一種多周期測(cè)量頻率的方法及應(yīng)用

1 引 言

　　多周期測(cè)量法是一種很靈活的頻率測(cè)量方法，通過(guò)調(diào)整被測(cè)信號(hào)的周期個(gè)數(shù)可以在測(cè)量精度和測(cè)量時(shí)間二者之間做出最佳選擇，對(duì)于用普通的測(cè)頻法和測(cè)周法難以保證測(cè)量精度的非等周期信號(hào)，如氣壓傳感器的輸出信號(hào)，多周期測(cè)量法是最佳選擇。另外，通過(guò)提高基準(zhǔn)頻率和選用大容量計(jì)數(shù)器等措施還可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，這種測(cè)量方法可用于高精度頻率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

2 信號(hào)采集要求

　　在研制基于GPRS的自動(dòng)氣象站中，氣壓采集系統(tǒng)采用電激勵(lì)諧振筒式壓力傳感器。該傳感器輸出為周期C(或頻率f)與氣壓相關(guān)的TTL電平的矩形波信號(hào)(下稱原始信號(hào))和一個(gè)與環(huán)境溫度呈線性關(guān)系的0～5 V的模擬電壓信號(hào)。輸出信號(hào)頻率與氣壓P一一對(duì)應(yīng)，單值連續(xù)，振動(dòng)筒諧振頻率的變化反應(yīng)了氣壓的變化。

　　國(guó)家氣象局對(duì)氣壓遙測(cè)的要求，測(cè)量范圍為50～110 kPa，采集的分辨率為0.01 kPa，準(zhǔn)確度為±0.03 kPa，采集速率為6次／min(1 min共取6個(gè)樣本值，取中間大小的4個(gè)值的等權(quán)算術(shù)平均值)。根據(jù)周期C(或頻率f)對(duì)氣壓的最低靈敏度來(lái)確定周期及頻率測(cè)量的分辨率，根據(jù)周期C(或頻率f)對(duì)溫度的最高交叉靈敏度決定對(duì)溫度電壓的分辨率。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，欲使氣壓系統(tǒng)分辨率達(dá)0.01 kPa，這就要求周期測(cè)量分辨率為0.002 636 2μs，頻率測(cè)量的分辨率為0.068 645 Hz，對(duì)溫度電壓的分辨率為43 mV。

3 測(cè)量頻率和周期的基本方法

　　電子計(jì)數(shù)器測(cè)量信號(hào)頻率和周期的基本原理是門(mén)控法，如圖1所示。

　　(1)在測(cè)量頻率時(shí)，被測(cè)信號(hào)加在A端，B端加門(mén)控信號(hào)，其信號(hào)寬度TB即是采樣時(shí)間，被測(cè)信號(hào)頻率為：

　　N為閘門(mén)時(shí)間TB內(nèi)的脈沖數(shù)。測(cè)量的最大誤差為：

　　誤差中前項(xiàng)是量化誤差，后部分是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)誤差引起。若滿足0.068 645 Hz分辨率的要求，門(mén)控信號(hào)寬度TB(采樣時(shí)間)要超過(guò)15 s。按照這種方法，不能達(dá)到國(guó)家氣象局規(guī)定的氣壓采集速率6次／min。

　　(2)測(cè)量信號(hào)周期時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)加在A端，B端門(mén)控信號(hào)由被測(cè)信號(hào)觸發(fā)，其信號(hào)寬度TB為被測(cè)信號(hào)的周期，被測(cè)信號(hào)周期C為：

　　其中，N為被測(cè)時(shí)間內(nèi)對(duì)周期為τ的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)，測(cè)量的最大誤差為：

　　誤差中前項(xiàng)是量化誤差，后部分是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)誤差引起的。若滿足0.002 636 2 μs分辨率的要求，時(shí)標(biāo)信號(hào)的頻率要高于379.33 MHz，實(shí)現(xiàn)難度大，用微控制器直接測(cè)量時(shí)是不能完成的。

4 多周期測(cè)周法

　　對(duì)信號(hào)M分頻后觸發(fā)產(chǎn)生門(mén)控信號(hào)對(duì)時(shí)標(biāo)信號(hào)計(jì)數(shù)(如圖2所示)。

　　誤差中前項(xiàng)是量化誤差，后部分是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)誤差引起的。從式中可知，被測(cè)信號(hào)周期擴(kuò)展M倍后，對(duì)時(shí)標(biāo)信號(hào)的頻率要求不很高，電路容易實(shí)現(xiàn)，并能將量化誤差降到單周期測(cè)量的1／M；為減小標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)帶來(lái)的誤差，要求時(shí)標(biāo)信號(hào)具有較高的精度。

　　觸發(fā)誤差的抑制 傳感器輸出的信號(hào)為矩形波信號(hào)由原始振蕩信號(hào)經(jīng)整形得到，信號(hào)中疊加的噪聲在整形時(shí)會(huì)使矩形波信號(hào)的觸發(fā)沿提前或滯后。多周期測(cè)周時(shí)使相鄰周期的觸發(fā)誤差相互抵消。M個(gè)周期的累計(jì)觸發(fā)誤差只相當(dāng)于單個(gè)周期的觸發(fā)誤差。

