??? 摘 要: 介紹了一款基于單片機(jī)的倍頻電路。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)對準(zhǔn)周期信號的整周期同步采樣" title="同步采樣">同步采樣,，具有倍頻精度高,、跟蹤速度快,、能對準(zhǔn)周期信號進(jìn)行預(yù)測和補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn),；同時介紹了一種周期預(yù)測的方法和原理以及基于PC總線實現(xiàn)準(zhǔn)周期信號的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)" title="數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
??? 關(guān)鍵詞: 準(zhǔn)周期信號? 整周期采樣? 單片機(jī)? 預(yù)測
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??? 數(shù)據(jù)采集及其傅立葉分析是信號處理的重要環(huán)節(jié)和基本手段。眾所周知，利用FFT技術(shù)對信號進(jìn)行頻譜分析時,，其精度受譜泄漏和柵欄效應(yīng)等因素的制約。理論研究和實驗均表明：對周期或準(zhǔn)周期信號實行按基頻整周期同步采集2n個數(shù)據(jù),，即整周期基2同步采樣,，可以減小傅立葉分析中的固有誤差——譜泄漏和柵欄效應(yīng)[1]。
??? 對周期信號,，通?？刹捎糜涉i相環(huán)和分頻器組成的鎖相倍頻電路[2]，實現(xiàn)對信號的整周期基2同步采樣,。但對周期緩慢變化的準(zhǔn)周期信號,，要實現(xiàn)整周期基2同步采樣，則非易事,。本文提出一款基于單片機(jī)周期預(yù)測和補(bǔ)償，從而實現(xiàn)對準(zhǔn)周期信號整周期基2同步采樣的倍頻電路,。該電路倍頻精度高,、跟蹤速度快,，能對準(zhǔn)周期信號進(jìn)行預(yù)測和補(bǔ)償,，在信號處理和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。最后給出了基于PC總線實現(xiàn)同步采樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。
1 準(zhǔn)周期信號基2倍頻電路的實現(xiàn)
1．1 準(zhǔn)周期信號基2倍頻原理
??? 設(shè)待采集的準(zhǔn)周期信號的頻率為fX,，周期TX。為了實現(xiàn)對輸入信號" title="輸入信號">輸入信號的整周期同步采樣,，要求對輸入信號N倍頻,，即產(chǎn)生一個頻率為NfX的A/D" title="A/D">A/D采樣脈沖。又設(shè)某基準(zhǔn)時鐘脈沖信號的頻率為f0(f0>>fX),，周期為T0,，對f0進(jìn)行M分頻后，使其恰好等于輸入待采集周期信號頻率fX的N倍,，即:
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??? 式(3)中n=4, 5,，…,8。顯然,，當(dāng)n的位數(shù)確定后,，改變M，使M隨Tx的變化而變化,，就能保證整周期基2同步采樣,。
1．2? 準(zhǔn)周期信號基2倍頻電路的硬件實現(xiàn)
??? 為了保證對準(zhǔn)周期信號基2整周期同步采樣有較高的精度,，筆者提出一款基于雙單片機(jī)的基2倍頻電路如圖1所示。它由過零比較器,、二分頻器,、單片機(jī)和或門組成，其中單片機(jī)選用AT89C2051,，外部晶振頻率為12MHz,，內(nèi)部計數(shù)頻率f0為1MHz，輸入信號fX經(jīng)整形和二分頻后直接與兩單片機(jī)的外中斷
相連,。圖1中A,、B、C,、D,、E、F,、G各點(diǎn)波形如圖2所示,。
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??? 其工作原理是：在信號的奇周期TX1期間，單片機(jī)（1）定時器T0由輸入信號TX1的上升沿啟動,，并對TX1填脈沖計數(shù),， TX1的下降沿關(guān)閉定時器T0；借助單片機(jī)的運(yùn)算功能,，確定M值,，并利用定時器T1產(chǎn)生頻率為NfX的輸出脈沖信號。定時器T0設(shè)為內(nèi)部計數(shù)形式,，工作方式" title="工作方式">工作方式1（16位計數(shù),，初值為0），GATE位為1,，利用外部中斷
引腳上的電平TX1,，直接啟動和關(guān)閉計數(shù)器。其計數(shù)結(jié)果是16位二進(jìn)制數(shù)HL,，其中高位為H,，低位為L值。
??? 當(dāng)輸入信號頻率較低時,，計數(shù)器T0會溢出觸發(fā)中斷,，在中斷服務(wù)程序中使用單片機(jī)內(nèi)部寄存器（R4）記錄中斷次數(shù)，以擴(kuò)展計數(shù)范圍,。利用外部中斷引腳上TX1電平的下降沿產(chǎn)生中斷,，讀取T0的計數(shù)值HL和R4的值。通常（3）式中的n可根據(jù)輸入信號的頻率,，智能地選取4到8位的二進(jìn)制數(shù),，（2）式中的M值由下式給出：
