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1、提高测频测周测量精度的方法提高测频、测周测量精度的方法 时间和频率是电子技术中两个重要的基本参数，其他许多电参量的测量方法、测量结果都与时间和频率有着十分密切的联系。并且，在所有的物理量中，时间和频率具有最高的精度和稳定度，故在实际工作中，也常常把一些非电量或其他电量转换成频率进行测量。因此，寻找方法提高测量频率和测量周期的准确度是十分必要的。 课堂中介绍的主要有两种方法，其一是减少测频量化误差，即增加测量时间的方法；其二是减小侧周量化误差，即采用多周期测量法，在这里不再赘述。此外，为了提高测量的准确度，比较常用的方法还有游标法、内插法、平均测量技术、多周期同步测量法、相检宽带测频技术以及量化
2、时沿法。下面分别来进行介绍。 1、 游标法 游标法测时原理和游标卡尺测距原理是相似的。这是一种以时间测量为基础的计数器，关键在于设法测出整周期数外的零头或尾数。所不同的是后者为机械式，由人眼来判读主、辅尺刻度，前者为电子式，其测时大小由FPGA来判读。游标法测时基于上述的时间间隔测量原理，用类似于机械游标卡尺的原理，较为准确地测出T1、T2 ，以提高时间的分辨率和准确度，避免了“1”个脉冲误差。游标法测时的原理框图和工作波形图如图1-1和图1-2所示。其中， 为游标振荡器I、II输出的游标脉冲的周期。 图1-1 游标法原理框图 图1-2 游标法工作波形图 1 下面结合上面的原理框图和波形图来说
3、明这种测量方案。 由图可知，被测时间的精确值应为 Tx=TN-T1+T2 两时钟信号周期差为 DT=T0-T0 首先，从被测信号中提取其实脉冲和终止脉冲。在起始脉冲作用下，使游标振荡器I输出游标脉冲I,并由游标计数器I计数，当记到游标脉冲恰好赶上主时标脉冲时，此时若游标计数器I的计数值为N1，则有 T1=N1(T0-T0) 同样，在终止脉冲作用下，当游标计数器II记录的游标脉冲恰好赶上主时钟脉冲时，符合电路II输出一个脉冲使游标震荡器停止发送游标脉冲II，若游标计数器II的计数值为N2，则 T2=N2(T0-T0) 由上面和四个式子可以推导 Tx=NT0-N1(T0-T0)+N2(T0-T0)
4、=NT0-(N1-N2)(T0-T0) 由此可见，游标法的计数分辨力DT=T0-T0，它比粗测计数器的分辨力T0和游标计数器的分辨力T0都要高得多。T0愈接近T0，其分辨力越高。 目前，HP公司生产的HP5370A型时间间隔计数器采用了游标计数法，其分辨力可高达2010-12s。 2、 内插法 内插法也是以测量时间间隔为基础的技术方法。内插法的工作波形示意图如图2-1所示，被测时间 Tx=NTo+T1-T2 在未采用内插法前，只能得到TxNT0，NT0和被测时间间隔Tx的区别仅在于多计了T2而少计了T1。为了提高测量的准确度，就需要测出T1和T2的值，内插法实际上要进行三次测量，即分别测出TN
5、、T1和T2。 2 图2-1 内插法的工作波形示意图 图2-2 内插时间扩展器的原理示意图 时间Tn的测量和通用电子计数器测量时间间隔的方法没有区别，都是简单地积累被测时间间隔内计数的N个时钟脉冲的时间，即TN=NTo；T1和T2的测量量是采用内插时间扩展器将它们扩大1000倍后在测量。用“起始”扩展器测量T1，在T1时间内，用一个恒流源将一个电容器充电，随后以充电时间T1的999被的时间放电至电容器的原电平。图2-2是内插时间扩展器的原理示意图。内插扩展器控制的开门时间为T1的1000倍，即T1=1000T1；在T1时间内记得时钟脉冲为N1，得T1=NT0，故 T1=类似地， N1T0 10
6、00T21=则可以推出被测时间 N2T0 10003 Tx=N+N1-N2T0 1000由此可见，采用模拟内插技术后，虽然测T1、T2是量化误差依然存在，但相对来说其大小缩小了1000倍，从而使计数器的分辨力提高了三个数量级，所以采用内插法可使精度大大提高。 3、 平均测量技术 在普通的计数器中，无论是测频率还是测时间，单次测量时，误差绝对值为1量化单位。如果读数为N，则相对误差的范围为-1/N+1/N。由于闸门开启时刻与被测信号脉冲事件之间关系的随机性，单次测量结果的相对误差在-1/N+1/N范围内出现，其值可大可小，可正可负。但某一个误差值的出现，对于所有的单次测量来说，机会相等，即其分布
