CN103698602A - 一种大动态高精度同步连续频率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于频率测量技术领域，具体涉及一种大动态高精度同步连续频率测量方法。本发明的方法包括以下步骤：步骤1、采用被测信号对同步后的采样时间闸门信号进行计数；步骤2、采用高频脉冲计数；步骤3、采用延时单元内插计数；步骤4、误差修正，确定被测信号频率。本发明的方法细分多周期同步法中高频时钟无法识别的量化误差，提高误差分辨率，实现大动态多路信号短时间同步连续高精度测量。

Description

一种大动态高精度同步连续频率测量方法

技术领域

本发明属于频率测量技术领域，具体涉及一种大动态高精度同步连续频率测量方法。

背景技术

现有技术中主要采用多周期同步法和模拟内插法进行短时测频。

多周期同步法的量化误差取决于高频填充时钟的频率，频率越高量化误差越少，但频率提高以后，计数器的位数要相应增加，多位计数器又会限制时钟频率的提高，导致降低多周期同步测频法的量化误差非常困难，通常1kHz采样频率下，量化误差在10^-5水平。

模拟内插法主要用于解决多周期同步法误差问题，采用模拟量将这部分误差进行放大量化，达到提高测量精度的目的，但是模拟内插法采用数模混合电路，电路结构和工艺复杂，不利于集成，成本高，可靠性和抗干扰能力较数字电路差，并不能达到理论精度，1kHz采样频率下，精度在10^-5～10^-6水平。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：针对现有技术的不足，进一步细分多周期同步法中高频时钟无法识别的量化误差，提高误差分辨率，实现大动态多路信号短时间同步连续高精度测量。

本发明的技术方案如下所述：

一种大动态高精度同步连续频率测量方法，包括以下步骤：步骤1、采用被测信号对同步后的采样时间闸门信号进行计数；步骤2、采用高频脉冲计数；步骤3、采用延时单元内插计数；步骤4、误差修正，确定被测信号频率。

步骤1包括以下步骤：

设被测信号频率为f_x、周期为T_x；采样时间闸门信号的频率为f_s、周期为T_s；将被测信号和时间闸门信号进行同步处理，用被测信号对同步后的采样时间闸门信号进行计数，得到采样时间闸门信号一个周期内被测信号的完整周期数：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_s=N_x{T}_x+{\mathrm{\Δ}}_0\\ {\mathrm{\Δ}}_0=T_{i-1}-T_i\end{array}\right.$

式中，

N_x为同步后的采样时间闸门信号一个周期内被测信号的完整周期数；

△₀为第i次采样时间闸门计数后的总误差；

T_i-1为第i次采样时间闸门计数后的闸门前误差；

T_i为第i次采样时间闸门计数后的闸门后误差。

步骤2包括以下步骤：

设高频脉冲频率为f₀、周期为T₀，采用高频脉冲对T_i-1、T_i、T_xi-1、T_xi进行计数：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{i-1}=n_{i-1}{f}_0+{\mathrm{\Δ}}_{i-1}\\ T_i=n_i{f}_0+{\mathrm{\Δ}}_i\\ T_{\mathrm{xi}-1}=n_{\mathrm{xi}-1}{f}_0+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{xi}-1}\\ T_{\mathrm{xi}}=n_{\mathrm{xi}}{f}_0+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{xi}}\end{array}\right.,$ 其中， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_{i-1}=T_{\mathrm{di}-1}-T_{\mathrm{si}-1}\\ {\mathrm{\Δ}}_{i=}{T}_{\mathrm{di}}-T_{\mathrm{si}}\\ {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{xi}-1}=T_{\mathrm{xdi}-1}-T_{\mathrm{si}-1}\\ {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{xi}}=T_{\mathrm{xdi}}-T_{\mathrm{si}}\end{array}\right.$

