作者：李廣明,，楊雷 來源: 現(xiàn)代電子技術
1 引 言
多周期測量法是一種很靈活的頻率測量方法,，通過調整被測信號的周期個數(shù)可以在測量精度和測量時間二者之間做出最佳選擇，對于用普通的測頻法和測周法難以保證測量精度的非等周期信號,，如氣壓傳感器的輸出信號,，多周期測量法是最佳選擇。另外,，通過提高基準頻率和選用大容量計數(shù)器等措施還可以進一步提高系統(tǒng)的測量精度,，這種測量方法可用于高精度頻率測量系統(tǒng)的設計中。
2 信號采集要求
在研制基于GPRS的自動氣象站中,，氣壓采集系統(tǒng)采用電激勵諧振筒式壓力傳感器,。該傳感器輸出為周期C(或頻率f)與氣壓相關的TTL電平的矩形波信號(下稱原始信號)和一個與環(huán)境溫度呈線性關系的0～5 V的模擬電壓信號。輸出信號頻率與氣壓P一一對應,，單值連續(xù),，振動筒諧振頻率的變化反應了氣壓的變化。
國家氣象局對氣壓遙測的要求,，測量范圍為50～110 kPa,，采集的分辨率為0.01 kPa，準確度為±0.03 kPa,，采集速率為6次／min(1 min共取6個樣本值,，取中間大小的4個值的等權算術平均值)。根據(jù)周期C(或頻率f)對氣壓的最低靈敏度來確定周期及頻率測量的分辨率,，根據(jù)周期C(或頻率f)對溫度的最高交叉靈敏度決定對溫度電壓的分辨率,。通過數(shù)據(jù)分析，欲使氣壓系統(tǒng)分辨率達0.01 kPa,，這就要求周期測量分辨率為0.002 636 2μs,，頻率測量的分辨率為0.068 645 Hz，對溫度電壓的分辨率為43 mV,。
3 測量頻率和周期的基本方法
電子計數(shù)器測量信號頻率和周期的基本原理是門控法,，如圖1所示。
(1)在測量頻率時,，被測信號加在A端,，B端加門控信號，其信號寬度TB即是采樣時間,，被測信號頻率為：
N為閘門時間TB內的脈沖數(shù),。測量的最大誤差為：
誤差中前項是量化誤差，后部分是因為標準信號誤差引起,。若滿足0.068 645 Hz分辨率的要求,，門控信號寬度TB(采樣時間)要超過15 s。按照這種方法,，不能達到國家氣象局規(guī)定的氣壓采集速率6次／min,。
(2)測量信號周期時,，標準信號加在A端，B端門控信號由被測信號觸發(fā),，其信號寬度TB為被測信號的周期,，被測信號周期C為：
其中，N為被測時間內對周期為τ的標準信號計數(shù)個數(shù),，測量的最大誤差為：
誤差中前項是量化誤差,，后部分是因為標準信號誤差引起的。若滿足0.002 636 2 μs分辨率的要求,，時標信號的頻率要高于379.33 MHz,，實現(xiàn)難度大，用微控制器直接測量時是不能完成的,。
4 多周期測周法
對信號M分頻后觸發(fā)產(chǎn)生門控信號對時標信號計數(shù)(如圖2所示),。
誤差中前項是量化誤差，后部分是因為標準信號誤差引起的,。從式中可知,，被測信號周期擴展M倍后，對時標信號的頻率要求不很高,，電路容易實現(xiàn)，并能將量化誤差降到單周期測量的1／M,；為減小標準信號帶來的誤差,，要求時標信號具有較高的精度。
觸發(fā)誤差的抑制傳感器輸出的信號為矩形波信號由原始振蕩信號經(jīng)整形得到,，信號中疊加的噪聲在整形時會使矩形波信號的觸發(fā)沿提前或滯后,。多周期測周時使相鄰周期的觸發(fā)誤差相互抵消。M個周期的累計觸發(fā)誤差只相當于單個周期的觸發(fā)誤差,。
5 信號測量單片機控制電路的實現(xiàn)
圖3為多周期測周的原理圖,，其核心是P89LPC935。
