CN106597097A - 一种高精度频率测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率测量方法，该方法包括：输出闸门时间已知的闸门脉冲；获取闸门时间内待测信号的完整脉冲的个数；利用高频脉冲获取前相位差比例和后相位差比例；前相位差比例为闸门脉冲开始前与待测信号之间的相位差占待测信号的一个周期相位的比例，后相位差比例为闸门脉冲结束前与待测信号之间的相位差占待测信号的一个周期相位的比例；根据完整脉冲的个数、前相位差比例和后相位差比例，计算待测信号的频率。该频率测量方法能消除测量过程中±1的测量误差，实现待测信号的频率的高精度实时连续测量。

Description

一种高精度频率测量方法
技术领域
本发明涉及频率测量技术领域，特别是涉及一种高精度频率测量方法。
背景技术
随着电子信息技术的发展，信号频率的测量在科技研究与工业应用中的作用日益重要，并且要求可测量信号频率范围宽度越来越大、精度越来越高。
目前主要的频率测量方法主要有M法、T法、M/T法。M法是通过测量固定闸门时间内被测信号的脉冲数计算待测信号，测量精度受闸门时间和待测信号影响。T法是通过测量被测信号一个周期内标准脉冲的个数计算待测信号，测量精度受待测信号周期和标准脉冲精度影响。M/T法是通过测量多个被测信号周期内的标准脉冲的个数计算待测信号。较上述两种方法提高了测量精度并且兼顾高频和低频测量，但是，当闸门时间为待测脉冲周期整数倍时此项误差最大，此为±1字误差。这三种方法都没有解决±1的测量误差问题。
随后频率测量方法出现了等精度测量法与游标法，虽然可以在理论上消除±1的误差问题，但是这类方法是通过检测脉冲上升沿的重合来进行的，多采用信号在器件中的传输延时实现，在电路搭建困难且稳定性差，实际应用效果不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种稳定性好，测量精度高的频率测量方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种频率测量方法，所述方法包括：
输出闸门时间已知的闸门脉冲；
获取所述闸门时间内待测信号的完整脉冲的个数；
利用高频脉冲获取前相位差比例和后相位差比例；所述前相位差比例为所述闸门脉冲开始前与所述待测信号之间的相位差占所述待测信号的一个周期相位的比例，所述后相位差比例为所述闸门脉冲结束前与所述待测信号之间的相位差占所述待测信号的一个周期相位的比例；
根据所述完整脉冲的个数、所述前相位差比例和所述后相位差比例，计算所述待测信号的频率。
可选的，所述利用高频脉冲获取前相位差比例和后相位差比例，具体包括：
获取所述待测信号的单个周期内所述高频脉冲的个数，记为周期脉冲数；
根据所述周期脉冲数与所述高频脉冲的频率，获得所述待测信号的周期时间；
获取前脉冲数和后脉冲数；所述前脉冲数为位于所述闸门脉冲开始前最接近的所述待测信号开始端与所述闸门脉冲开始端之间的所述高频脉冲的个数，所述后脉冲数为位于所述闸门脉冲结束前最接近的所述待测信号开始端与所述闸门脉冲结束端之间的所述高频脉冲的个数；
根据所述前脉冲数、所述后脉冲数及所述高频脉冲的频率，计算前脉冲时间差和后脉冲时间差；
根据所述前脉冲时间差、所述后脉冲时间差及周期时间，计算所述前相位差比例和所述后相位差比例。
可选的，所述前脉冲时间差的计算公式为：其中，nx1为前脉冲数，f0为高频脉冲的频率；所述后脉冲时间差的计算公式为：其中，nx2为后脉冲数。
可选的，所述前相位差比例的计算公式为：所述后相位差比例其中，Tc为周期时间。
可选的，所述待测信号的频率的计算公式为：其中，n为整脉冲数，ny为周期脉冲数，Tg为闸门时间。
可选的，所述闸门脉冲是通过对时钟源信号分频而得。
可选的，所述高频脉冲是通过对时钟源信号进行锁相倍频而得。
本发明还提供了一种频率测量***，包括：
时钟源，用于提供稳定工作频率的时钟源信号；
锁相倍频电路，与所述时钟源相连，用于将所述时钟源信号倍频输出高频脉冲；
