CN101968510B - 谐振式传感器输出信号频率的高分辨率测量电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振式传感器输出信号频率的高分辨率测量电路及方法，该测量电路由D触发器、计数器、非门、控制器及存储器连接构成，该测量方法包括：将传感器输出信号连接到D触发器的数据端，将大于传感器输出最大频率的参考信号连接到D触发器的时钟端，在D触发器的输出得到两输入信号频率的差；以连续的差频输出周期为闸门对基准信号计数得到测量数组；根据测量数组中大、小数据的排列关系构建有效测量数组；计算差频信号的频率；计算传感器输出信号的频率f_in。本发明设计合理，充分利用了测量数据相互关联所包含的频率信息，有效地解决了D触发器差频输出周期不均引起的测量误差问题，具有测量方法简单、测量分辨率高、测量时间短等特点。

Description

谐振式传感器输出信号频率的高分辨率测量电路及其方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，尤其是一种谐振式传感器输出信号频率的高分辨率测量电路及其方法。

背景技术

工农业生产对产品质量的要求决定了对过程参数控制精度的要求越来越高，与实验室所用仪器仪表相比，现场仪器仪表更应体积小、重量轻、价格低、可靠性高。谐振式传感器被广泛地应用于现场仪器仪表上对压力、湿度、温度、加速度、质量流量、气体成分、力进行测量和进行生物分子识别及磁场的检测。谐振式传感器的零点输出都带有一定的初始频率，测量参数引起的频率变化量比初始频率小很多，测量方法的不当会限制传感器优良性能的发挥。

对传感器输出信号频率的测量方法主要有在基准时间内对待测信号进行计数的直接计数法和采用待测信号的一个或多个周期做闸门对基准频率进行计数的间接计数法。直接计数法存在的问题是：测量时间太长，影响了传感器的实时性；间接计数法存在的问题是：对测量电路的计数速度提出了很高的要求，实际中很难满足，尽管通过延长测量时间可满足分辨率的要求，但同样带来的问题是传感器实时性的降低。因此，人们试图将初始频率从所测量的原始信号中提取出来，仅对剩余的由测量参数引起的频率变化量进行测量，在短的测量时间内得到比较高的分辨率，使传感器优良的分辨率性能得到尽可能的发挥，但首先要解决用硬件电路实现两矩形信号的频率差的问题。

ROBY 1969年在其文章“Flip-flop measures frequency difference betweentwo signals”(Electronic Design，1969，17(25)：101-103)中使用D触发器实现了两矩形信号的频率差，此后，许多文献和专利都使用D触发器做为差频器。但D触发器的差频输出不稳定，Shivalingappa等人在文献“Digitalmixer forquartz crystal thickness monitor”(Vacuum，1996，47(1)：87-89.)中对触发器的差频输出稳定性进行了测量，发现即使两输入信号的频率固定，但差频输出存在0.18％的相对误差。

美国专利(专利号：US4550611，专利名称：Electronic pressuretransducer)公开了一种使用D触发器差频的方法及装置。传感器输出经反相器整形后接第一D触发器的数据端，参考信号接第一D触发器的时钟端，在触发器的输出得到两输入信号的频率差；参考信号经反相后接第二D触发器的时钟端，第一D触发器的差频输出接第二D触发器的数据端；第一D触发器的输出与第二D触发器的输出经异或运算及二阶阻容滤波后得到差频的模拟电压。使用D触发器、反相器和异或逻辑门构成的差频电路，仅能有效地减少D触发器亚稳态的发生。其存在的问题是：对模拟电压经过A/D转换进行测量会增加误差并且成本也高，分辨率受A/D位数的限制。

美国专利(专利号：US4683437，专利名称：Frequency subtractor)公开了一种使用D触发器差频的方法及装置。它将专利US4550611中的异或门换成了或门并对或门的输出进行了64分频。其分频的目的是对D触发器差频输出的周期进行了平均，但这种平均是盲目的。

