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频率测量是电子测量中经常遇到的问题，如何提高频率测量的准确度是关键。通常采用的方法有低频端测周高频端测频和多周期同步测量频率。采用低频端测周高频端测频时存在中界频率测量误差很大即测量死区问题，也就是说不论低端和高端测量准确度有多高，中界频率测量误差总是最大。因此从理论上讲频率的测量准确度很难提高到某个数量级；多周期同步测频法则不存在这样的问题，只要周期数足够大，测量的准确度总可以提高到一定程度。但多周期同步测量实际上只是对被测信号进行同步，对时钟信号并未同步，因此它只是一种准同步。本文根据多周期同步测频原理及测量误差，提出完全同步频率测量的新方法，最后使用单片机实现这种测量，使测量频率的准确度大大提高。
1 多周期同步测频原理及误差分析
多周期测频是在测周的基础上，在信号的多个时间周期内测量信号的频率。由于被测信号控制门控信号的开启，所以称为同步测量。由于测频和测周都会产生1误差(计数脉冲和门控信号不同步而产生)和标准频率误差(所使用的晶振不稳定引起)，且1误差较标准频率误差更大，多周期同步测频也就是使测量的引误差尽可能小。测量原理如图1所示。 （图片） 被测信号fx和标准晶振信号f0分别作为计数器A和B的计数脉冲，同步门信号作为主门A和B的门控信号，而同步门信号由被测信号fx和时间控制器共同控制。被测信号作为同步门的触发信号，时间控制器控制同步门的预置时间Tˊ。开始测量时，稍滞后的预置时间处于被测信号的某一周期低电子或高电子处，同步门尚未开启，这时被测信号和晶振脉冲信号都不会被计数。只有当被测信号下一个周期的上升沿到达时同步门才开启(这里假定触发器为上升沿触发)，被测信号和晶振脉冲信号才开始计数。当时间控制器预置时间了，结束时，同步门不会立即关闭，而是等到被测信号下一个上升沿到来时才关闭。这时计数器A和B都停止计数，实际上同步门的开启时间为T而不是Tˊ。所以可以得到：（图片） 其中：T为同步门控时间；fx（Tx）为被测信号频率(周期)；f0(T0)为标准晶振信号频率(周期)；M为计数器A的计数值；N为计数器B的计数值。
根据误差传递公式可以得到被测信号频率的相对误差（图片） 其中：△f0/ f0为标准晶振的频率准确度；△M/M为计数器A的计数相对误差；△N/N为计数器B的计数相对误差。
由于计数器A的计数是在与被测信号相关的同步门T进行的，被测信号又作为同步门的触发信号，且T/Tx为整数，故被测信号的计数值M不存在计数误差，即△M/M =0。所以称这种测量误差与被测信号无关的测量方法为同步测量。但由于晶振信号与门控信号不相关，门B必会产生量化误差，所以△N 1。而N=T/T0=M Tx/T0，M越大时，N就越大，△N/N就越小减，所以进行多周期测量能小测量误差。由此可见，这种多周期同步测频法较简单的测频测周法能明显提高测量的准确度，而且测量误差与被测信号频率无关，可以省去计算中界频率和选择测量模式；但由于△N/N 的存在，而且︱△N/N︱也远大于︱△f0/ f︱ (目前双恒温晶振的频稳度可达10-11~10-12数量级)，所以这种测量模式对于要求10-7以上的高准确度测量仍不能满足需要，这种测量只能称作准同步测量。
2 多周期完全同步测频原理
