基于單片機(jī)的多周期完全同步測(cè)頻技術(shù)

2多周期完全同步測(cè)頻原理

完全同步測(cè)量就是門(mén)控信號(hào)與被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號(hào)都相關(guān)，測(cè)量開(kāi)始和結(jié)束時(shí)門(mén)控信號(hào)與被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號(hào)都同步，也就是門(mén)控時(shí)間既是被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍又是晶振信號(hào)周期的整數(shù)倍。這樣在門(mén)控時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號(hào)都沒(méi)有量化誤差，從而實(shí)現(xiàn)兩信號(hào)的完全雙同步。這里巧妙地利用相位檢測(cè)技術(shù)控制同步觸發(fā)即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩路信號(hào)在某點(diǎn)相位相同，經(jīng)過(guò)若干周期后它們?cè)谕幌辔稽c(diǎn)相位又相同，那么這段時(shí)間兩路信號(hào)一定都經(jīng)過(guò)整數(shù)個(gè)周期(但周期數(shù)不一定相同)，用．它作為同步門(mén)控時(shí)間控制兩個(gè)主門(mén)的開(kāi)啟，兩個(gè)計(jì)數(shù)器都不會(huì)產(chǎn)生1誤差，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的同步測(cè)量。測(cè)量原理如圖2所示。

被測(cè)信號(hào)和晶振信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后都加到相位檢測(cè)器；相位檢測(cè)器檢測(cè)到兩路信號(hào)都在某一相位點(diǎn)(零相位點(diǎn))時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，門(mén)控電路輸出高電平，主門(mén)A和B同時(shí)打開(kāi)，計(jì)數(shù)器A和B同時(shí)計(jì)數(shù)；經(jīng)過(guò)時(shí)間了

后，相位檢測(cè)器又檢測(cè)到兩路信號(hào)到達(dá)同一相位點(diǎn)，產(chǎn)生一觸發(fā)信號(hào)，這時(shí)門(mén)控電路輸出低電平，主門(mén)A和B同時(shí)關(guān)閉，計(jì)數(shù)器A和B停止計(jì)數(shù)。由于相檢器是從兩路信號(hào)的同一零相位點(diǎn)開(kāi)始觸發(fā)，另一個(gè)零相位點(diǎn)再次觸發(fā)，兩次觸發(fā)的時(shí)間間隔與兩路信號(hào)都相關(guān)，且是每路信號(hào)周期的整數(shù)倍。與前面的多周期測(cè)量一樣，T=MTx=NT0，fx=M/Nf0，△fx/fx=△M/M-△N/N+△f0/f0。但這時(shí)△M/M=0，△N/N=0，所以△fx/fx=△f0/f0。即被測(cè)信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度與晶振的頻穩(wěn)度相等。從理論上看，被測(cè)信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度可以達(dá)到10-11~10-12數(shù)量級(jí)，這樣的測(cè)量準(zhǔn)確度比前面的多周期測(cè)量的準(zhǔn)確度高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。但實(shí)際上由于相位檢測(cè)器的過(guò)零檢測(cè)及門(mén)控電路的觸發(fā)都會(huì)產(chǎn)生誤差，實(shí)際測(cè)量的頻率準(zhǔn)確度會(huì)比理論值低，而且這種測(cè)量也是靠犧牲測(cè)量時(shí)間來(lái)提高測(cè)量準(zhǔn)確度，所以也不適宜快速測(cè)量。

3多周期完全同步測(cè)頻在單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)由單片機(jī)、模擬電路和顯示電路組成。單片機(jī)在測(cè)量系統(tǒng)中主要完成定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算功能。測(cè)量開(kāi)始時(shí)，經(jīng)過(guò)整形后的被測(cè)信號(hào)和晶振信號(hào)送到相位檢測(cè)器，當(dāng)它們都在第一個(gè)零相位點(diǎn)時(shí)，檢測(cè)器將高電子送到單片機(jī)，兩計(jì)數(shù)器同時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)兩路信號(hào)第二個(gè)零相位點(diǎn)到來(lái)時(shí)，檢測(cè)器將低電平送到單片機(jī)，計(jì)數(shù)器都停止計(jì)數(shù)。將兩個(gè)計(jì)數(shù)值經(jīng)過(guò)運(yùn)算后由顯示器顯示。測(cè)量原理框圖如圖3所示。軟件流程圖如圖4所示。

在測(cè)量過(guò)程中要用到一個(gè)定時(shí)器和兩個(gè)計(jì)數(shù)器，定時(shí)器受相位檢測(cè)器的控制。當(dāng)相位檢測(cè)器檢測(cè)到兩路信號(hào)都為零相位時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)；當(dāng)相位檢測(cè)器再次檢測(cè)到兩路信號(hào)的相位又都為零時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)。與此同時(shí)，兩計(jì)數(shù)器分別在定時(shí)器計(jì)時(shí)期間對(duì)被測(cè)信號(hào)及晶振信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，將汁數(shù)結(jié)果送運(yùn)算器運(yùn)算(由軟件編程進(jìn)行)。最后由顯示器顯示測(cè)量結(jié)果。由于測(cè)量準(zhǔn)確度較高，顯示器的位數(shù)也要適當(dāng)增加。

4實(shí)際應(yīng)用及分析

根據(jù)-上述設(shè)計(jì)情況，將這個(gè)頻率測(cè)量系統(tǒng)用三個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測(cè)：一是對(duì)中央電視臺(tái)同步信號(hào)系統(tǒng)的頻率基準(zhǔn)(4．43361875MHz)進(jìn)行測(cè)量，其頻率準(zhǔn)確度高于510-12，選用雙恒溫晶振的頻穩(wěn)度為110-11，測(cè)量時(shí)最后一位數(shù)字在變化，整個(gè)系統(tǒng)的頻率準(zhǔn)確度達(dá)210-9；二是對(duì)某雷達(dá)信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得其頻率為8988．67436MHz，最后一位有3個(gè)字的變化，頻率準(zhǔn)確度為310-9；三是對(duì)晶振信號(hào)進(jìn)行二分頻信號(hào)測(cè)量得到20．00000006MHz，最后一位有3個(gè)字的變化，頻率準(zhǔn)確度為310-10。從測(cè)量結(jié)果看，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)并不能使頻率測(cè)量準(zhǔn)確度與晶振的頻穩(wěn)度在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，而是有近兩個(gè)數(shù)量級(jí)的差距。主要是由于相檢器觸發(fā)產(chǎn)生的觸發(fā)誤差及系統(tǒng)響應(yīng)引起的響應(yīng)誤差等。但這個(gè)測(cè)頻系統(tǒng)比通常的多周期同步測(cè)量系統(tǒng)(測(cè)量頻率準(zhǔn)確度可達(dá)10-6數(shù)量級(jí))測(cè)量準(zhǔn)確度要高出三個(gè)數(shù)量級(jí)。

通過(guò)對(duì)多周期同步測(cè)頻法的分析，提出了多周期完全同步測(cè)頻法的設(shè)計(jì)方法，最后用單片機(jī)實(shí)殲這種方法，使頻率測(cè)量的準(zhǔn)確度由原來(lái)的10-6數(shù)量級(jí)提高到10-9數(shù)量級(jí)。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)也很容易，可以得到較好的應(yīng)用。