综上所述，现有的谐振式传感器输出信号频率的测量方法，使用D触发器实现了两输入信号的差频，通过适当的电路减少了触发器亚稳态情况的发生，但没有有效地解决D触发器差频输出周期不均而导致测量精度难以提高的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电路结构简单、实时性强、分辨率高的谐振式传感器输出信号频率的高分辨率测量电路及其方法。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种谐振式传感器输出信号频率的高分辨率测量电路，包括D触发器、计数器、非门、控制器及存储器，传感器输出信号(频率f_in)连接到D触发器的数据端，该D触发器的时钟端与一大于传感器输出最大频率的参考信号(频率f_ck)相连接，D触发器的输出信号(频率f_out)连接计数器的RCLK端，D触发器的输出信号(频率f_out)还通过一非门连接控制器的中断端，计数器的CLKA端和CLKB端同时与基准信号(频率f₀)相连接，计数器的数据端与控制器的数据端相连接，计数器的控制端与控制器的I/O端相连接，该控制器通过数据和I/O接口与存储器相连接。

而且，所述的D触发器为74HC74芯片，计数器为一片SN74LV8154N芯片或两片M74HC590B1芯片，控制器为单片机。

而且，所述的控制器还通过通信端口与上位机相连接。

一种谐振式传感器输出信号频率的高分辨率测量方法，包括如下步骤：

步骤1：将传感器输出信号(频率f_in)连接到D触发器的数据端，将测量系统产生的大于传感器输出最大频率的参考信号(频率f_ck)连接到D触发器的时钟端，在D触发器的输出端得到输出信号(频率f_out、周期T_out)；

步骤2：以触发器的输出信号周期T_out作为计数器闸门时间，记录在计数器闸门时间内对输入到计数器的基准信号(频率f₀)的计数值，连续n个闸门得到n个数据构成测量数组M₁，M₂，·，M_n；

步骤3：在测量数组中以第一个不连续排列的大数M_j及最后一个不连续排列的大数M_k之间的数据构建有效测量数组，或者以第一个不连续排列的小数M_j及最后一个不连续排列的小数M_k之间的数据构建有效测量数组，测量数组中，大数的总个数为N_M，小数的总个数为N_m；

步骤4：按照如下方法计算D触发器的差频输出：

(1)当N_M＝N_m或|N_M-N_m|＝1时，D触发器输出信号的周期T_out及输出信号的频率f_out分别为：

$T_{\mathrm{out}}=T_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i/n,$ $f_{\mathrm{out}}=n/\left(T_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)=n{f}_0/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i$

(2)当N_M＜N_m时，在测量数组M₁，M₂，·，M_n中设第j个数为第一个大数，第k个数为最后一个大数；或者当N_M＞N_m时，在测量数组M₁，M₂，·，M_n中设第j个数为第一个小数，第k个数为最后一个小数；总有效数据的个数N＝k-j；则D触发器输出信号的周期T_out及输出信号的频率f_out分别为：

$T_{\mathrm{out}}=\left(T_0\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)/(k-j)=\left(T_0\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)/N$

$f_{\mathrm{out}}=(k-j)/\left(T_0\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)=(k-j)f_0/\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i=N{f}_0/\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i$

步骤5：根据D触发器输出信号的频率f_out，按照下述公式计算传感器输出信号的频率f_in：

f_in＝f_ck-f_out

而且，在步骤3中，构建有效测量数组包括如下步骤：

(1)计算测量数组中大数的个数和小数的个数；

①计算测量数组M₁，M₂，·，M_n中数据的平均值

②计算测量数组M₁，M₂，·，M_n中数据值

的大数的个数，记为N_M；

③计算测量数组M₁，M₂，·，M_n中数据值

的小数的个数，记为N_m；

(2)选取有效数据并组成有效测量数组

①如果测量数组M₁，M₂，·，M_n中同时存在大数连续和小数连续的排列，则丢弃本次测量数据，重新进行测量；

②如果N_M＝N_m或|N_M-N_m|＝1，则测量数组中的全部数据为有效数据并组成有效测量数组；

③如果N_M＜N_m，大数不连续排列，则测量数组中第一个大数与最后一个大数之间的数据为有效数据并组成有效测量数组；

④如果N_M＞N_m，小数不连续排列，则测量数组中第一个小数与最后一个小数之间的数据为有效数据并组成有效测量数组。

而且，在步骤中5后还包括计算得到的测量分辨率r，测量分辨率r可按照下述方法计算：

(1)当N_M＝N_m或|N_M-N_m|＝1时，测量分辨率r为：

$r=\frac{T_{\mathrm{ck}}}{n{T}_{\mathrm{out}}}=\frac{T_{\mathrm{ck}}}{T_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i}=\frac{f_0}{f_{\mathrm{ck}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i}$

