智能频率—时间—相 的位测量仪.doc

智能频率—时间—相位测量仪 1 功能 电子技术中。周期性信号是普遍存在的，测量这些周期性信号的基本参数的仪器是电子测量仪器中的重要分支。 正弦型周期性信号是模拟电子技术中最常见的，频率（或周期）、振幅和相角（或两个信号间的相位差）是正弦信号的3个基本参数。对于其他形式的周期性信号，除了信号幅值外，还经常要求测量它们的时间参数，如周期、脉冲宽度、脉冲占空比等。 本节介绍的是一种以8032单片机为核心的，用于测量频率（周期）、时间间隔和相位差的智能仪器。它充分发挥了8032中的3个定时／计数器的作用，并利用了单片机的运算和控制功能，是一台价格低廉、功能多样，量程宽广、精度适中的智能仪器。 2 测量原理 2.1 频率测量 在以微处理机为核心的智能仪器中，频率测量和周期测量是可以互通的，频率与周期互为倒数，而倒数计算对一般CPU而言是轻而易举的事。 图1 频率测量基本原理 频率测量的基本原理见图6-14。按定义可知，频率是单位时间内周期信号的发生次数。图中参考晶体振荡器提供了测量时间基准。晶振的输出经放大整形和分频后，通过控制电路去开启或关闭时间闸门。闸门开启时间内，被测信号经放大整形后通过闸门进入计数器，进行计数；闸门关闭时，计数器停止计数。闸门开放时间t。= M*TR=M/fR，其中，M为分频器的分频系数，TR、fR为参考晶体振荡器的振荡周期和频率。若计数器的计数值为N，则得被测频率f为： 式中fR/M或tG 为时间闸门开放时间，是一个常数，故计数器的计数值N与被测频率成正比。这种频率测量原理，对于较低频率的被测信号来说，存在着测量实时性与测量精度之间 的严重矛盾。由式(6-1)可知，分频系数M是没有误差的（只要电路正常工作），频率测量误差将由下列两个因素造成：l)计数误差；2）参考晶振的误差。事实上，从式（6-1）可得： 为了减小第2项误差，应采用高精度的参考晶体振荡器。对于第1项误差，ΔN是计数绝对误差，其最大值可达±1，为了减小ΔN/N，必须增大N。N的大小取决于两个因素：阀门的开放时间和被测频率的高低。闸门开放时间愈长（在fR不变的条件下，要求分频系数愈大）和被测频率愈高，则计数值N愈大。若被测频率很低，为达到一定的测量精度，就要求闸门开放时间很大，也就是测量的过程时间很长，往往超过用户所能容忍的程度。 例如，设被测频率为lOHz时，频率测量的精度要求为±0.01%，求最短的闸门开放时间。 解：由式(6-2)，略去△fR/fR项，得 N=ΔN*f／△f= 1/0. 0001 =10000 由式(6-1)，得闸门开放时间 tM=N/f=1000秒 这样长的测量时间是根本不能接受的。上例说明了频率测量法不适于低频测量。 现将上例中的被测频率改为10MHz，为保证同样的精度，要求闸门开放时间仅为1ms，说明了频率测量法适于高频测量。 2.2 周期测量 图2 周期测量基本原理 周期测量的基本原理见图6-15。对照图6-14可以发现，频率测量与周期测量的电路基本结构是相同的，只是把晶体振荡器产生的基准信号与被测信号的位置互换了一下。我们得到被测周期T与计数器计数值N之间的关系式： 式中TR为晶体振荡器的振荡周期．M和f。（或T。）为常数，故计数器的计数值N与被测信号周期成正比，N反映了M个信号周期的平均值。 利用周期测量法，在一定的信号频率范围内，通过调节分频系数M，可以较好地解决测量精度与实时性的矛盾。 由式(6-3)可得误差公式： 式中第2项误差取决于晶体振荡器的稳定度，第1项为计数器的量化误差，ΔN=±l，故该项主要取决于N的大小。在平均周期测量法中．N值的大小与测量时间的长短成正比，而期望的N值大小可根据测量精度要求而定。假定分配给ΔN/N项的允许误差为±0.001%，则N=100000，在TR选定的情况下，测量时间= 100000TR，若TR=2μS，则测量时间=0.2s。对于不同范围的被测周期信号，可以通过调节分频系数M的大小，达到相接近的测量精度，也就有相接近的测量时间，而不象频率测量法那样，在低频信号范围内，为了达到足够的精度，其测量时间 将漫长得不可容忍。 当然，对于频率很高的信号，利用周期测量法，就需要采用很大的分频