CN102353837A - 一种脉冲频率测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲频率测量方法和装置，首先RC延时单元储存相位差信息，当被测信号电平变化时，利用被测信号电平进行充电或者放电，电容电压反映出被测信号与测量时钟的相位差；上升沿相位差检测单元对被测信号上升沿时RC延时单元上电容的电压转换为数字量；下降沿相位差检测单元对被测信号下降沿时RC延时单元上电容的电压转换为数字量；数据缓存单元对转换数据进行缓存；时序控制单元对测量过程的时序进行控制；嵌入式单片机运用测量的相位差信息对被测信号进行补偿，实现脉冲频率的测量。采用了本发明的技术方案，能够有效地降低测量的不确定度和误差，提高了频率测量精确度，且实时性好，成本较低，易于实现。

Description

一种脉冲频率测量方法和装置

技术领域

本发明涉及工业测控技术领域，尤其涉及一种脉冲频率测量方法和装置。

背景技术

脉冲频率测量是工业测控中的重要领域，比如在风力发电的发电机组测试和控制中，就有较多的脉冲信号需要进行频率测量，包括风电机组核心部件的发电机的转速和变浆控制时变浆电机的转速等信息，都是通过测量与之同轴链接的光电编码器的频率信号得到的。因此，脉冲频率测量的精度，直接影响到风电机组的控制精度。

常用的脉冲频率测量方法有测频法、测周法以及多周期同步法等。测频法相对测量时间较长，主要适用于高频测量；测周法相对测量速度快，主要应用于低频测量，但其存在1个测量时钟周期的固有误差，影响测试精确度；多周期同步法测试精确度相对较高，但是测试实时性随之降低。近年来，借助于嵌入式技术的不断发展，模拟内插值法、游标法以及相位补偿法等新方法，使测试精确度不断提高，但很多新方法的测试原理不易实现且成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种脉冲频率测量方法和装置，能够有效地降低测量的不确定度和误差，提高了频率测量精确度，且实时性好，成本较低，易于实现。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种脉冲频率测量方法，包括以下步骤：

RC延时单元储存相位差信息，当被测信号电平变化时，RC延时单元利用被测信号电平进行充电或者放电，电容电压反映出被测信号与测量时钟的相位差；

上升沿相位差检测单元对被测信号上升沿时RC延时单元上电容的电压转换为数字量；

下降沿相位差检测单元对被测信号下降沿时RC延时单元上电容的电压转换为数字量；

数据缓存单元对上升沿相位差检测单元和下降沿相位差检测单元的转换数据进行缓存，用于嵌入式单片机读取；

时序控制单元对测量过程的时序进行控制；

嵌入式单片机运用测量的相位差信息对被测信号进行补偿，实现脉冲频率的测量。

上升沿相位差检测包括以下步骤：

被测信号由低电平跳变为高电平，RC延时单元开始充电，V_RC电压逐渐升高；

上升沿相位差检测单元将V_RC与分为N段的基准电压进行比较，其中N为正整数，将V_RC电压值实时转换为二进制数值Q；

当测量时钟信号的上升沿到来时，时序控制单元控制数据缓存单元将转换数据Q进行锁存，并向嵌入式单片机发出读取数据的信号；

嵌入式单片机读取数据缓存单元的数据Q，数据Q值的大小表征V_RC电压的大小，同时，由电容充电电压与时间的关系，计算出被测信号与测量时钟之间的时间差，即二者之间的相位差；

利用相位差对被测信号的周期测量值进行补偿。

相位差补偿进一步包括以下步骤：

对被测信号进行二分频；

对测量时钟进行上升沿和下降沿同时计数的双沿计数方法；

通过测量被测信号的高电平期间的周期，测得被测信号的频率；

在脉冲频率测量波形中，被测信号的周期为

其中，K为双沿计数获得的测量时钟1/2周期的整倍数，t_r和t_f分别为被测信号上升沿和下降沿与测量时钟的相位差，且t_r＝t_cr，t_f＝T₀/2-t_cf；

