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多周期测量频率的方法及应用

 1引言

 多周期测量法是一种很灵活的频率测量方法，通过调整被测信号的周

期个数可以在测量精度和测量时间二者之间做出最佳选择，对于用普通的测

频法和测周法难以保证测量精度的非等周期信号，如气压传感器的输出信

号，多周期测量法是最佳选择。另外，通过提高基准频率和选用大容量计数

器等措施还可以进一步提高系统的测量精度，这种测量方法可用于高精度频

率测量系统的设计中。

 2信号采集要求

 在研制基于GPRS的自动气象站中，气压采集系统采用电激励谐振筒

式压力传感器。该传感器输出为周期C(或频率f)与气压相关的TTL电平的矩

形波信号(下称原始信号)和一个与环境温度呈线性关系的0～5V的模拟电压

信号。输出信号频率与气压P一一对应，单值连续，振动筒谐振频率的变化

反应了气压的变化。

 国家气象局对气压遥测的要求，测量范围为50～110kPa，采集的分

辨率为0.01kPa，准确度为plusmn;0.03kPa，采集速率为6次/min(1min共

取6个样本值，取中间大小的4个值的等权算术平均值)。根据周期C(或频率

f)对气压的最低灵敏度来确定周期及频率测量的分辨率，根据周期C(或频率

f)对温度的最高交叉灵敏度决定对温度电压的分辨率。通过数据分析，欲使

气压系统分辨率达0.01kPa，这就要求周期测量分辨率为0.0026362mu;s，

频率测量的分辨率为0.068645Hz，对温度电压的分辨率为43mV。

 3测量频率和周期的基本方法

 电子计数器测量信号频率和周期的基本原理是门控法，如图1所示。

 (1)在测量频率时，被测信号加在A端，B端加门控信号，其信号宽

度TB即是采样时间，被测信号频率为：

 N为闸门时间TB内的脉冲数。测量的最大误差为：

 误差中前项是量化误差，后部分是因为标准信号误差引起。若满足

0.068645Hz分辨率的要求，门控信号宽度TB(采样时间)要超过15s。按照

这种方法，不能达到国家气象局规定的气压采集速率6次/min。

 (2)测量信号周期时，标准信号加在A端，B端门控信号由被测信号

触发，其信号宽度TB为被测信号的周期，被测信号周期C为：

 其中，N为被测时间内对周期为tau;的标准信号计数个数，测量的

最大误差为：

 误差中前项是量化误差，后部分是因为标准信号误差引起的。若满足

0.0026362mu;s分辨率的要求，时标信号的频率要高于379.33MHz，实现

难度大，用微控制器直接测量时是不能完成的。

 4多周期测周法

 对信号M分频后触发产生门控信号对时标信号计数(如图2所示)。

 误差中前项是量化误差，后部分是因为标准信号误差引起的。从式中

可知，被测信号周期扩展M倍后，对时标信号的频率要求不很高，电路容易

实现，并能将量化误差降到单周期测量的1/M;为减小标准信号带来的误差，

要求时标信号具有较高的精度。

 触发误差的抑制传感器输出的信号为矩形波信号由原始振荡信号经

整形得到，信号中叠加的噪声在整形时会使矩形波信号的触发沿提前或滞

后。多周期测周时使相邻周期的触发误差相互抵消。M个周期的累计触发误

差只相当于单个周期的触发误差。