(2)当N_M＜N_m或N_M＞N_m时，测量分辨率r为：

$r=\frac{{\mathrm{NT}}_{\mathrm{ck}}}{2(N-1)T_M}=\frac{{\mathrm{NT}}_{\mathrm{ck}}}{2n(N-1)T_{\mathrm{out}}}=\frac{N^2{T}_{\mathrm{ck}}}{2n{T}_0(N-1)\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i}=\frac{N^2{f}_0}{2n{f}_{\mathrm{ck}}(N-1)\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i}$

其中，T_M为总测量时间，T_M＝nT_out。

本发明的优点和积极效果是：

1、本测量电路结构简单，合理地将D触发器、计数器和控制器等现有的集成电路芯片结合在一起，实现了对谐振传感器频率的有效测量，提高了测量的分辨率。

2、本测量方法直接将传感器输出信号与D触发器相连接，并通过控制器对测量数据按特定的规则进行判断并校正，充分利用了测量数据相互关联所包含的频率信息，提高了测量的分辨率。

3、本发明设计合理，充分利用了测量数据相互关联所包含的频率信息，有效地解决了D触发器差频输出周期不均引起的测量问题，具有测量方法简单、测量分辨率高、测量时间短等特点。

附图说明

图1是发明的电路连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种谐振式传感器输出信号频率的高分辨率测量电路，如图1所示，由D触发器、计数器、非门、控制器及存储器连接构成，传感器输出信号(频率f_in)连接到D触发器的数据端，该D触发器的时钟端与一大于传感器输出最大频率由测量系统产生的参考信号(频率f_ck)相连接，D触发器的输出信号(频率f_out)连接计数器的RCLK端，D触发器的输出信号(频率f_out)还通过一非门连接控制器的中断端，计数器的CLKA端和CLKB端同时与基准信号频率f₀相连接，计数器的数据端与控制器的数据端相连接，计数器的控制端与控制器的I/O端相连接，控制器还通过数据端口和I/O端口与存储器相连接，控制器通过通讯端口与上位机相连接。控制器既可以独立实现对传感器输出信号频率的测量功能，即在控制器内部完成全部的分析、计算功能；也可以通过上位机实现对传感器输出信号频率的测量功能，即由控制器将采集的数据传送给上位机，由上位机对采集的数据进行处理及显示。在本实施例中，D触发器采用的是74H74芯片，计数器采用的是一片SN74LV8154N芯片或两片M74HC590B1芯片，控制器采用的是单片机，上位机采用PC机。

一种谐振式传感器输出信号频率的高分辨率测量方法，包括如下步骤：

步骤1：将传感器输出信号(频率f_in)连接到D触发器的数据端，将测量系统产生的大于传感器输出最大频率的参考信号(频率f_ck)连接到D触发器的时钟端，在D触发器的输出端得到输出信号(频率f_out、周期T_out)。

本步骤主要是将传感器输出信号(频率为f_in，周期为T_in)及大于传感器输出最大频率的由测量系统产生的参考信号(频率为f_ck，周期为T_ck)与D触发器的两输入端相连接，经D触发器内部处理后，在D触发器的输出端得到输出信号(频率为f_out、周期为T_out)，D触发器的输出信号频率f_out为两输入信号频率的差，即：f_out＝f_ck-f_in。

步骤2：以触发器的输出信号周期T_out作为计数器闸门时间，记录在计数器闸门时间内对输入到计数器的基准信号频率f₀的计数值，连续n个闸门得到n个数据构成测量数组M₁，M₂，·，M_n。