设测量时钟和被测信号之间的相位差为半个测量时钟时，边沿相位差检测单元输出的数字量为满量程值，及将相位差分成了N段离散值，N为正整数；

令t_r对应的转换数字量为D_r，t_f对应的转换数字量为D_f，则被测信号周期为：

$T=\frac{D_r+\mathrm{NK}+D_r}{N}\·\frac{T_0}{2}.$

RC延时单元时间常数确定步骤包括：

V_RC电压变化由如下公式表示：

其中，V_H为信号高电平的电压值，τ为RC延时单元的时间常数，即τ＝RC；

在上升沿相位差检测单元中，将电压比较分为N段，取测量基准脉冲周期为T₀，则V_RC与基准比较电压之间的关系为：

$V_{\mathrm{RC}}=V_H(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}){|}_{t=\frac{T_0(N-1)}{2N}}=\frac{N-1}{N}{V}_H;$

RC延时单元的时间常数为：

$\mathrm{\τ}=\frac{(N-1)T_0}{2N\ln N}.$

上升沿相位差检测单元电阻值确定步骤包括：

令第i个时间等分点上RC延时单元输出的电压值V_RC等于第i个电阻R_ri上输出端的基准电压V_H的分压值；

当1≤i≤N-1时，由分压原理得：

$V_H(1-X^i)=(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{rj}}/\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{rj}})V_H,$ 其中， $X^i=e^{-\frac{i}{N}\·\frac{T_0}{2\mathrm{\τ}}}={\left(e^{-\frac{\ln N}{N-1}}\right)}^i,$ $X=e^{-\frac{\ln N}{N-1}};$

求取分压电阻的比例系数时，设R_r1＝R_r，则当i＝1时，根据上述公式求得上升沿相位差检测电路中分压电阻阻值之和R_rSUM，由此可得各分压电阻值为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{ri}}=R_r{X}^{i-1},1\≤i\≤N-1\\ R_{\mathrm{rN}}=R_{\mathrm{rSUM}}-\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{rj}}=\frac{R_r}{1-X}-\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{rj}}\end{array}\right.;$

根据实际的电阻值分布和上述公式的系数比，选取一组电阻值，设计上升沿相位差检测单元。

下降沿相位差检测单元电阻值确定步骤包括：

设与参考电压相连的电阻为R_f1，且R_f1＝R_f，则下降沿相位差检测单元中各分压电阻阻值为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{fi}}=R_f{X}^{i-1},1\≤i\≤N-1\\ R_{\mathrm{fN}}=\frac{R_f}{1-X}-\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{fj}}\end{array}\right.;$

根据实际的电阻值分布和上述公式的系数比，选取一组电阻值，设计下降沿相位差检测单元。

一种脉冲频率测量装置，包括RC延时单元、上升沿相位差检测单元、下降沿相位差检测单元、数据缓存单元、时序控制单元和嵌入式单片机，RC延时单元分别与上升沿相位差检测单元和下降沿相位差检测单元连接，数据缓存单元分别与上升沿相位差检测单元、下降沿相位差检测单元和嵌入式单片机连接，其中，

RC延时单元用于储存相位差信息，当被测信号电平变化时，RC延时单元利用被测信号电平进行充电或者放电，电容电压反映出被测信号与测量时钟的相位差；

上升沿相位差检测单元用于对被测信号上升沿时RC延时单元上电容的电压转换为数字量；

下降沿相位差检测单元用于对被测信号下降沿时RC延时单元上电容的电压转换为数字量；

数据缓存单元用于对上升沿相位差检测单元和下降沿相位差检测单元的转换数据进行缓存，提供嵌入式单片机读取；

时序控制单元用于对测量过程的时序进行控制；

嵌入式单片机用于运用测量的相位差信息对被测信号进行补偿，实现脉冲频率的测量。

采用了本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)相位差检测方法简单，成本低，易于实现；

(2)脉冲频率测量方法实时性高，有利于满足高性能***的实时性要求；

(3)在***测试时钟频率一定或者受限的情况下，有效的降低了频率测量的不确定度和误差，提高了测量的精度。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中脉冲频率测量框图。

