一種多周期測量頻率的方法及應(yīng)用

1 引 言

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

2 信號采集要求

　　在研制基于GPRS的自動氣象站中，氣壓采集系統(tǒng)采用電激勵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(下稱原始信號)和一個與環(huán)境溫度呈線性關(guān)系的0～5 V的模擬電壓信號。輸出信號頻率與氣壓P一一對應(yīng)，單值連續(xù)，振動筒諧振頻率的變化反應(yīng)了氣壓的變化。

　　國家氣象局對氣壓遙測的要求，測量范圍為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個樣本值，取中間大小的4個值的等權(quán)算術(shù)平均值)。根據(jù)周期C(或頻率f)對氣壓的最低靈敏度來確定周期及頻率測量的分辨率，根據(jù)周期C(或頻率f)對溫度的最高交叉靈敏度決定對溫度電壓的分辨率。通過數(shù)據(jù)分析，欲使氣壓系統(tǒng)分辨率達(dá)0.01 kPa，這就要求周期測量分辨率為0.002 636 2μs，頻率測量的分辨率為0.068 645 Hz，對溫度電壓的分辨率為43 mV。

3 測量頻率和周期的基本方法

　　電子計數(shù)器測量信號頻率和周期的基本原理是門控法，如圖1所示。

　　(1)在測量頻率時，被測信號加在A端，B端加門控信號，其信號寬度TB即是采樣時間，被測信號頻率為：

　　N為閘門時間TB內(nèi)的脈沖數(shù)。測量的最大誤差為：

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

　　(2)測量信號周期時，標(biāo)準(zhǔn)信號加在A端，B端門控信號由被測信號觸發(fā)，其信號寬度TB為被測信號的周期，被測信號周期C為：

　　其中，N為被測時間內(nèi)對周期為τ的標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)個數(shù)，測量的最大誤差為：

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

4 多周期測周法

　　對信號M分頻后觸發(fā)產(chǎn)生門控信號對時標(biāo)信號計數(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)信號誤差引起的。從式中可知，被測信號周期擴(kuò)展M倍后，對時標(biāo)信號的頻率要求不很高，電路容易實(shí)現(xiàn)，并能將量化誤差降到單周期測量的1／M；為減小標(biāo)準(zhǔn)信號帶來的誤差，要求時標(biāo)信號具有較高的精度。

　　觸發(fā)誤差的抑制 傳感器輸出的信號為矩形波信號由原始振蕩信號經(jīng)整形得到，信號中疊加的噪聲在整形時會使矩形波信號的觸發(fā)沿提前或滯后。多周期測周時使相鄰周期的觸發(fā)誤差相互抵消。M個周期的累計觸發(fā)誤差只相當(dāng)于單個周期的觸發(fā)誤差。

5 信號測量單片機(jī)控制電路的實(shí)現(xiàn)

　　圖3為多周期測周的原理圖，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程序存儲器，512片內(nèi)用戶數(shù)據(jù)E2PROM存儲區(qū)，2個4路輸入的8位A／D轉(zhuǎn)換器和2個DAC，I2C，SPI總線、片內(nèi)看門狗和復(fù)位電路、捕獲／比較單元(CCU)等資源。

　　原始信號(傳感器輸出的與氣壓有關(guān)的矩形波信號)接到分頻電路CD4020的時鐘輸入端，經(jīng)256分頻后接到P89LPC935的／INT1端，作為門控信號控制P89LPC935內(nèi)部的定時計數(shù)器1。定時計數(shù)器1工作在定時方式，在門控信號為高電平時計數(shù)。時鐘為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，原始信號周期C在200 μs左右，256分頻后的門控信號周期在51 200μs左右(256C)，一個周期中高電平部分約為25 600 μs(高電平部分128 C)，在高電平時對5.529 6 MHz計數(shù)，其計數(shù)值約為141 500，超過16位計數(shù)器的長度，將產(chǎn)生溢出并產(chǎn)生中斷。開辟1個內(nèi)部RAM，在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行加l操作，即可滿足計數(shù)字長要求。計數(shù)過程如下：

S1：首先判斷／INT1是否為高電平，該過程時間最長256C；

S2：判斷／INT1是否為低電平，若是，計數(shù)器清零，允許計數(shù)，允許計數(shù)器溢出中斷，該過程時間128C；

S3：／INT1為高電平時計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)器溢出時產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)子程序中高位加1，該過程時間128C；

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

　　整個計數(shù)及處理過程時間小于640 C，在128 ms以內(nèi)，遠(yuǎn)小于10 s。原始信號的周期C及測量誤差如下計算。原始信號的周期為C，計數(shù)值為N，計算公式為：

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)信號誤差(即晶振的誤差)引起的。在整個測量范圍內(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。

　　上述的分析計算是兩者絕對值相加，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。

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

　　將溫度信號直接連接到P89LPC935的模擬輸入端AD10(P0.1)引腳，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。A／D轉(zhuǎn)換時間為μs量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于要求的采樣周期10 s，在溫度采集時，有足夠的時間對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，去掉一個最大值和最小值，取其余16個數(shù)據(jù)算術(shù)平均值作為最終結(jié)果。

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

6 結(jié) 語

　　該測量方法成功地應(yīng)用于與河南省氣象局合作開發(fā)的自動氣象站中。用多周期測周的方法快速準(zhǔn)確測量信號的頻率(周期)基于2個條件：信號是連續(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)。