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(4)高精度恒误差测量法 根据高精度恒误差测量法的原理, 具有如下的测频方案. 电路原理见图 7-3.电路中,预置门控信号控制计数的时间,可由计数器实现,CNT1 和 CNT2 是两个可控计数器,标准信号从 CNT1 的时钟输入端 CLK1 输入,设 其频率为 FS , 被测信号经过整形后从 CNT2 的 CLK 端输入, 设其频率为 Fx , 测量值为 Fxe .
图 7-3
高精度恒误差测量法框图
当预置门控信号为高电平时,经整形后的被测信号的上升沿通过 D 触 发器后,输出 Q 端启动两计数器同时进行计数,当预置门控信号为低电平 时,经整形后的被测信号的一个上升沿使两计数器同时停止计数. 设在一次记数过程中,对标准信号计数值为 N S ,被测信号计数值为
N x ,则存在以下关系: Fx / N x = FS / N S
即: 相对误差公式为
Fx =( FS / N S )* N x
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δ = ±2 / N x + FS / FS
从相对误差公式中分析可知, 其测量精度与被测信号无关, 只与标准信 号频率精度有关.显然, N S 决定于预置门时间 TS 和标准信号源的频率, 其关系如下:
N S = TS * FS
如果采用频率为 1 MHz 的标准信号源,则有
δ ≤ 1/ N S
若预置门时间 TS 取 0.1 秒,则
N S =0.1 × 100 000 =10 000, δ
≤ 1 × 10 4
可见,在整个测量范围内,精度可达到题目要求,若采用更高频率的信 号源或适当延迟预置门时间, 则可达到更高的测量精度. 本设计就采用高精 度恒误差测量法. 2. 周期测量模块 由于周期与频率存在倒数关系,故在测得频率后,求出倒数,即得周期 值. 3. 脉冲宽度测量模块 在进行脉冲宽度测量时, 首先对被测信号进行整形, 然后送测量计数器 进行测量. 测量电路在检测到脉冲信号上升沿时开始计数, 上升沿的检测由 软件实现. 在检测到被测信号下降沿时停止计数, 这可由整形后的信号控制 计数器的使能信号来实现, 当信号下降为低电平时, 自动结束计数器的使能 状态,停止计数.由下式即可计算出脉冲的宽度.
TWX = N X / FS
4. 周期脉冲信号占空比测量电路 测得一信号的脉冲宽度,设其值为 TWX 1 ;再测信号的周期,记录其值 为 T ,则其占空比可由下式得到: 占空比 = [ TWX 1 / T ] × 100% 5. 频标发生电路 当给 89C52 单片机 12M 的晶振频率, 并且不执行读写外部数据存储器指 令时,单片机的 ALE 信号为频率 2M 的方波信号,经过 2 分频后,即可作
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为标准频率.分频电路可由 D 触发器组成.电路图如 7-4 所示.
图 7-4
二分频电路
三.系统电路的实现 1.频率测量模块 采用高精度恒误差测量法,利用 PLD 组成 16 位计数器和单片机的 T0, T1 8 位计数器串联,组成 24 位计数器.具体电路见 7-5.
图 7-5 频率测量模块电路
2. 周期测量模块 周期的测量,完全是由软件实现,利用周期和频率的倒数关系,可由频
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率求得周期. 3.脉冲宽度测量模块 用软件检测被测信号的上升沿,利用中断控制计数器对脉宽进行计数, 脉冲的下降沿自动锁存计数, 即可实现对脉冲宽度的测量, 电路图见图 7-6.
图 7-6
脉冲宽度测量模块电路
4.占空比测量 占空比的测量依赖于 频率和脉冲宽度测量电 路,测得脉宽和频率(经 求倒数得到周期)后,由 软件计算得到占空比. 5.信号整形处理模块 输入的信号,经过 LM361 整形之后,变成了 严格的方波信号,然后送 入计数器进行计数.具体 调理电路见图 7-7.图中,
图 7-7
调理电路原理图 7
LM361 接成了迟滞比较器的形式,从而避免了过零点信号的毛刺造成整形信 号的误翻转.图中电容是为了消除噪声的干扰. 四. 误差分析 1.高精度恒误差测频法误差分析 (1) 量化误差 设测的频率为 FX ,被测频率真实值为 Fxe ,标准频率为 FS ,在一次测 量中,预置门信号时间为 TP ,被测信号计数值为 N x ,标准时基信号计数值 为 Ns .
FX 计数的起止时间都是由被测信号的上升沿触发的,在 TP 时间内对 FX 计数 N x 无误差,在此时间内 FS 的计数值 N s 最多相差一个脉冲,即

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