图2是本发明具体实施方式中脉冲频率测量波形图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明技术方案的主要思想是利用相位差检测电路和方法，测量出被测信号与测量时钟信号之间的相位差，对被测信号进行补偿，以减小测周法在脉冲频率测量时具有1个测量时钟周期误差的缺点，实现脉冲信号的频率高精度实时测量，以提高工业测控***的测试和控制精度。

该脉冲频率测量装置包括RC延时单元、上升沿相位差检测单元、下降沿相位差检测单元、数据缓存单元、时序控制单元和嵌入式单片机。

RC延时单元分别与上升沿相位差检测单元和下降沿相位差检测单元连接，数据缓存单元分别与上升沿相位差检测单元、下降沿相位差检测单元和嵌入式单片机连接。

RC延时单元储存相位差信息，当被测信号电平变化时，RC延时单元利用被测信号电平进行充电或者放电，电容电压反映出被测信号与测量时钟的相位差。

上升沿相位差检测单元对被测信号上升沿时RC延时单元上电容的电压转换为数字量。

下降沿相位差检测单元用于对被测信号下降沿时RC延时单元上电容的电压转换为数字量。

数据缓存单元对上升沿相位差检测单元和下降沿相位差检测单元的转换数据进行缓存，提供嵌入式单片机读取。

时序控制单元用于对测量过程的时序进行控制。

嵌入式单片机用于运用测量的相位差信息对被测信号进行补偿，实现脉冲频率的测量。

图1是本发明具体实施方式中脉冲频率测量框图。如图1所示，相位差检测步骤如下(以上升沿为例)：

(1)被测信号由低电平跳变为高电平，RC延时电路开始充电，V_RC电压逐渐升高；

(2)上升沿相位差检测单元采用并联比较型AD的原理，将V_RC与分为N段的基准电压进行比较，将V_RC电压值实时转换为二进制数值Q；

(3)当测量时钟信号的上升沿到来时，时序控制单元控制数据缓存单元将转换数据Q进行锁存，并向单片机发出读取数据的信号；

(4)单片机读取缓存单元的数据Q，其Q值的大小表征V_RC电压的大小，同时，由电容充电电压与时间的关系，即可换算出被测信号与测量时钟之间的时间差，即二者之间的相位差；

(5)利用相位差对被测信号的周期测量值进行补偿，从而提高被测信号的频率测量精度。

图2是本发明具体实施方式中脉冲频率测量波形图。如图2所示，基于离散相位差检测的脉冲频率测量波形。首先对被测信号进行二分频，对测量时钟进行上升沿和下降沿同时计数的双沿计数方法，然后测量其高电平期间的周期，即可测得被测信号的频率。在图2所示的波形中，被测信号的周期为

$T=t_r+\frac{T_0}{2}K+t_f---\left(1\right)$

其中，K为对测量时钟进行双沿计数获得的测量时钟1/2周期的整倍数，t_r，t_f分别为被测信号上升沿和下降沿与测量时钟的相位差，且t_r＝t_cr，t_f＝T₀/2-t_cf。设测量时钟和被测信号之间的相位差为半个测量时钟时，边沿相位差检测单元输出的数字量为满量程值，及将相位差分成了N段离散值。令t_r对应的转换数字量为D_r，t_f对应的转换数字量为D_f，则被测信号周期为：

$T=\frac{D_r+\mathrm{NK}+D_f}{N}\·\frac{T_0}{2}---\left(2\right)$

显然，相位差补偿的频率测量方法，比传统的只对测量时钟的上升沿或者下降沿进行计数的方法，测量精度有明显的提高。测量误差的大小和不确定度，取决于相位差检测单元中对基准电压所分的段数N的大小。

下面说明RC延时单元和相位差检测单元的参数确定方法：

(1)RC延时单元时间常数确定方法：

V_RC电压变化可由如下公式表示：

$V_{\mathrm{RC}}=V_H(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}})---\left(3\right)$

式中，V_H为信号高电平的电压值，τ为RC延时单元的时间常数，即τ＝RC。在上升沿相位差检测电路中，将电压比较分为N段，取测量基准脉冲周期为T₀，则V_RC与基准比较电压之间的关系为：

$V_{\mathrm{RC}}=V_H(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}){|}_{t=\frac{T_0(N-1)}{2N}}=\frac{N-1}{N}{V}_H---\left(4\right)$

