一種高性價比等精度數(shù)字頻率計(jì)方案設(shè)計(jì)
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頻率的概念就是1 s時間內(nèi)被測信號的周期個數(shù)，最直接的測量方法就是單位時間內(nèi)計(jì)數(shù)法，這種方法比較適合高頻測量。低頻通常用測周期法。這兩種方法的測量精度不固定，與被測信號的范圍相關(guān)。
等精度頻率測量法融合以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，可兼顧低頻與高頻信號；但較以上兩種方法而言，等精度頻率測量有較高的測量精度，且誤差不會隨著被測信號頻率的改變而改變。
1等精度頻率測量原理
等精度頻率測量原理框圖如圖1所示。圖中計(jì)數(shù)器是帶使能控制的32位計(jì)數(shù)器，EN是計(jì)數(shù)允許使能信號，高電平允許計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器1對基準(zhǔn)時鐘信號fb計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器2對被測信號fx計(jì)數(shù)。D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對被測信號fx上升沿檢測，實(shí)現(xiàn)門控信號與fx上升沿同步，從而保證計(jì)數(shù)器2對被測信號計(jì)數(shù)剛好為整數(shù)個周期，零誤差。
測量過程控制時序波形如圖2所示。測量開始，t0時刻MCU發(fā)出一個清零信號Clr，使計(jì)數(shù)器和D觸發(fā)器置0；t1時刻MCU發(fā)出測量啟動信號Gate，使D觸發(fā)器輸人D為高電平；在被測信號fb上升沿到來t2時刻，D觸發(fā)器Q端才被置1，使計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2的EN同時為1，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，系統(tǒng)進(jìn)入計(jì)數(shù)允許周期。這時，計(jì)數(shù)器1和2分別對基準(zhǔn)時鐘信號和被測信號同時計(jì)數(shù)。一段時間過后，t3時刻MCU發(fā)出停止信號，即D觸發(fā)器輸入D為低電平，但此時計(jì)數(shù)器仍然沒有停止計(jì)數(shù)，直到下一個被測信號的上升沿t4時刻到來時，D觸發(fā)器Q輸出0將這2個計(jì)數(shù)器同時關(guān)閉。
由圖2可見，Gate的寬度Tc和發(fā)生的時間都不會直接影響計(jì)數(shù)使能信號EN，EN總是在被測信號fx上升沿改變，從而保證了被測信號被計(jì)數(shù)的周期總是整數(shù)個周期nTx，而與被測信號的頻率無關(guān)。正確理解這點(diǎn)，是理解等精度頻率測量的關(guān)鍵。由于測量過程中不能保證基準(zhǔn)時鐘周期的完整性，還會引入測量誤差。這種隨機(jī)誤差dt最多只有基準(zhǔn)時鐘fb信號的一個時鐘周期。由于fb的信號通常由高穩(wěn)定度的高頻晶體振蕩器發(fā)出，任何時刻的絕對測量誤差只有1／N1。例如，對于門控信號接近1 s的測量過程，fb取100 MHz的晶振，最大誤差可以達(dá)到10-8。
2方案設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)方案
單片機(jī)定時器／計(jì)數(shù)器電路如圖3所示。當(dāng)C／T=0，TR=1，GATE=1時，單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器時鐘開關(guān)可受外部引腳INTn控制，這樣就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器與外部計(jì)數(shù)器同步開關(guān)。
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