分频电路，与所述时钟源相连，用于将所述时钟源信号分频输出可控周期的闸门脉冲；
脉冲计数电路，与所述分频电路相连接，并接入所述待测信号，用于获取所述闸门时间内待测信号的完整脉冲的个数；
脉冲宽度测量电路，分别与所述锁相倍频电路和所述分频电路相连接，并接入所述待测信号，用于获取所述待测信号的单个周期内所述高频脉冲的个数，记为周期脉冲数；并根据所述周期脉冲数与所述高频脉冲的频率，获得所述待测信号的周期时间；
相位差比例测量电路，与所述锁相倍频电路相连接，并接入所述待测信号，用于利用高频脉冲获取前相位差比例和后相位差比例；
存储运算电路，用于存储数据信息和计算待测信号的频率。
可选的，所述脉冲计数电路包含第一计数器，用于计数所述闸门时间内待测信号的完整脉冲的个数；所述脉冲宽度测量电路包括第二计数器，用于获取所述待测信号的单个周期内所述高频脉冲的个数；所述相位差比例测量电路包括第三计数器，用于获取前脉冲数和后脉冲数，所述前脉冲数为位于所述闸门脉冲开始前最接近的所述待测信号开始端与所述闸门脉冲开始端之间的所述高频脉冲的个数，所述后脉冲数为位于所述闸门脉冲结束前最接近的所述待测信号开始端与所述闸门脉冲结束端之间的所述高频脉冲的个数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：常规频率测量方法中，闸门脉冲开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，所以闸门脉冲开启时刻与计数脉冲上升沿时刻在时间轴上的相对位置是随机的，这样在相同的闸门时间内，记录的脉冲数不一定相同。当闸门时间为待测脉冲周期整数倍时此项误差最大，此为±1字误差。本发明提供的频率测量方法是利用稳定的高频脉冲对待测信号与闸门脉冲的相位差进行脉冲计数。考虑了待测信号与闸门脉冲之间的相位差，并在计算过程中计入该相位差，消除了±1的误差。较于现有方法，本发明具有精度高、稳定性好、可靠性高等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的频率测量方法的流程图；
图2为本发明提供的频率测量***的结构示意图；
图3为利用本发明的频率测量***和方法进行测量的时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种稳定性好，测量精度高的频率测量方法，以消除测量过程中±1的测量误差，实现待测信号的频率的高精度实时连续测量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和3所示，本频率测量方法包括：
步骤101：输出闸门时间Tg已知的闸门脉冲；其中，该闸门脉冲可以是通过对时钟源信号分频而得；
步骤102：获取闸门时间内待测信号的完整脉冲的个数n；
步骤103：利用频率f0已知的高频脉冲获取前相位差比例和后相位差比例；前相位差比例为闸门脉冲开始前与待测信号之间的相位差占待测信号的一个周期相位的比例，后相位差比例为闸门脉冲结束前与待测信号之间的相位差占待测信号的一个周期相位的比例；其中，该高频脉冲是通过对时钟源信号进行锁相倍频而得；
步骤104：根据完整脉冲的个数、前相位差比例和后相位差比例，计算待测信号的频率。
在上述实施方式中，步骤103：利用高频脉冲获取前相位差比例和后相位差比例的具体步骤包括：
获取待测信号的单个周期内高频脉冲的个数，记为周期脉冲数ny；
根据周期脉冲数与高频脉冲的频率，获得待测信号的周期时间Tc；
获取前脉冲数nx1和后脉冲数nx2；前脉冲数为位于闸门脉冲开始前最接近的待测信号开始端与闸门脉冲开始端之间的高频脉冲的个数，后脉冲数为位于闸门脉冲结束前最接近的待测信号开始端与闸门脉冲结束端之间的高频脉冲的个数；
根据前脉冲数、后脉冲数及高频脉冲的频率，计算前脉冲时间差和后脉冲时间差；前脉冲时间差的计算公式为：其中，nx1为前脉冲数，f0为高频脉冲的频率；后脉冲时间差的计算公式为：其中，nx2为后脉冲数。
