数字频率计的测量误差

单片机数字频率计设计

第10卷第6期Vo.l10,No.6宜宾学院学报

JournalofYibinUniversity2010年6月

June,2010

数字频率计的测量误差

李勇

(内江师范学院物理与电子信息工程学院,四川内江641112)

摘要:基于通用计数器组成的数字频率计的测频原理,分析了数字频率计普遍存在的测频误差:标准频率误差和量化误差.由于标准频率误差由标准频率源的频率准确度和稳定性决定,通常选用准确度和稳定性很高的石英晶体振荡器构成,其频率精度可达10-9量级及以上.因此,数字频率计的测频误差主要取决于量化误差( 1误差).通过探讨量化误差与被测频率和闸门时间的关系,给出了减小测频误差的基本方法.关键词:数字频率计;误差传递;量化误差;标准频率误差

中图分类号:TN742 1 文献标志码:A 文章编号:1671-5365(2010)06-0045-03

MeasurementErrorsofDigitalOndometer

LIYong

(PhysicsandElectronicInformationEngineeringDepartment,NeijiangNormalUniversity,Neijiang641112,China)

Abstract:Basedonthefrequencymeasurementprincipleofuniversalcounter baseddigitalondometer,thefrequencymeasurementerrors(standardfrequencyerrorsandquantifiederrors)ofdigitalondometerwerestudied.Thestandardfrequencyerrorsarede terminedbytheaccuracyoffrequencyandthestabilityofitssource,sothecrystaloscillatorwithminmium10 9magnitudeaccura cyandstabilitywaschosen.Accordingly,thefrequencyerrorofdigitalodometersmainlydependsonquantifiederrors( 1).Themethodforreducingthefrequencymeasurementerrorsisexploredbydiscussingtherelationbetweenquantifiederrors,meas uredfrequencyandgatetmie.

Keywords:digitalondometer;errortransfer;quantizationerror;standardfrequencyerror 在电子技术领域,频率是一个最基本的参数.数字频率计作为一种最基本的测量仪器以其测量精度高、速度快、操作简便、数字显示等特点被广泛应用.许多物理量,例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度等通过传感器转换成信号频率,可用数字频率计来测量.尤其是将数字频率计与微处理器相结合,可实现测量仪器的多功能化、程控化和智能化.随着现代科技的发展,基于数字式频率计组成的各种测量仪器、控制设备、实时监测系统已应用到国计民生的各个方面.由此,对时间及频率测量的精确度、稳定度也提出了越来越高的要求.

特别是在卫星发射、导弹跟踪、海洋探测、大地测量等领域,对时间及频率测量的误差研究已成为现代测量技术的主要热点课题.本文从通用计数式频率计的组成原理出发,分析测频误差产生的主要原因,探论影响测频误差的主要因素和减小测频率误差的基本方法.

图1 数字频率计的组成原理框图

进制计数器、显示器及标准时钟源、时基分频等功能单元电路组成,如图1所示.

输入通道将被测信号ui放大、整形,转换为频率与被测信号频率fX相同的脉冲信号u1,在门控时间(闸门时间)T内主门打开,计数器计数.

十进制计数器用以累计通过主门的计数脉冲.它是一个二 十进制计数器,计数值N经译码显示单元以十进制方式显示测量结果.

1 数字频率计的组成原理

数字频率计主要由输入通道、主门电路、门控电路、十

收稿日期:2010-01-30.修回:2010-03-31

作者简介:李勇(1957-),男,四川内江人,副教授,主要从事电子电力研究

单片机数字频率计设计

标准时钟源、时基分频、门控电路等单元主要用以产生门控信号uT(亦称时标信).标准时钟源通常由石英晶体振荡器产生频率很高的标准频率fC,作为计数器的内部时间基准.时基分频电路对标准频率信号进行分频并经门控电路变换为门控信号.

由数字频率计的组成原理可推出被测信号频率fx与计数器的计数值N和门控时间T的关系为

fx=

N

T

(1)

T=mTc=m

1fc

[3]

(6)

引入式(2)误差传递公式,可推得门控时间的绝误差(7)和相对误差(8)分别为

!T=-m

!fcfc

2

:

(7)(8)

!fc!T=-Tfc

钟频率的相对误差,故称标准频率误差.

式(8)表明门控时间的相对误差在量值上等于标准时

上式表明,在门控时间T内,被测信号频率与计数器所计的数N成正比.

2 测频误差分析

由式(1)知,被测信号频率fx与计数值N和门控时间T的关系为商函数.

根据误差传递公式[1]!y=

n

j=1

f

!xjj

(2)

得测频绝对误差!f==

NN

TT

!N+!T-N

!TT

(3)

图2 数字频率计的测频波波形图

1

!N+T

测频相对误差yf=

!f!N!T

=-fNT

(4)

3 减小测频误差的方法

将式(5)和(8)两个分项误差代入式(3)得!fx1!fc

= +fxTfxfc

由于两个分项误差的符号具有随机性,因此,按最大误差原则,将数字式频率计的测频总误差表示为

!fx1= +fxTfx

!fc

fc

[2]

上式表明测频误差等于两个分项误差相减,第一项 N/N称为量化误差,第二项 T/T是闸门时间的相对误差.

2.1 量化误差 1误差

由图1数字频率计的测频原理,得测频时的波形如图2所示.因被测信号与门控信号之间没有同步锁定关系,门控信号出现是随机的,在固定的门控时间T内,计数器可能多计(N1=8)或少计(N2=7)一个脉冲,因此,在显示器的末位将产生 N= 1个字的附加误差,即量化误差.

量化误差的特点与被测信号频率高低无关.不管计数值N为多少,其最大绝对误差总是 N= 1个量化单位,通常称为 1误差

[2]

:

(9)

分析式(9)知,数字式频率计的测频误差主要由 1误差和标准频率误差两项合成. 1误差对测量精度的影响由门控时间T和被测信号频fx决定:在fx一定时,T选择越长,测量的精度越高;而当T选定后,fx越高, 1误差对测量结果的影响越小;标准频率误差则由标准频率源的频率准确度和稳定性决定,通常标准频率源选用准确度和

.

量化误差的相对值!N 11

== 1NNTfx

(5)

稳定性很高的石英振荡器构成,其频率精度可达10量级.因此,数字频率计的测频误差主要取决于 1误差,在实际应用中减小测频误差的基本方法可归纳为:

(1)当被测信号频率一定时,增大门控时间,以减小 1误差的影响.

(2)测量低频率信号时:#将被测信号进行倍频后

-9

2.2 标准频率误差

根据图1所示数字频率计的基本原理,设电路的分频系数为m,则门控时间T与标准时钟源的脉冲周期TC(或频率fC)的关系可表示为

单片机数字频率计设计

再送至主门,以提高计数脉冲频率,从而减小 1误差的影响; 采用测周法间接测频,即将标准频率信号作为计数信号,被测信号作为门控信号,同样可减 1小误差的影响

[4]

参考文献:

[1]蒋焕文,孙续.电子测量[M].北京:中国计量出版社,1988.[2]林占江,林放.电子测量仪器原理与使用[M].北京:电子工业出版

社,2007.

[3]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计[M].北京:电子工业出版

社,2005.

[4]吴文全.无 1误差频率测量技术[J].电子测量技术,2003(6):

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[5]陈俊,周正中.高速、高精度频率采样中的量化误差分析[J].电子

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