7、是均匀的。显然，由于这种误差单词出现的随机性，在多次测量的情况下，其平均值必然随着测量次数的无限增多而趋于零，即这种误差的总和具有抵偿性。原则上说，若随机误差的值分别为，则 1 lim(dn)=0 nni=1即的数学期望为零。 实际上，测量不可能为无线多次，因此n总是有限的。尽管如此，利用多次测量取其平均值作为测量结果，由于其误差的部分抵偿性，将会使测量精度大大提高。有限次测量的平均测量误差限为 nDTxDf=-x=Txfx对于量化误差而言，有(i=1n12)Nin1111=L=，故可改写为 N1N2NnNDTxDf11 =-x= TxfxnN要将这种方法付诸实用，必须保证闸门开启时刻和北侧信
8、号脉冲之间具有真正的随机性。为此可在时基电路上有意叠加一点抖动，使时基脉冲具有随机的相位抖动，以保证1计数误差随机分布。图3-1是一个实用测量方案。由于近代自动快速测试和数据处理技术的出现，平均测量法逐渐在工程测量中得到广泛应用。 4 图3-1 平均测量方案 4、 多周期同步测量法 图4-1为多周期同步测量法原理示意图。定时电路在时钟脉冲的作用下产生定时脉冲P，P经D触发器产生一个开门时间T，同步电路的作用是：使开门时间与被测信号同步，并且准确地等于被测信号的整数倍。即 T=N1Tx=N1 fx1；N1是计数器I的计数值。 fx式中，Tx为被测信号的周期，Tx= 图4-1 原理示意图 图4-2
9、 工作波形 由图4-2可知，在开门时间T内时钟脉冲计数器II索骥的的脉冲数为N2，则有如下关系 5 T=N2T0=因此，可求得 fx=N2 f0N1f0 N2式中，N1f0由图4-1中的运算电路来实现。 N2 从式4-1可以看出，由于开门信号与被测信号严格同步，它准确地等于被测信号周期的N1倍，所以计数器I无1误差。由式4-2可知，计数器II会产生1个字误差，但由于f0很高，N2很大，相对误差很小。因此，采用多周期同步测量法是的相对误差为 Dfx1Df0 =fxN2f0式中，Df0为标准误差。可见，测量误差与被测信号频率无关。 f01就很小。 N2 因此，只要采用足够高的标准频率，相对误差 多
10、周期同步测量法实际上是对信号周期进行测量，信号的频率是经过倒数运算求出来的。因此，从测频的角度来讲，上述测量方法也称为倒数技术器法。目前，较为典型和先进的多周期同步计数器是美国HP公司的5345A型技术技术器。 5、 相检宽带测频技术 相检宽带测频技术是近年来发展起来的一种高分辨率的频率测量技术。这种技术利用了周期信号之间的规律性相位变化的特性实现对被测信号的频率进行高精度测量。图5-1给出了用简单频率合成器和标准频率信号配合进行测量的原理示意图。 图5-2 相检宽带测频技术的原理示意图 图中，相位重合检测电路捕捉两频率信号间的相位重合点，得到与被测及标准频率信号的相位都基本同步的主门信号，在
11、主门时间分别同时被测信号和标准频率信号进行计数，把技术结果通过计数结果得到被测信号的频率值。 6 fx=f0Nx N0上式从形式上看和多周期同步测量技术一样，但是在分母的数据中已经不存在1个字误差。目前，用这种原理所设计、生产的频率计的测量分辨率可到到1310-10s。 6、 量化时沿法 从结构尽量简单同时兼顾精度的角度出发，将多周期同步法与基于量化时延的短时间间隔测量方法结合，实现宽频范围内的等精度高分辨率测量。其基本原理是“串行延迟、并行计数”，它不同于传统计数器的串行计数方法。将被测时间间隔的开始信号作为延迟链的输入信号，而以其结束信号作为取样信号。用串联在一起的延迟单元构成的延迟链作为
12、被测时间间隔的传输通道。这些延迟单元具有相同的、稳定的时间延迟特性。则开始信号在延迟链中所经过的延迟单元的个数就正比于所测的时间间隔值。 它依靠延时单元的延时稳定性，对延时状态进行高速采集与数据处理，从而实现了对短时间间隔的精确测量，其原理如图6-1所示。 图6-1量化时沿法原理图 但是，以上提高测频精度的方法各自也存在着缺点。例如：多周期同步法，这种方法存在1 计数误差,由于填充信号频率值一般小于10 Hz ,所以频率测量精度差于10s。再如：模拟内插法, 这种方法仍存在1 计数误差,但采用内插器使1 计数误差减小到其1/ 1 000 左右,使测频精度达到10-119-9s量级，但其仪器构造复杂、价格昂贵。除此之外，还有一些提高测频、侧周准确度的方法，各有优缺点，在此不再赘述。相信随着电子测量技术的发展频率测量精度还会有所提高。 参考文献 1 王海,周渭,宣宗强.高精度频率测量技术及其实现J.系统工程与电子技术，2008(5)：981-983. 2 范长城,王勇,司雷. 提高频率计精度的方法J. 工程师笔记，2009(1)：43-44. 3 胡军. 一种高准确度数字频率测量方法的研究J. 中国仪器仪表，2009(11)：61-63. 4朱英华，李崇维.电子测量技术M.第二版.成都:西南交通大学出版社,2005. 5电子测量技术教案 7