根据前脉冲时间差、后脉冲时间差及周期时间，计算前相位差比例和后相位差比例；前相位差比例的计算公式为：后相位差比例其中，Tc为周期时间。
由附图3可得，闸门时间内待测信号的脉冲总数为n+1-px1+px2，因此，该待测信号的频率的计算公式为：其中，n为整脉冲数，ny为周期脉冲数，Tg为闸门时间。
常规测频方法中，闸门开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，所以闸门开启时刻与计数脉冲上升沿时刻在时间轴上的相对位置是随机的，这样在相同的闸门时间内，记录的脉冲数不一定相同。当闸门时间为待测脉冲周期整数倍时此项误差最大，此为±1字误差。本发明考虑了待测信号与闸门脉冲之间的相位差，并利用高频脉冲在闸门脉冲与待测信号之间进行脉冲计数，从而求得相位差所占待测信号的周期相位的比例，在计算过程中计入该相位差比例，从而消除掉了±1字误差，极大程度地提高了频率测量的误差。
在本发明的测量方法中，每一次闸门脉冲上升沿既是上一次测量的结束信号，又是下一次测量的开始信号，因此本发明方法测量数据是连续的，数据输出间隔可控。相比较传统的等精度测量方法，本方法解决了数据输出间隔不可控的问题，提高了测量的稳定性。
本发明中利用高频脉冲进行闸门脉冲与待测信号之间的插值计算，可以在FPGA等芯片中实现移植，而不需要复杂的模拟电路作为辅助，因此该方法易于实现。
与上述频率测量方法对应的，本发明还提供了一种频率测量***，如图2所示，该***包括：
时钟源201，用于提供稳定工作频率的时钟源信号；其中，该时钟源可以选用高稳定度的恒温晶体振荡器，以提供固定频率的脉冲信号；
锁相倍频电路202，与时钟源201相连，用于将时钟源信号倍频输出高频脉冲；该锁相倍频电路的输入为时钟源，输出为倍频后的高频脉冲，为相位差测量电路、脉冲宽度测量电路提供时钟信号；
分频电路203，与时钟源201相连，用于将时钟源信号分频输出可控周期的闸门脉冲；
脉冲计数电路204，与分频电路203相连接，并接入待测信号，用于获取闸门时间内待测信号的完整脉冲的个数；
脉冲宽度测量电路205，分别与锁相倍频电路202和分频电路203相连接，并接入待测信号，用于获取待测信号的单个周期内高频脉冲的个数，记为周期脉冲数；并根据周期脉冲数与高频脉冲的频率，获得待测信号的周期时间；
相位差比例测量电路206，与锁相倍频电路202相连接，并接入待测信号，用于利用高频脉冲获取前相位差比例和后相位差比例；
存储运算电路207，用于存储数据信息和计算待测信号的频率，还可以显示测量结果。
作为一种可选的实施方式，脉冲计数电路204包含第一计数器，用于计数闸门时间内待测信号的完整脉冲的个数；脉冲宽度测量电路205包括第二计数器，用于获取待测信号的单个周期内高频脉冲的个数；相位差比例测量电路206包括第三计数器，用于获取前脉冲数和后脉冲数，前脉冲数为位于闸门脉冲开始前最接近的待测信号开始端与闸门脉冲开始端之间的高频脉冲的个数，后脉冲数为位于闸门脉冲结束前最接近的待测信号开始端与闸门脉冲结束端之间的高频脉冲的个数。
如图3为利用本发明的频率测量***和方法进行测量的时序图。如图3所示，每个闸门脉冲标志着一次测量的开始，同时也标志着上一次测量的结束。在每个闸门时间内，需要完成三次测量，分别为待测信号脉冲计数、脉冲宽度测量、相位差比例测量。
待测信号脉冲计数：闸门脉冲到来之后，开启脉冲计数电路，脉冲计数电路中的第一计数器输入为待测信号脉冲，当闸门时间结束时对第一计数器的计数值进行存储并清零，同时开启下一次计数。
脉冲宽度测量：待测信号上升沿开启脉冲宽度测量电路的第二计数器，第二计数器输入为锁相倍频电路输出的高频脉冲，待测信号上升沿再次到来时对第二计数器的计数值进行存储并清零，同时开启下一次计数。
相位差比例测量：待测信号上升沿开启相位差比例测量电路中的第三计数器，第三计数器输入为锁相倍频电路输出的高频脉冲，闸门脉冲上升沿到来时对第三计数器的计数值进行存储并清零。