于是由式(4)可得RC延时单元的时间常数为：

$\mathrm{\τ}=\frac{(N-1)T_0}{2N\ln N}---\left(5\right)$

(2)上升沿相位差检测单元电阻值确定方法：

由于利用二进制数值的相位差对被测信号进行补偿时是按照线性关系补偿的，而V_RC上的电压却是非线性的，所以相位差检测电路中的电阻值是非线性分布的。

令第i个时间等分点上RC延时单元输出的电压值V_RC等于第i个电阻R_ri上输出端的基准电压V_H的分压值。当1≤i≤N-1时，由分压原理得：

$V_H(1-X^i)=(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{rj}}/\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{rj}})V_H---\left(6\right)$

式中，

求取分压电阻的比例系数时，不妨设R_r1＝R_r，则当i＝1时，根据式(6)可求得上升沿相位差检测电路中分压电阻阻值之和R_rSUM，由此可得各分压电阻值为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{ri}}=R_r{X}^{i-1},1\≤i\≤N-1\\ R_{\mathrm{rN}}=R_{\mathrm{rSUM}}-\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{rj}}=\frac{R}{1-X}-\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{rj}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

根据实际的电阻值分布和式(7)的系数比，即可选取合适的电阻合适的一组电阻值，设计上述上升沿相位差检测电路。

(3)下降沿相位差检测单元电阻值确定方法：

由于下降沿时，RC延时单元输出电压从稳态值开始放电，为了表述的统一性，电阻编号不妨与上升沿相位差检测电路逆序，设与参考电压相连的电阻为R_f1，且R_f1＝R_f，则同理可得下降沿相位差检测电路中各分压电阻阻值为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{fi}}=R_f{X}^{i-1},1\≤i\≤N-1\\ R_{\mathrm{fN}}=\frac{R_f}{1-X}-\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{fj}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

根据实际的电阻值分布和式(8)的系数比，即可选取合适的电阻合适的一组电阻值，设计上述下降沿相位差检测电路。

通过上述电路以及测试方法，即可实现脉冲信号的高精度实时测试，测试成本低，易于实现。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种脉冲频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

RC延时单元储存相位差信息，当被测信号电平变化时，RC延时单元利用被测信号电平进行充电或者放电，电容电压反映出被测信号与测量时钟的相位差；

上升沿相位差检测单元对被测信号上升沿时RC延时单元上电容的电压转换为数字量；

下降沿相位差检测单元对被测信号下降沿时RC延时单元上电容的电压转换为数字量；

数据缓存单元对上升沿相位差检测单元和下降沿相位差检测单元的转换数据进行缓存，用于嵌入式单片机读取；

时序控制单元对测量过程的时序进行控制；

嵌入式单片机运用测量的相位差信息对被测信号进行补偿，实现脉冲频率的测量。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲频率测量方法，其特征在于，上升沿相位差检测包括以下步骤：

被测信号由低电平跳变为高电平，RC延时单元开始充电，V_RC电压逐渐升高；

上升沿相位差检测单元将V_RC与分为N段的基准电压进行比较，其中N为正整数，将V_RC电压值实时转换为二进制数值Q；

当测量时钟信号的上升沿到来时，时序控制单元控制数据缓存单元将转换数据Q进行锁存，并向嵌入式单片机发出读取数据的信号；

嵌入式单片机读取数据缓存单元的数据Q，数据Q值的大小表征V_RC电压的大小，同时，由电容充电电压与时间的关系，计算出被测信号与测量时钟之间的时间差，即二者之间的相位差；

利用相位差对被测信号的周期测量值进行补偿。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲频率测量方法，其特征在于，相位差补偿进一步包括以下步骤：

对被测信号进行二分频；

对测量时钟进行上升沿和下降沿同时计数的双沿计数方法；

通过测量被测信号的高电平期间的周期，测得被测信号的频率；

在脉冲频率测量波形中，被测信号的周期为

其中，K为双沿计数获得的测量时钟1/2周期的整倍数，t_r和t_f分别为被测信号上升沿和下降沿与测量时钟的相位差，且t_r＝t_cr，t_f＝T₀/2-t_cf；

