)度為1×10^-11,測量時最后一位數(shù)字在變化,整個系統(tǒng)的頻率準(zhǔn)確度達2×10^-9;二是對某雷達信號的頻率進行測量,測得其頻率為8988.67436MHz,最后一位有3個字的變化,頻率準(zhǔn)確度為3×10^-9;三是對晶振信號進行二分頻信號測量得到20.00000006MHz,最后一位有3個字的變化,頻率準(zhǔn)確度為3×10^-10。從測量結(jié)果看,整個測量系統(tǒng)并不能使頻率測量準(zhǔn)確度與晶振的頻穩(wěn)度在同一個數(shù)量級,而是有近兩個數(shù)量級的差距。主要是由于相檢器觸發(fā)產(chǎn)生的觸發(fā)誤差及系統(tǒng)響應(yīng)引起的響應(yīng)誤差等。但這個測頻系統(tǒng)比通常的多周期同步測量系統(tǒng)(測量頻率準(zhǔn)確度可達10^-6數(shù)量級)測量準(zhǔn)確度要高出三個數(shù)量級。
??? 通過對多周期同步測頻法的分析,提出了多周期完全同步測頻法的設(shè)計方法,最后用單片機實現(xiàn)這種方法,使頻率測量的準(zhǔn)確度由原來的10^-6數(shù)量級提高到10^-9數(shù)量級。整個測量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)較簡單,軟件設(shè)計也很容易,可以得到較好的應(yīng)用。
參考文獻
1 蔣煥文.電子測量[M].北京:中國計量出版社,1996