高精度恒誤差數(shù)字頻率計設(shè)計

1、第23卷第3期2000年9月南京氣象學(xué)院學(xué)報JournalofNanjingInstituteofMeteorology.23No.3VolSep.2000文章編號:100022022(2000)0320435205高精度恒誤差數(shù)字頻率計設(shè)計周欣(南京氣象學(xué)院電子信息與應(yīng)用物理系,南京210044)摘要:基于高精度恒誤差測頻原理,采用數(shù)字頻率計設(shè)計。,。,在系統(tǒng)可編程:P202+.2文獻標(biāo)識碼:A目前頻率測量主要有3種實現(xiàn)方法1。(1)直接測頻法。直接測頻法是把被測頻率信號經(jīng)脈沖形成電路后加到閘門的一個輸入端,只有在閘門開通時間t內(nèi),被計數(shù)的脈沖才被送到十進制計數(shù)器進行計數(shù),設(shè)計數(shù)器的值為N。

2、由頻率定義式可以計算得到被測信號頻率f=N t。該測量在低頻段的相對測量誤差較大。增大t可以提高測量精度,但在低頻段效果不理想。(2)組合法。組合測頻法是指在低頻時采用直接測量周期法測信號周期,然后換算成頻率。這種方法可以在一定程度上彌補上述方法的不足,但是難以確定最佳分測點,且電路實現(xiàn)復(fù)雜。(3)倍頻法。直接測頻法在高頻段有很高的精度?？梢园杨l率測量范圍分成多個頻段,使用倍頻技術(shù),根據(jù)頻段設(shè)置倍頻系數(shù)將經(jīng)整形后的低頻信號進行倍頻后再進行測量,高頻段則進行直接測量。上述3種方法,倍頻法雖然在理論上可以達到很高的精度,但在低頻段,就目前常規(guī)的鎖相器件而言,倍頻法中的鎖相電路工作性能不理想,頻率小

3、于100Hz時甚至不能工作。3種方法本質(zhì)上都是立足于頻率基本定義,沒有擺脫傳統(tǒng)的測量方法的局限。而本文提出的恒誤差測頻法可以用單片機程序方便地完成寬位浮點數(shù)的數(shù)學(xué)運算,實現(xiàn)高精度測量。1高精度恒誤差測頻法原理及誤差分析1.1測頻原理高精度恒誤差測頻原理是一種測量精度與被測頻率無關(guān)的硬件測頻電路1。本方法立足于快速的寬位數(shù)高精度浮點數(shù)字運算。如圖1所示,預(yù)置門控信號是一個寬為tpr的一個脈沖,CNT1、CNT2是兩個可控計數(shù)器,標(biāo)準(zhǔn)頻率信號從CNT1的時鐘輸入端CLK輸入,其頻率為當(dāng)預(yù)置門控fs;經(jīng)整形后的被測信號從CNT2的時鐘輸入端CLK輸入,其頻率為fxe,測得fx。信號為高電平時,經(jīng)整形

4、后的被測信號沿通過D觸發(fā)器的Q端同時啟動計數(shù)器CNT1、收稿日期:1999211219;改回日期:2000203215作者簡介:周欣,男,1972年11月生,學(xué)士,助教436南京氣象學(xué)院學(xué)報23卷CNT2。CNT1、CNT2分別對整形后的被測信號(頻率為fx)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(頻率為fs)同時計數(shù);預(yù)置門信號為低電平時,經(jīng)整形后的被測信號的一個上沿將使這兩個計數(shù)器同時關(guān)閉。設(shè)在一次預(yù)置門時間tpr中對被測信號計數(shù)值Nx,對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的計數(shù)值為Ns,則(1)fx Nx=fs Ns,推得fx=(fs Ns)×Nx。(2)圖1高精度恒誤差測頻原理框圖Fig.1Theoremofhighac