设测量时钟和被测信号之间的相位差为半个测量时钟时，边沿相位差检测单元输出的数字量为满量程值，及将相位差分成了N段离散值，N为正整数；

令t_r对应的转换数字量为D_r，t_f对应的转换数字量为D_f，则被测信号周期为：

$T=\frac{D_r+\mathrm{NK}+D_r}{N}\·\frac{T_0}{2}.$

4.根据权利要求1所述的一种脉冲频率测量方法，其特征在于，RC延时单元时间常数确定步骤包括：

V_RC电压变化由如下公式表示：

其中，V_H为信号高电平的电压值，τ为RC延时单元的时间常数，即τ＝RC；

在上升沿相位差检测单元中，将电压比较分为N段，取测量基准脉冲周期为T₀，则V_RC与基准比较电压之间的关系为：

$V_{\mathrm{RC}}=V_H(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}){|}_{t=\frac{T_0(N-1)}{2N}}=\frac{N-1}{N}{V}_H;$

RC延时单元的时间常数为：

$\mathrm{\τ}=\frac{(N-1)T_0}{2N\ln N}.$

5.根据权利要求1所述的一种脉冲频率测量方法，其特征在于，上升沿相位差检测单元电阻值确定步骤包括：

令第i个时间等分点上RC延时单元输出的电压值V_RC等于第i个电阻R_ri上输出端的基准电压V_H的分压值；

当1≤i≤N-1时，由分压原理得：

$V_H(1-X^i)=(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{rj}}/\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{rj}})V_H,$ 其中， $X^i=e^{-\frac{i}{N}\·\frac{T_0}{2\mathrm{\τ}}}={\left(e^{-\frac{\ln N}{N-1}}\right)}^i,$ $X=e^{-\frac{\ln N}{N-1}};$

求取分压电阻的比例系数时，设R_r1＝R_r，则当i＝1时，根据上述公式求得上升沿相位差检测电路中分压电阻阻值之和R_rSUM，由此可得各分压电阻值为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{ri}}=R_r{X}^{i-1},1\≤i\≤N-1\\ R_{\mathrm{rN}}=R_{\mathrm{rSUM}}-\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{rj}}=\frac{R_r}{1-X}-\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{rj}}\end{array}\right.;$

根据实际的电阻值分布和上述公式的系数比，选取一组电阻值，设计上升沿相位差检测单元。

6.根据权利要求1所述的一种脉冲频率测量方法，其特征在于，下降沿相位差检测单元电阻值确定步骤包括：

设与参考电压相连的电阻为R_f1，且R_f1＝R_f，则下降沿相位差检测单元中各分压电阻阻值为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{fi}}=R_f{X}^{i-1},1\≤i\≤N-1\\ R_{\mathrm{fN}}=\frac{R_f}{1-X}-\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{fj}}\end{array}\right.;$

根据实际的电阻值分布和上述公式的系数比，选取一组电阻值，设计下降沿相位差检测单元。

7.一种脉冲频率测量装置，其特征在于，包括RC延时单元、上升沿相位差检测单元、下降沿相位差检测单元、数据缓存单元、时序控制单元和嵌入式单片机，RC延时单元分别与上升沿相位差检测单元和下降沿相位差检测单元连接，数据缓存单元分别与上升沿相位差检测单元、下降沿相位差检测单元和嵌入式单片机连接，其中，

RC延时单元用于储存相位差信息，当被测信号电平变化时，RC延时单元利用被测信号电平进行充电或者放电，电容电压反映出被测信号与测量时钟的相位差；

上升沿相位差检测单元用于对被测信号上升沿时RC延时单元上电容的电压转换为数字量；

下降沿相位差检测单元用于对被测信号下降沿时RC延时单元上电容的电压转换为数字量；

数据缓存单元用于对上升沿相位差检测单元和下降沿相位差检测单元的转换数据进行缓存，提供嵌入式单片机读取；

时序控制单元用于对测量过程的时序进行控制；

嵌入式单片机用于运用测量的相位差信息对被测信号进行补偿，实现脉冲频率的测量。

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