在本步骤中，测量数组获取是以触发器的输出信号周期T_out作为计数器闸门时间的，闸门的上升沿对记录基准信号的计数器的计数状态进行锁存，得到当前计数值；两相邻上升沿锁存的计数值相减得到测量数据，因此，n+1个上升沿得到n个测量数据构成测量数组M₁，M₂，·，M_n。

步骤3：在测量数组中以第一个不连续排列的大数M_j及最后一个不连续排列的大数M_k之间的数据构建有效测量数组，或者以第一个不连续排列的小数M_j及最后一个不连续排列的小数M_k之间的数据构建有效测量数组；测量数组中，大数的总个数为N_M，小数的总个数为N_m。

在本步骤中，构建有效测量数组的方法为：

(1)计算测量数组中大数的个数和小数的个数；

①计算测量数组M₁，M₂，·，M_n中数据的平均值

②计算测量数组M₁，M₂，·，M_n中数据值的大数的个数，记为N_M；

③计算测量数组M₁，M₂，·，M_n中数据值

的小数的个数，记为N_m；

(2)选取有效数据并组成有效测量数组

①如果测量数组M₁，M₂，·，M_n中同时存在大数连续和小数连续的排列，则丢弃本次测量数据，重新进行测量；

②如果N_M＝N_m或|N_M-N_m|＝1，则测量数组中的全部数据为有效数据并组成有效测量数组；

③如果N_M＜N_m，大数不连续排列，则测量数组中第一个大数与最后一个大数之间的数据为有效数据并组成有效测量数组；

④如果N_M＞N_m，小数不连续排列，则测量数组中第一个小数与最后一个小数之间的数据为有效数据并组成有效测量数组。

步骤4：按照如下方法计算D触发器的差频输出：

(1)当N_M＝N_m或|N_M-N_m|＝1时，D触发器输出信号的周期T_out及输出信号的频率f_out分别为：

$T_{\mathrm{out}}=T_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i/n,f_{\mathrm{out}}=n/\left(T_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)=n{f}_0/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i$

(2)当N_M＜N_m时，在测量数组M₁，M₂，·，M_n中设第j个数为第一个大数，第k个数为最后一个大数；或者当N_M＞N_m时，在测量数组M₁，M₂，·，M_n中设第j个数为第一个小数，第k个数为最后一个小数；总有效数据的个数N＝k-j。则D触发器输出信号的周期T_out及输出信号的频率f_out分别为：

$T_{\mathrm{out}}=\left(T_0\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)/(k-j)=\left(T_0\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)/N$

$f_{\mathrm{out}}=(k-j)/\left(T_0\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)=(k-j)f_0/\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i=N{f}_0/\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i$

步骤5：根据D触发器输出信号的频率f_out，按照下述公式计算传感器输出信号的频率f_in：

f_in＝f_ck-f_out

通过上述5个步骤即可测量出传感器输出信号频率f_in。

采用本发明的测量方法，可以通过如下公式计算得到测量分辨率r，

(1)当N_M＝N_m或|N_M-N_m|＝1时，测量分辨率r为：

$r=\frac{T_{\mathrm{ck}}}{n{T}_{\mathrm{out}}}=\frac{T_{\mathrm{ck}}}{T_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i}=\frac{f_0}{f_{\mathrm{ck}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i}$

(2)当N_M＜N_m或N_M＞N_m时，测量分辨率r为：

$r=\frac{{\mathrm{NT}}_{\mathrm{ck}}}{2(N-1)T_M}=\frac{{\mathrm{NT}}_{\mathrm{ck}}}{2n(N-1)T_{\mathrm{out}}}=\frac{N^2{T}_{\mathrm{ck}}}{2n{T}_0(N-1)\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i}=\frac{N^2{f}_0}{2n{f}_{\mathrm{ck}}(N-1)\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i}$

其中，T_M为总测量时间，T_M＝nT_out。

本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种谐振式传感器输出信号频率的高分辨率测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：将谐振式传感器输出信号连接到D触发器的数据端，所述谐振式传感器输出信号为频率f_in，将测量系统产生的大于谐振式传感器输出最大频率的参考信号连接到D触发器的时钟端，所述参考信号为频率f_ck，在D触发器的输出端得到输出信号，所述D触发器的输出信号的周期为T_out，所述D触发器的输出信号的频率为f_out；