5、curacyandconstanterror1.2誤差分析(1)量化誤差設(shè)測得頻率為fx,被測頻率真實值為fxc,標(biāo)準(zhǔn)頻率fs,在一次測量中,預(yù)置門時間為tpr,被測信號計數(shù)值為Nx,標(biāo)準(zhǔn)頻率信號計數(shù)值Ns。fx的計數(shù)的起停時間都是由該信號的上跳沿觸發(fā)的,在tpr時間內(nèi)對fx的計數(shù)Nx無誤差;在此時間內(nèi)fs的計數(shù)Ns最多相差一個脈沖。即 et 1,則(3)fx Nx=fs Ns,fxe(Ns+et)。 Nx=fs=(fs Ns)×Nx,(4)(5)(6)(7)由(3)式和(4)式分別推得ffxex(Ns+et)×Nx。=(fs xe根據(jù)相對誤差公式有=fxe fxe= f-

6、fx fxe。將(5)式和(6)式代入(7)式得fxe fxe= et Ns。因為 et 1,所以 et Ns1 Ns,即(8)1 Ns。(9)又因為Ns=tpr×fs,(9)式可得出以下結(jié)論:1)相對測量誤差與頻率無關(guān);2)增大tpr或提高fs,可以所以由(8)式、增大Ns,減小相對測量誤差,提高測量精度。(2)標(biāo)準(zhǔn)頻率晶體的穩(wěn)定度產(chǎn)生的測量誤差設(shè)晶體的穩(wěn)定度為P=fs fs,則Ns的最3期周欣:高精度恒誤差數(shù)字頻率計設(shè)計437小數(shù)值為tpr×fs(1-P)。由于目前晶體振蕩器主要分為溫補晶振和恒溫晶振兩大類,溫補晶振體積小,開機時間短,穩(wěn)定度一般在10-7數(shù)量級上。恒溫

7、晶振的穩(wěn)定度更高,因而相對于量化誤差,標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差可以忽略。2數(shù)字頻率計的實現(xiàn)(1)頻率測量及控制與數(shù)據(jù)處理電路部分數(shù)字頻率計電路框圖如圖2所示2。單片機(AT89C51)完成整個測量電路的控制和數(shù)據(jù)處理,兩片ispLSI1016完成計數(shù)器功能(圖3)。鍵盤信號由89C51進行處理。AT89C51從ispLSI1016讀回計數(shù)數(shù)據(jù)進行高精度浮點運算,并向顯示電路輸出測量結(jié)果。(2)小信號處理電路部分本部分電路的實現(xiàn)采用的是高較器LM361MH范圍等特點,響應(yīng)時間最大僅20ns,輸出電平可與TTL電平相匹配。但是由于比較器輸入易受干擾,因此電路上采用凈化電源并合理安排地線。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)LM361

8、的輸出在零瞬間有些毛刺,在輸出與地間并聯(lián)一只100PF瓷片電容消除了毛刺。圖2電路總框圖Fig.2Digitalcymometerarchitecture圖3測量與控制電路Fig.3Measureandcontrolcircuit(3)標(biāo)準(zhǔn)頻率方波發(fā)生電路部分采用57.05MHz的晶體振蕩器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率方波信號,供數(shù)字測量電路使用。晶體振蕩器采用的恒溫晶振穩(wěn)定度在預(yù)熱2h后為2.0×10-7(24-1h)。438南京氣象學(xué)院學(xué)報23卷(4)顯示電路部分顯示電路采用7SEGLED顯示器。因為本設(shè)計用高精度恒誤差的頻率測試方法,預(yù)置門時間為2.0s,在標(biāo)準(zhǔn)頻率信號為57.05MHz的情況

