可編程定時(shí)／計(jì)數(shù)器作脈沖信號(hào)發(fā)生器時(shí)提高輸出頻率準(zhǔn)確度的方法

1、可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器作脈沖信號(hào)發(fā)生器時(shí)提高輸出頻率準(zhǔn)確度的方法【摘要】探討了用可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器作脈沖信號(hào)發(fā)生器時(shí)，輸出頻率發(fā)生誤差的特點(diǎn)，介紹了提高輸出頻率準(zhǔn)確度的方法，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：計(jì)數(shù)器，脈沖發(fā)生器，頻率準(zhǔn)確度1引言以單片機(jī)內(nèi)置或?qū)Ｓ每删幊潭〞r(shí)計(jì)數(shù)器作脈沖發(fā)生器時(shí)，一般輸入脈沖由晶振產(chǎn)生經(jīng)過整形或分頻后形成，有很高的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。設(shè)輸入脈沖頻率為fin，期望輸出脈沖頻率為f，應(yīng)置入脈沖發(fā)生器的計(jì)數(shù)值Nfinf，當(dāng)f為fin的約數(shù)，則N為整數(shù)，f【摘要】探討了用可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器作脈沖信號(hào)發(fā)生器時(shí)，輸出頻率發(fā)生誤差的特點(diǎn)，介紹了提高輸出頻率準(zhǔn)確度的方法，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 關(guān)鍵詞

2、：計(jì)數(shù)器，脈沖發(fā)生器，頻率準(zhǔn)確度1引言以單片機(jī)內(nèi)置或?qū)Ｓ每删幊潭〞r(shí)計(jì)數(shù)器作脈沖發(fā)生器時(shí)，一般輸入脈沖由晶振產(chǎn)生經(jīng)過整形或分頻后形成，有很高的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。設(shè)輸入脈沖頻率為fin，期望輸出脈沖頻率為f，應(yīng)置入脈沖發(fā)生器的計(jì)數(shù)值Nfinf，當(dāng)f為fin的約數(shù)，則N為整數(shù)，f與fin的準(zhǔn)確度相同；f不是fin的約數(shù)，則N也不為整數(shù)，Nn，其中，n為N的整數(shù)部分，為N的純小數(shù)部分，由于計(jì)數(shù)值只能為整數(shù)，實(shí)際計(jì)數(shù)值Np只能取N的近似數(shù)n或n1，實(shí)際輸出脈沖頻率fpfinNp，因Np取近似值，fp與f間必然存在誤差，且此誤差分量較之因fin準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度有限引起的誤差分量可能大得多。f的準(zhǔn)確度主要受

3、Np的近似度的影響。本文在不計(jì)由fin準(zhǔn)確和穩(wěn)定度影響f準(zhǔn)確度的條件下，分析由Np引起f誤差的特點(diǎn)，探討消除或減小因Np引起f誤差的方法，從而提高f的準(zhǔn)確度。2單時(shí)鐘源時(shí)，Np取近似值影響輸出頻率準(zhǔn)確度的分析 當(dāng)脈沖發(fā)生器輸入脈沖為fin時(shí)，若最大計(jì)數(shù)值為nmax，則Np取值可能為1，2，nmax有nmax種可能，相應(yīng)地，fp被離散為fin，fin2，finnmax，也有nmax種取值可能，令fin（nmax1）0，這些離散頻率將0fin頻段分成nmax個(gè)子頻段，對(duì)于任一f（0，fin），總對(duì)應(yīng)一n，使f（fin（n1），finn），Np取n或n1近似N，實(shí)際上是用finn或fin（n1）來近

4、似f。當(dāng)f為fin的約數(shù)時(shí)，NpN，fpf，絕對(duì)誤差ffpf0，相對(duì)誤差ff0；當(dāng)f不為fin的約數(shù)時(shí)，f0，0，f和的值與Np的取值方案有關(guān)，有以下三種情況：（1）Npn方案。fpfinnf，f0，0，f隨f的增大而減小，f趨近于fin（n1）時(shí)，f和趨于極大值，f趨近于finnfin（n1）fin（n（n1），趨于1n。采用此方案時(shí)，f越接近于fin（n1），f的準(zhǔn)確性越差（見圖1，f（f）曲線）。（2）Npn1方案。fpfin（n1）f，f0，0，f隨f的增大而增大，f趨近于finn時(shí)，f和趨于極大值，f趨近于fin（n1）finnfin（n（n1），趨近于1n。采用此方案時(shí)，f越接近于

5、finn，f的準(zhǔn)確性越差。（見圖2，f（f）曲線）。 （3）以f為最小原則，f（fin（n1），fin綜合以上三種方案的誤差情況，因Np取近似值而引起的輸出頻率誤差有以下特點(diǎn)：（1）三種方案下的f（f）曲線都由一組斜率為1的平行線段組成，子頻段越寬，斜線段越長。說明各子頻率的最大絕對(duì)誤差值MAX（f）及MAX（）與子頻段寬度成正比。而子頻段的寬度與n成反比。（2）第三方案各子頻段的MAX（f）和MAX（）為前面方案的一半，說明方案三較前兩方案更合理，以后討論Np取值時(shí)都按方案三。（3）評(píng)價(jià)發(fā)生器的準(zhǔn)確度，是用給定頻段最大相對(duì)誤差大小，最大誤差大小取值越小，則發(fā)生器的準(zhǔn)確度越高，在子頻段（fin