P89LPC935是PHILIPS公司LPC900系列單片封裝的微控制器,，采用了高性能的處理器結構(與51系列兼容),，速度6倍于標準80C51器件，除51系列單片機資源外還具有8 kB FLASH程序存儲器,，512片內用戶數(shù)據(jù)E2PROM存儲區(qū),，2個4路輸入的8位A／D轉換器和2個DAC，I2C,，SPI總線,、片內看門狗和復位電路、捕獲／比較單元(CCU)等資源,。
原始信號(傳感器輸出的與氣壓有關的矩形波信號)接到分頻電路CD4020的時鐘輸入端,，經(jīng)256分頻后接到P89LPC935的／INT1端,，作為門控信號控制P89LPC935內部的定時計數(shù)器1。定時計數(shù)器1工作在定時方式,，在門控信號為高電平時計數(shù),。時鐘為PCLK，為外接晶振11.059 2 MHz的2分頻(6倍于標準80C51器件),，即5.529 6 MHz,。
如圖4所示，原始信號周期C在200 μs左右,，256分頻后的門控信號周期在51 200μs左右(256C),，一個周期中高電平部分約為25 600 μs(高電平部分128 C)，在高電平時對5.529 6 MHz計數(shù),，其計數(shù)值約為141 500,，超過16位計數(shù)器的長度，將產(chǎn)生溢出并產(chǎn)生中斷,。開辟1個內部RAM,，在中斷服務子程序中進行加l操作，即可滿足計數(shù)字長要求,。計數(shù)過程如下：
S1：首先判斷／INT1是否為高電平,，該過程時間最長256C；
S2：判斷／INT1是否為低電平,，若是,，計數(shù)器清零，允許計數(shù),，允許計數(shù)器溢出中斷,，該過程時間128C；
S3：／INT1為高電平時計數(shù)器計數(shù),，計數(shù)器溢出時產(chǎn)生中斷,，中斷服務子程序中高位加1，該過程時間128C,；
S4：后續(xù)處理,，包括頻率計算、溫度采集及其他運算,。該過程時間小于128C,。
整個計數(shù)及處理過程時間小于640 C，在128 ms以內,，遠小于10 s,。原始信號的周期C及測量誤差如下計算。原始信號的周期為C，計數(shù)值為N,，計算公式為：
其中,，M=128；τ=(1／5.529 6)μs,；128C=(N／5.5296)μs,，C=N×0.001 4μs。
其測量誤差為：
誤差中前項是量化誤差,，為0.001 4μs,；后部分是因為標準信號誤差(即晶振的誤差)引起的。在整個測量范圍內,，C最大值為211.787 9μs,，選取準確度優(yōu)于5 ppm的晶振，該項誤差最大值為：211.787 9μs×5 ppm=0.001 1μs,；兩者的和小于0.002 636 2μs,，滿足要求。
上述的分析計算是兩者絕對值相加,，有一定的冗余,。如果進一步提高M值，將進一步減小量化誤差,。
用該方法測量周期的前提條件是選取準確度優(yōu)于5 ppm的晶振,，測量周期的誤差最小可控制在0.001 1μs。
將溫度信號直接連接到P89LPC935的模擬輸入端AD10(P0.1)引腳,，進行A／D轉換,。A／D轉換時間為μs量級，遠遠小于要求的采樣周期10 s,，在溫度采集時，有足夠的時間對A／D轉換數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理,，其具體方法為：每次采集進行18次A／D轉換,，去掉一個最大值和最小值，取其余16個數(shù)據(jù)算術平均值作為最終結果,。
溫度信號采集的準確度為20 mV,，優(yōu)于43 mV的要求。
6 結 語
該測量方法成功地應用于與河南省氣象局合作開發(fā)的自動氣象站中,。用多周期測周的方法快速準確測量信號的頻率(周期)基于2個條件：信號是連續(xù)的,；P89LPC935的晶振必須使用外接的高精度、高穩(wěn)定晶體振蕩器(準確度優(yōu)于5 ppm),。