9、下,根據(jù)上文討論的(2.0×57.05×106(1高精度恒誤差的頻率測頻法相對誤差計算公式可以算出測量精度為:1-2.0×10-7)=0.876×10-8,即能夠顯示接近8位有效數(shù)字,前兩位為整數(shù)部分,后6位為小數(shù)部分。所以,電路中要采用8位LED顯示器。(5)數(shù)字測量部分3,4由于被測信號以及標(biāo)準(zhǔn)頻率信號57.05MHz的頻率較高。實現(xiàn)過程中要考慮到高頻信號之間干擾問題。因而采用兩片最高工作頻率為60MHz的ispLSI1016260器件大大降低了電路復(fù)雜度,減少引線信號間的干擾,提高電路的可靠性穩(wěn)定性。在DATAI O公司的SynarioEDA軟件環(huán)

10、境下,EL2的設(shè)計。其中各種控制電路用原理圖繪制,AB。將標(biāo)準(zhǔn)頻率57.05MHzfx。兩片ispLSI1016,。5(32位),從精度和速度,ASM51匯編環(huán)境而沒有采用C51、PL M等高級語言環(huán)境。32位的浮點算法在8位的AT89C52上實現(xiàn),流程圖如圖4所示。圖432位浮點算法流程圖Fig.4Flowchartforthirty2twobitsfloating2pointalgorithm3系統(tǒng)調(diào)試我們在電路設(shè)計中采用模塊設(shè)計法,各電路模塊進行單獨設(shè)計和調(diào)試,最后將各模塊組合后進行整體調(diào)試。(1)輸入信號處理電路部分的調(diào)試在本部分的調(diào)試過程中主要使用FG1167FUNCTIONGENE

11、RATOR、E3122B型電子計數(shù)式頻率計、DF1631型函數(shù)發(fā)生器、SS25702型雙蹤示波器。利用信號發(fā)生器DF1631產(chǎn)生被測信號,用示波器觀察經(jīng)過信號處理電路后的輸出波形的質(zhì)量,同時將此輸出波形送入頻率計E3122B進行測頻。3期周欣:高精度恒誤差數(shù)字頻率計設(shè)計439(2)數(shù)字測量部分的調(diào)試4本部分的調(diào)試采用ABEL描述語言編寫測試向量,在SynarioWaveformViewer中觀察仿真波形輸出,以驗證本部分的電路邏輯功能。本部分電路的硬件實驗性調(diào)試是由東南大學(xué)研制的SE21“現(xiàn)代電子系統(tǒng)實驗板”來完成。實測得到該系統(tǒng)在頻率范圍為0.019.5MHz內(nèi)8位顯示無誤差。4結(jié)語本項設(shè)計

12、所基于的恒定誤差測頻原理是正確的,基于此項理論設(shè)計的電路是成功的。設(shè)計過程中利用硬件描述語言,將基于恒定誤差測頻原理的數(shù)字化測量電路編程在兩片isp器件中,構(gòu)成了性能優(yōu)越和可靠的ASIC芯片。、高精度測量奠定了良好的基礎(chǔ)。若條件允許,M2來設(shè)計本電路,6參考文獻1 computationallyefficientfrequencyestimationR.ProceedingofIEEEInternationalConference295inAcousticSpeechandSignalProcessing,1988.2922蔣荷生.單片機控制的微型頻率計M.見:何立民編.單片機應(yīng)用文集(2).

13、北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1993.4664773陳光夢.可編程邏輯器件設(shè)計M.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1998.14314黃正謹.在系統(tǒng)可編程技術(shù)及其應(yīng)用M.南京:東南大學(xué)出版社,1997.711025萬福軍.單片微機原理系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)與應(yīng)用M.合肥:中國科技大學(xué)出版社,1995.1671766祁才軍,樊偉敏,章安元.PLD器件和ISPsynariosystem開發(fā)系統(tǒng)M.電子測量技術(shù),1998,(3):1721DigitalcymometerdesignbyusingthetheoremofhighaccuracyandconstanterrorZHOUXin(DepartmentofElectronicInformationandAppliedPhysics,NIM,Nanjing210044)Abstract:ThisdesignisbasedonthetheoremoffrequencyandperiodtestingwithhighaccuracyandconstanterrorbyusingLatticesin2systemprogrammablitydeviceispLSIinourhardwaredesign.reasonable.Everyitemoftesti