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??? 顯然M為16位二進(jìn)制數(shù),，因此設(shè)置定時器T1為內(nèi)部計數(shù)方式，GATE位為1,。當(dāng)輸入信號頻率較高時,，選工作方式2（8位，初值自動重裝載）,；當(dāng)輸入信號頻率較低時,，選工作方式1（16位）。定時器T1的初值取決于上一奇周期期間測得的M值,，當(dāng)計數(shù)溢出中斷時,，在中斷服務(wù)程序中使P1.0輸出電平翻轉(zhuǎn)，即獲得fX的N倍頻的方波信號,。
??? 同理,，可實現(xiàn)單片機(jī)（2）在偶周期TX2期間，輸出N倍頻的方波信號,?？梢姰?dāng)輸入單片機(jī)的外部信號fX每產(chǎn)生一個周期脈沖，在其輸出端就會有N個輸出脈沖,，用輸出脈沖去觸發(fā)A/D板卡采樣,，即實現(xiàn)了N倍頻的整周期采樣。
1．3? 準(zhǔn)周期信號的周期預(yù)測
??? 上述方法實現(xiàn)整周期采樣時,，是把這一周的周期值作為下一周的周期來計算采樣脈沖輸出頻率的。對周期性信號,，周期固定不會影響結(jié)果,；但對準(zhǔn)周期信號，周期是漸變的,，會帶來較大的誤差,。為了減少或補(bǔ)償這種誤差，本設(shè)計借助單片機(jī)的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理功能,，分別對下一周期進(jìn)行周期預(yù)測,。即利用前m個周期的T值，對下一個周期作出預(yù)測,，再以預(yù)測的M來設(shè)置定時器T1的初值,。用拉格朗日線性插值法可預(yù)測周期[3]，如圖3所示,。提取最近兩周的周期值,，推算下一周的周期值。
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??? 圖3中Tj為第j周終了時刻測得的周期值,，Tj-1為第j-1周終了時刻測得的周期值,，Tj+1為要預(yù)估的下一周終了時刻的周期值,，則可得預(yù)估公式：
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2? 基于PC總線控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
??? 基于PC總線的同步采樣系統(tǒng)框圖見圖4，它主要由地址譯碼器,、單片機(jī)倍頻電路,、A/D轉(zhuǎn)換器組成。各模塊功能如下：
地址譯碼： PC機(jī)中用戶可使用0300H～031FH地址,，采用與非門74LS133對PC總線的地址信號A0～A9譯碼,，端口地址為030EH和030FH。
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??? 單片機(jī)倍頻電路：產(chǎn)生同步信號進(jìn)行同步采樣,，保證信號截斷長度正好是信號周期的整數(shù)倍,。
??? A/D轉(zhuǎn)換器：采用AD678芯片實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD678是帶采樣保持器的12位A/D轉(zhuǎn)換器,，其精度為2-12=1/4096=0.024%,，轉(zhuǎn)換時間為5μs，其工作速率滿足采樣頻率的要求,。
3 性能及誤差分析
??? (1)輸入信號上下限頻率fxH和fxL的確定
??? 當(dāng)輸入信號頻率較高時,，（3）式中的n取4位二進(jìn)制，考慮到單片機(jī)的中斷響應(yīng)時間需要3～8個T0,，因此由（2）式可求得：
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??? 式(7)中的TP為單片機(jī)周期預(yù)測所需的時間,，設(shè)約為72μs。
??? 當(dāng)輸入信號頻率較低時,，（3）式中的n取8位二進(jìn)制,，（4）式中的M可取16位二進(jìn)制的最大值，因此由（2）式可求得：
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??? (2)誤差分析
??? 根據(jù)（5）式估算的周期值,，如果準(zhǔn)周期信號的周期變化是均勻的,，即遵從勻變速規(guī)律，由此引入的誤差為0;如果周期變化是非均勻的,，則仍會帶來一定誤差,。在許多實際應(yīng)用場合（如旋轉(zhuǎn)機(jī)械的起停過程）周期主要是勻變速或接近勻變速，而少許的偏離經(jīng)（5）式的修正后影響很小,。其它的計數(shù)誤差和單片機(jī)中斷引起的誤差,，可看作系統(tǒng)誤差，由單片機(jī)修正,。
??? 本文介紹的準(zhǔn)周期信號同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，借助單片機(jī)的周期預(yù)測功能，對準(zhǔn)周期信號智能倍頻,，從而實現(xiàn)整周期基2同步采樣,，進(jìn)而大大消除頻譜分析中的泄漏誤差和柵欄效應(yīng)，在機(jī)械故障診斷、信號測試等相關(guān)領(lǐng)域具有很強(qiáng)的實用性,。
參考文獻(xiàn)
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