完全同步测量就是门控信号与被测信号和标准晶振信号都相关，测量开始和结束时门控信号与被测信号和标准晶振信号都同步，也就是门控时间既是被测信号周期的整数倍又是晶振信号周期的整数倍。这样在门控时间内被测信号和标准晶振信号都没有量化误差，从而实现两信号的完全双同步。这里巧妙地利用相位检测技术控制同步触发即可实现。当两路信号在某点相位相同，经过若干周期后它们在同一相位点相位又相同，那么这段时间两路信号一定都经过整数个周期(但周期数不一定相同)，用．它作为同步门控时间控制两个主门的开启，两个计数器都不会产生1误差，从而实现真正意义上的同步测量。测量原理如图2所示。（图片） 被测信号和晶振信号经过整形后都加到相位检测器；相位检测器检测到两路信号都在某一相位点(零相位点)时产生触发信号，门控电路输出高电平，主门A和B同时打开，计数器A和B同时计数；经过时间了 后，相位检测器又检测到两路信号到达同一相位点，产生一触发信号，这时门控电路输出低电平，主门A和B同时关闭，计数器A和B停止计数。由于相检器是从两路信号的同一零相位点开始触发，另一个零相位点再次触发，两次触发的时间间隔与两路信号都相关，且是每路信号周期的整数倍。与前面的多周期测量一样，T=MTx=NT0，fx=M/Nf0，△fx/fx=△M/M-△N/N+△f0/f0。但这时△M/M=0，△N/N=0，所以△fx/fx=△f0/f0。即被测信号的频率准确度与晶振的频稳度相等。从理论上看，被测信号的频率准确度可以达到10-11~10-12数量级，这样的测量准确度比前面的多周期测量的准确度高好几个数量级。但实际上由于相位检测器的过零检测及门控电路的触发都会产生误差，实际测量的频率准确度会比理论值低，而且这种测量也是靠牺牲测量时间来提高测量准确度，所以也不适宜快速测量。
3 多周期完全同步测频在单片机测量系统中的实现
整个测量系统由单片机、模拟电路和显示电路组成。单片机在测量系统中主要完成定时、计数和运算功能。测量开始时，经过整形后的被测信号和晶振信号送到相位检测器，当它们都在第一个零相位点时，检测器将高电子送到单片机，两计数器同时开始计数。当两路信号第二个零相位点到来时，检测器将低电平送到单片机，计数器都停止计数。将两个计数值经过运算后由显示器显示。测量原理框图如图3所示。软件流程图如图4所示。（图片） 在测量过程中要用到一个定时器和两个计数器，定时器受相位检测器的控制。当相位检测器检测到两路信号都为零相位时，产生触发脉冲，定时器开始计时；当相位检测器再次检测到两路信号的相位又都为零时，产生触发脉冲，定时器停止计时。与此同时，两计数器分别在定时器计时期间对被测信号及晶振信号进行计数，将汁数结果送运算器运算(由软件编程进行)。最后由显示器显示测量结果。由于测量准确度较高，显示器的位数也要适当增加。
4 实际应用及分析
根据-上述设计情况，将这个频率测量系统用三个实验进行实测：一是对中央电视台同步信号系统的频率基准(4．43361875MHz)进行测量，其频率准确度高于510-12，选用双恒温晶振的频稳度为110-11，测量时最后一位数字在变化，整个系统的频率准确度达210-9；二是对某雷达信号的频率进行测量，测得其频率为8988．67436MHz，最后一位有3个字的变化，频率准确度为310-9；三是对晶振信号进行二分频信号测量得到20．00000006MHz，最后一位有3个字的变化，频率准确度为310-10。从测量结果看，整个测量系统并不能使频率测量准确度与晶振的频稳度在同一个数量级，而是有近两个数量级的差距。主要是由于相检器触发产生的触发误差及系统响应引起的响应误差等。但这个测频系统比通常的多周期同步测量系统(测量频率准确度可达10-6数量级)测量准确度要高出三个数量级。
通过对多周期同步测频法的分析，提出了多周期完全同步测频法的设计方法，最后用单片机实歼这种方法，使频率测量的准确度由原来的10-6数量级提高到10-9数量级。整个测量系统电路结构较简单，软件设计也很容易，可以得到较好的应用。
5/23/2008
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