一種全同步數字頻率測量方法的研究

摘要：在頻率測量過程中，±1個計數誤差通常是限制頻率測量精度進一步提高的重要原因。在分析±個計數誤差產生原因的基礎上，提出了一種利用被測信號、時鐘基準和測量門限相位的全同步來消除計數誤差的頻率測量方法，給出了基于FPGA實現上述測量方法的實驗原型和實驗對比結果。    關鍵詞：相位同步 頻率測量 FPGA頻率測量是電子測量技術中最基本的測量之一。工程中很多測量，如用振弦式方法測量力、時間測量、速度測量、速度控制等，都涉及到頻率測量，或可歸結為頻率測量。頻率測量方法的精度和效能常常決定了這些測量儀表或控制系統的性能。頻率作為一種最基本的物理量，其測量問題等同于時間測量問題，因此頻率測量的意義更加顯然。常用數字頻率測量方法有M法、T法和M/T法。M法是在給定的閘門時間內測量被測信號的脈沖個數，進行換算得出被測信號的頻率。這種測量方法的測量精度取決于閘門時間和被測信號頻率。當被測信號頻率較低時將產生較大誤差，除非閘門時間取得很大。所以這種方法比較適合測量高頻信號的頻率。T法是通過測量被測信號的周期然后換算出被測信號的頻率。這種測量方法的測量精度取決于被測信號的周期和計時精度，當被測信號頻率較高時，對計時精度的要求就很高。這種方法比較適合測量頻率較低的信號。M/T法具有以上兩種方法的優點，它通過測量被測信號數個周期的時間然后換算得出被測信號的頻率，可兼顧低頻與高頻信號，提高了測量精度。

圖1

    但是，M法、T法和M/T法存在±1個字的計數誤差問題：M法存在被測閘門內±1個被測信號的脈沖個數誤差，T法或M/T法也存在±1個字的計時誤差。這個問題成為限制測量精度提高的一個重要原因。本文在以上方法基礎上，提出了一種新的頻率測量方法，該方法利用全同步方法消除限制測量精度提高的±1數字誤差問題，從而使頻率測量的精度和性能大為改善。1 全同步數字頻率測量方法的原理M/T法是目前使用比較廣泛的一種頻率測量方法。其核心思想是通過閘門信號與被信號同步，將閘門時間T控制為被測信號周期的整數倍。測量時，先打開參考閘門，當檢測到被測信號脈沖沿到達時開始計時，對標準時鐘計數；參考閘門關閉時，計時器并不立即停止計時，而是待檢測到被測信號脈沖沿到達時才停止計時，完成測量被測信號整數個周期的過程。測量的實際閘門時間與參考閘門時間可能不完全相箱，但最大差值不超過被測信號的一個周期。M/T法測量原理如圖1所示。

圖2

    設實際閘門時間為Ts，被測信號周期數為Nx，標準時鐘計時值為Ns，頻率為fs，則被測信號的頻率測量值為：由于實際閘門時間為Ts為被測信號周期的整數倍，因此Nx是精確的；而對標準時鐘的計量值則存在誤差△Ns(|△Ns|≤1)，即標準時鐘計時的真值應為Ns±△Ns。由此可知被測信號的頻率真值為：若不計標準時鐘的誤差，則測量的相對誤差是：可以看出，M/T法實際上就是將測量閘門信號與被測信號同步，使得實際測量時間是被測信號周期的整數倍，所以M/T法又稱為多周期同步測量法。M/T法中，相對誤差與被測頻率無關，即對整個測量頻率域等精度測量；對標準時鐘的計數值Ns越大則測量相對誤差越小；提高門限時間Ts和標準時鐘頻率可以提高測量精度；在精度不變的情況下，提高標準時鐘頻率可以縮短門限時間，提高測量速度。由此可見，對閘門時間Ts的計時誤差△Ns是限制M/T法頻率測量精度進一步提高的主要原因，消除△Ns誤差是提高測量精度的有效手段。全同步頻率測量法則是在參考閘門的控制下，尋找與標準時鐘同步的被測信號，并以此信號作為實際閘門的控制信號，實現實際測量閘門信號、標準時鐘、被測信號全同步，從而消除Nx和Ns測量誤差。全同步頻率測量法原理如圖2所示。在給出參考閘門信號后，通過一

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