6、（n1），finn），其極大值為1（2n1），由此可以看出，fin一定時(shí)，f越大，n越小，子頻段的極大值越大，準(zhǔn)確度越低，對(duì)于給定的輸出頻段的準(zhǔn)確度，可以用該頻段頻率上限對(duì)應(yīng)的子頻段的極大值來評(píng)價(jià)。換言之，提高了輸出高頻段的準(zhǔn)確度，也就提高了整個(gè)輸出頻段的準(zhǔn)確度。表1是設(shè)fin107Hz，f在不同數(shù)量級(jí)Hz頻段，N取近似值影響f準(zhǔn)確度的指標(biāo)。從表1可以看出，f每增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，MAX（）增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，MAX（f）增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)。3提高輸出頻率準(zhǔn)確度的方法在給定可編程定時(shí)計(jì)時(shí)器條件下，針對(duì)Np引起輸出頻率誤差的特點(diǎn)，可以采取不同方法消除或減小輸出頻率誤差，從而提高輸出頻率的準(zhǔn)確度。（1）脈沖發(fā)

7、生器僅需有限個(gè)確定頻點(diǎn)輸出時(shí)，以下兩種方法可以消除因計(jì)數(shù)值近似引起的輸出頻率誤差。 單時(shí)鐘源公倍數(shù)法若取fin為這些頻點(diǎn)的公倍數(shù)，則其中每個(gè)頻點(diǎn)f對(duì)應(yīng)的N都為整數(shù)，從而消除了因計(jì)數(shù)值近似引起的輸出頻率誤差。采用此法須注意，一是fin不得超出脈沖發(fā)生器允許輸出頻率上限，二是確定已知頻點(diǎn)的有效位數(shù)時(shí)要考慮到晶振準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。 多時(shí)鐘源公倍數(shù)法采用單時(shí)鐘公倍數(shù)法確定的fin超出脈沖發(fā)生器輸入頻率上限時(shí)，可以采用二時(shí)鐘源或多時(shí)鐘源公倍數(shù)法，二時(shí)鐘源公倍數(shù)法的具體做法是，將各輸出頻點(diǎn)分成兩組，分別求出各組對(duì)應(yīng)的公倍數(shù)fin1及fin2，若此fin1或fin2有一個(gè)大于脈沖發(fā)生器輸入頻率上限時(shí)，則重新分

8、組，直到兩組的公倍數(shù)fin1及fin2都達(dá)到輸入頻率上限要求，電路上設(shè)置相應(yīng)的兩振蕩電路及二選一開關(guān)，根據(jù)輸出頻率而將對(duì)應(yīng)的fin1或fin2切換到脈沖發(fā)生的輸入端。若分成兩組后，無論怎樣調(diào)整分組都不能使fin1及fin2同時(shí)滿足輸入頻率上限要求，則可采用多時(shí)鐘源公倍數(shù)法?？紤]到增加時(shí)鐘源數(shù)后，給軟硬件帶來的復(fù)雜性，在滿足輸入頻率上限要求的前提下，時(shí)鐘源數(shù)應(yīng)盡量少。（2）已知輸出頻率上限，不能確定具體期望輸出頻率時(shí)，盡量提高fin或增加時(shí)鐘源數(shù)，縮小近似子頻段寬度，減小子頻段內(nèi)可能出現(xiàn)的MAX（）及MAX（f）。提高時(shí)鐘源fin法若要求輸出頻率上限為fmax，則對(duì)應(yīng)Nminfinfmaxnmi

9、n，輸出頻段可能出現(xiàn)的MAX（）1（2nmin1）若能使fin增大，則nmin增大，MAX（）相應(yīng)減小，從而提高了輸出頻率的準(zhǔn)確度。 多時(shí)鐘源等分子頻段法提高時(shí)鐘源fin，受脈沖發(fā)生器允許輸入上限頻率的制約，若還需要提高輸出頻率準(zhǔn)確度，可以增加時(shí)鐘源數(shù)，將（fin（nmin1），finnmin）子頻段作M等分，則可將MAX（）縮小M倍。設(shè)有M個(gè)時(shí)鐘源，其頻率分別為fin，fin1，finM1，可通過M選一開關(guān)，接入其一到脈沖發(fā)生器的輸入端，經(jīng)過nmin分頻后，正好將（finnmin1，finnmin）M等分，即也即只要finjfin（1j（M（nmin1）（j1，2，M1），就可以將子頻段（f

10、in（nmin1），finnmin）等分為M個(gè)子區(qū)間。用最小f原則通過切換進(jìn)相應(yīng)的時(shí)鐘源，f可以用fin（nmin1），finM1nmin，fin1nmin，finnmin來近似。各子區(qū)間MAX（M）（）M。一般地，當(dāng)nnmin時(shí)，M1個(gè)增加的時(shí)鐘源finj（j1，2，M1），經(jīng)n分頻后不一定能將（fin（n1），finn）作M等分，但能使此子頻段分割，且各子區(qū)間寬度都小于fin（Mnmin（nmin1），各子區(qū)間內(nèi)的MAX（）小于MAX（M）。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們對(duì)多時(shí)鐘源等分子頻段法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器用Intel82542，取fin10MHz，fmax10kHz，M5，則nmin1000，用頻率計(jì)將各振蕩器輸出頻率標(biāo)定為：fin10MHz，fin199980020Hz，fin299960040Hz，fin399940060Hz，fin499920080Hz。再將Intel82542置入不同計(jì)數(shù)值，分別用各時(shí)鐘源輸入時(shí)，測(cè)出Intel82542輸出頻率，結(jié)果見表2。從表2可以看出，在單一時(shí)鐘源時(shí)，計(jì)數(shù)器兩相鄰實(shí)際輸出頻率之差最大為100Hz，輸出頻率準(zhǔn)確度為5