脉冲计数电路可获得闸门时间内待测信号的完整脉冲的个数，记为n。闸门时间开始前待测信号与闸门脉冲之间脉冲相位差的高频脉冲插值记为nx1，闸门时间结束前待测信号与闸门脉冲之间脉冲相位差的高频脉冲插值记为nx2，待测信号的单个周期的脉冲宽度测量值(单个周期内高频脉冲的个数)记为ny，已知的闸门时间为Tg，则待测信号频率f：
从而通过以上测量过程实现了待测信号频率的高精度的测量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种频率测量方法，其特征在于，所述方法包括：
输出闸门时间已知的闸门脉冲；
获取所述闸门时间内待测信号的完整脉冲的个数；
利用高频脉冲获取前相位差比例和后相位差比例；所述前相位差比例为所述闸门脉冲开始前与所述待测信号之间的相位差占所述待测信号的一个周期相位的比例，所述后相位差比例为所述闸门脉冲结束前与所述待测信号之间的相位差占所述待测信号的一个周期相位的比例；
根据所述完整脉冲的个数、所述前相位差比例和所述后相位差比例，计算所述待测信号的频率。
2.根据权利要求1所述的频率测量方法，其特征在于，所述利用高频脉冲获取前相位差比例和后相位差比例，具体包括：
获取所述待测信号的单个周期内所述高频脉冲的个数，记为周期脉冲数；
根据所述周期脉冲数与所述高频脉冲的频率，获得所述待测信号的周期时间；
获取前脉冲数和后脉冲数；所述前脉冲数为位于所述闸门脉冲开始前最接近的所述待测信号开始端与所述闸门脉冲开始端之间的所述高频脉冲的个数，所述后脉冲数为位于所述闸门脉冲结束前最接近的所述待测信号开始端与所述闸门脉冲结束端之间的所述高频脉冲的个数；
根据所述前脉冲数、所述后脉冲数及所述高频脉冲的频率，计算前脉冲时间差和后脉冲时间差；
根据所述前脉冲时间差、所述后脉冲时间差及周期时间，计算所述前相位差比例和所述后相位差比例。
3.根据权利要求2所述的频率测量方法，其特征在于，所述前脉冲时间差的计算公式为：其中，nx1为前脉冲数，f0为高频脉冲的频率；所述后脉冲时间差的计算公式为：其中，nx2为后脉冲数。
4.根据权利要求3所述的频率测量方法，其特征在于，所述前相位差比例的计算公式为：所述后相位差比例其中，Tc为周期时间。
5.根据权利要求4所述的频率测量方法，其特征在于，所述待测信号的频率的计算公式为：其中，n为整脉冲数，ny为周期脉冲数，Tg为闸门时间。
6.根据权利要求1所述的频率测量方法，其特征在于，所述闸门脉冲是通过对时钟源信号分频而得。
7.根据权利要求1所述的频率测量方法，其特征在于，所述高频脉冲是通过对时钟源信号进行锁相倍频而得。
8.一种频率测量***，其特征在于，所述***包括：
时钟源，用于提供稳定工作频率的时钟源信号；
锁相倍频电路，与所述时钟源相连，用于将所述时钟源信号倍频输出高频脉冲；
分频电路，与所述时钟源相连，用于将所述时钟源信号分频输出可控周期的闸门脉冲；
脉冲计数电路，与所述分频电路相连接，并接入所述待测信号，用于获取所述闸门时间内待测信号的完整脉冲的个数；
脉冲宽度测量电路，分别与所述锁相倍频电路和所述分频电路相连接，并接入所述待测信号，用于获取所述待测信号的单个周期内所述高频脉冲的个数，记为周期脉冲数；并根据所述周期脉冲数与所述高频脉冲的频率，获得所述待测信号的周期时间；
相位差比例测量电路，与所述锁相倍频电路相连接，并接入所述待测信号，用于利用高频脉冲获取前相位差比例和后相位差比例；
存储运算电路，用于存储数据信息和计算待测信号的频率。
9.根据权利要求1所述的频率测量***，其特征在于，所述脉冲计数电路包含第一计数器，用于计数所述闸门时间内待测信号的完整脉冲的个数；所述脉冲宽度测量电路包括第二计数器，用于获取所述待测信号的单个周期内所述高频脉冲的个数；所述相位差比例测量电路包括第三计数器，用于获取前脉冲数和后脉冲数，所述前脉冲数为位于所述闸门脉冲开始前最接近的所述待测信号开始端与所述闸门脉冲开始端之间的所述高频脉冲的个数，所述后脉冲数为位于所述闸门脉冲结束前最接近的所述待测信号开始端与所述闸门脉冲结束端之间的所述高频脉冲的个数。
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