5 信號(hào)測(cè)量單片機(jī)控制電路的實(shí)現(xiàn)

　　圖3為多周期測(cè)周的原理圖，其核心是P89LPC935。

　　P89LPC935是PHILIPS公司LPC900系列單片封裝的微控制器，采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)(與51系列兼容)，速度6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件，除51系列單片機(jī)資源外還具有8 kB FLASH程序存儲(chǔ)器，512片內(nèi)用戶數(shù)據(jù)E2PROM存儲(chǔ)區(qū)，2個(gè)4路輸入的8位A／D轉(zhuǎn)換器和2個(gè)DAC，I2C，SPI總線、片內(nèi)看門(mén)狗和復(fù)位電路、捕獲／比較單元(CCU)等資源。

　　原始信號(hào)(傳感器輸出的與氣壓有關(guān)的矩形波信號(hào))接到分頻電路CD4020的時(shí)鐘輸入端，經(jīng)256分頻后接到P89LPC935的／INT1端，作為門(mén)控信號(hào)控制P89LPC935內(nèi)部的定時(shí)計(jì)數(shù)器1。定時(shí)計(jì)數(shù)器1工作在定時(shí)方式，在門(mén)控信號(hào)為高電平時(shí)計(jì)數(shù)。時(shí)鐘為PCLK，為外接晶振11.059 2 MHz的2分頻(6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件)，即5.529 6 MHz。

　　如圖4所示，原始信號(hào)周期C在200 μs左右，256分頻后的門(mén)控信號(hào)周期在51 200μs左右(256C)，一個(gè)周期中高電平部分約為25 600 μs(高電平部分128 C)，在高電平時(shí)對(duì)5.529 6 MHz計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值約為141 500，超過(guò)16位計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度，將產(chǎn)生溢出并產(chǎn)生中斷。開(kāi)辟1個(gè)內(nèi)部RAM，在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行加l操作，即可滿足計(jì)數(shù)字長(zhǎng)要求。計(jì)數(shù)過(guò)程如下：

S1：首先判斷／INT1是否為高電平，該過(guò)程時(shí)間最長(zhǎng)256C；

S2：判斷／INT1是否為低電平，若是，計(jì)數(shù)器清零，允許計(jì)數(shù)，允許計(jì)數(shù)器溢出中斷，該過(guò)程時(shí)間128C；

S3：／INT1為高電平時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器溢出時(shí)產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)子程序中高位加1，該過(guò)程時(shí)間128C；

S4：后續(xù)處理，包括頻率計(jì)算、溫度采集及其他運(yùn)算。該過(guò)程時(shí)間小于128C。

　　整個(gè)計(jì)數(shù)及處理過(guò)程時(shí)間小于640 C，在128 ms以內(nèi)，遠(yuǎn)小于10 s。原始信號(hào)的周期C及測(cè)量誤差如下計(jì)算。原始信號(hào)的周期為C，計(jì)數(shù)值為N，計(jì)算公式為：

其中，M=128；τ=(1／5.529 6)μs；128C=(N／5.5296)μs，C=N×0.001 4μs。

其測(cè)量誤差為：

　　誤差中前項(xiàng)是量化誤差，為0.001 4μs；后部分是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)誤差(即晶振的誤差)引起的。在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，C最大值為211.787 9μs，選取準(zhǔn)確度優(yōu)于5 ppm的晶振，該項(xiàng)誤差最大值為：211.787 9μs×5 ppm=0.001 1μs；兩者的和小于0.002 636 2μs，滿足要求。

　　上述的分析計(jì)算是兩者絕對(duì)值相加，有一定的冗余。如果進(jìn)一步提高M(jìn)值，將進(jìn)一步減小量化誤差。

　　用該方法測(cè)量周期的前提條件是選取準(zhǔn)確度優(yōu)于5 ppm的晶振，測(cè)量周期的誤差最小可控制在0.001 1μs。

　　將溫度信號(hào)直接連接到P89LPC935的模擬輸入端AD10(P0.1)引腳，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間為μs量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于要求的采樣周期10 s，在溫度采集時(shí)，有足夠的時(shí)間對(duì)A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其具體方法為：每次采集進(jìn)行18次A／D轉(zhuǎn)換，去掉一個(gè)最大值和最小值，取其余16個(gè)數(shù)據(jù)算術(shù)平均值作為最終結(jié)果。

　　溫度信號(hào)采集的準(zhǔn)確度為20 mV，優(yōu)于43 mV的要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

　　該測(cè)量方法成功地應(yīng)用于與河南省氣象局合作開(kāi)發(fā)的自動(dòng)氣象站中。用多周期測(cè)周的方法快速準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)的頻率(周期)基于2個(gè)條件：信號(hào)是連續(xù)的；P89LPC935的晶振必須使用外接的高精度、高穩(wěn)定晶體振蕩器(準(zhǔn)確度優(yōu)于5 ppm)。