步骤2：以D触发器的输出信号周期T_out作为计数器闸门时间，记录在计数器闸门时间内对输入到计数器的基准信号的计数值，所述基准信号为频率f_o，连续n个闸门得到n个数据构成测量数组M₁,M₂,…,M_n；

步骤3：测量数组中不同时存在大数连续及小数连续的排列；在测量数组中以第一个不连续排列的大数M_j及最后一个不连续排列的大数M_k之间的数据构建有效测量数组，或者以第一个不连续排列的小数M_j及最后一个不连续排列的小数M_k之间的数据构建有效测量数组，测量数组中，大数的总个数为N_M，小数的总个数为N_m；

步骤4：按照如下方法计算D触发器的差频输出：

（1）当N_M＝N_m时，D触发器输出信号的周期T_out及输出信号的频率f_out分别为：

$T_{\mathrm{out}}=T_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i/n,$ $f_{\mathrm{out}}=n/\left(T_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)={\mathrm{nf}}_0/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i$

（2）当N_M＜N_m时，在测量数组M₁,M₂,…,M_n中设第j个数为第一个大数，第k个数为最后一个大数；或者当N_M＞N_m时，在测量数组M₁,M₂,…,M_n中设第j个数为第一个小数，第k个数为最后一个小数；总有效数据的个数N＝k-j；则D触发器输出信号的周期T_out及输出信号的频率f_out分别为：

$T_{\mathrm{out}}=\left(T_0\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)/(k-j)=\left(T_0\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)/N$

$f_{\mathrm{out}}=(k-j)/\left(T_0\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)=(k-j)f_0/\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i={\mathrm{Nf}}_0/\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i$

步骤5：根据D触发器输出信号的频率f_out，按照下述公式计算谐振式传感器输出信号的频率f_in：

f_in＝f_ck-f_out。

2.根据权利要求1所述的谐振式传感器输出信号频率的高分辨率测量方法，其特征在于：在步骤3中，构建有效测量数组包括如下步骤：

⑴计算测量数组中大数的个数和小数的个数；

①计算测量数组M₁,M₂,…,M_n中数据的平均值

②计算测量数组M₁,M₂,…,M_n中数据值的大数的个数，记为N_M；

③计算测量数组M₁,M₂,…,M_n中数据值

的小数的个数，记为N_m；

⑵选取有效数据并组成有效测量数组

①如果测量数组M₁,M₂,…,M_n中同时存在大数连续和小数连续的排列，则丢弃本次测量数据，重新进行测量；

②如果N_M＝N_m，则测量数组中的全部数据为有效数据并组成有效测量数组；

③如果N_M＜N_m，大数不连续排列，则测量数组中第一个大数与最后一个大数之间的数据为有效数据并组成有效测量数组；

④如果N_M＞N_m，小数不连续排列，则测量数组中第一个小数与最后一个小数之间的数据为有效数据并组成有效测量数组。

3.根据权利要求1所述的谐振式传感器输出信号频率的高分辨率测量方法，其特征在于：在步骤中5后还包括计算得到的测量分辨率r，测量分辨率r可按照下述方法计算：

（1）当N_M＝N_m时，测量分辨率r为：

$r=\frac{T_{\mathrm{ck}}}{n{T}_{\mathrm{out}}}=\frac{T_{\mathrm{ck}}}{T_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i}=\frac{f_0}{f_{\mathrm{ck}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i}$

（2）当N_M＜N_m或N_M＞N_m时，测量分辨率r为：

$r=\frac{{\mathrm{NT}}_{\mathrm{ck}}}{2(N-1)T_M}=\frac{{\mathrm{NT}}_{\mathrm{ck}}}{2n(N-1)T_{\mathrm{out}}}=\frac{N^2{T}_{\mathrm{ck}}}{2n{T}_0(N-1)\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i}=\frac{N^2{f}_0}{2n{f}_{\mathrm{ck}}(N-1)\underset{i=j}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i}$

其中，T_M为总测量时间，T_M＝nT_out。

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