式中，

T_xi-1为跨第i-1次采样时间闸门上升沿的被测信号整周期；

T_xi为跨第i次采样时间闸门上升沿的被测信号整周期；

n_i-1、n_i、n_xi-1、n_xi依次为T_i-1、T_i、T_xi-1、T_xi内高频脉冲的个数；

△_i-1为T_i-1内高频脉冲计数后形成的相对高频脉冲非整周期误差；

T_di-1为跨第i-1次采样时间闸门上升沿的高频脉冲非整周期误差；

T_si-1为跨第i-1次采样时间闸门上升沿的被测信号所在周期的下一个周期上升沿所在高频脉冲周期的非整周期误差；

△_i为T_i内高频脉冲计数后形成的相对高频脉冲非整周期误差；

T_di为跨第i次采样时间闸门上升沿的高频脉冲非整周期误差；

T_si为跨第i次采样时间闸门上升沿的被测信号上升沿所在高频脉冲非整周期误差；

△_xi-1为T_xi-1内高频脉冲计数后形成的相对高频脉冲非整周期误差；

T_xdi-1为跨第i-1次采样时间闸门上升沿的被测信号所在周期上升沿所在高频脉冲周期的非整周期误差；

△_xi为T_xi高频脉冲计数后形成的相对高频脉冲非整周期误差；

T_xdi为跨第i次采样时间闸门上升沿的被测信号所在周期上升沿所在高频脉冲周期的非整周期误差。

步骤3包括以下步骤：

设延时单元频率为f_d、周期为T_d，采用延时单元对T_di-1、T_si-1、T_di、T_si、T_wdi-1、T_wdi进行内插计数：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{di}-1}=m_{\mathrm{di}-1}{T}_d\\ T_{\mathrm{si}-1}=m_{\mathrm{si}-1}{T}_d\\ T_{\mathrm{di}}=m_{\mathrm{di}}{T}_d\\ T_{\mathrm{si}}=m_{\mathrm{si}}{T}_d\\ T_{\mathrm{xdi}-1}=m_{\mathrm{xdi}-1}{T}_d\\ T_{\mathrm{xdi}}=m_{\mathrm{xdi}}{T}_d\\ T_0=m_0{T}_d\end{array}\right.$

式中，

m_di-1、m_si-1、m_di、m_si、m_xdi-1、m_xdi、m₀依次为T_di-1、T_si-1、T_di、T_si、T_xdi-1、T_xdi、T₀内延时单元个数。

步骤4包括以下步骤：

采用下式计算被测信号频率：

$f_{\mathrm{xi}}=(N_{\mathrm{xi}}+\frac{m_0{n}_{i-1}+(m_{\mathrm{di}-1}-m_{\mathrm{si}-1})}{m_0{n}_{\mathrm{xi}-1}+(m_{\mathrm{xdi}-1}-m_{\mathrm{si}-1})}-\frac{m_0{n}_i+(m_{\mathrm{di}}-m_{\mathrm{si}})}{m_0{n}_{\mathrm{xi}}+(m_{\mathrm{xdi}}-m_{\mathrm{si}})})\frac{f_0}{f_s}$

N_xi为第i个采样时间闸门信号内被测信号的完整周期数；

f_xi为第i个采样时间闸门信号内被测信号的频率。

作为优选方案：步骤4中，利用计数器对以下值进行实时计数：m₀、m_di、m_si、m_xdi、n_i、n_xi、N_xi，根据相邻两次采样周期的值即得到f_xi。

本发明的有益效果为：

（1）本发明的一种大动态高精度同步连续频率测量方法，在1kHz采样频率下，相对精度可达10^-6～10^-7量级，能够实现大动态多路信号短时间同步连续高精度测量；

（2）本发明的一种大动态高精度同步连续频率测量方法，可以采用任意闸门，实现多路信号同步连续测量；

（3）本发明的一种大动态高精度同步连续频率测量方法，采用数字内插技术，降低了对计数器要求和系统运行频率的要求，提高了系统可靠性；

（4）本发明的一种大动态高精度同步连续频率测量方法，采用相对相位测量法，降低了对填充时钟和延时单元长期稳定性的要求；

（5）本发明的一种大动态高精度同步连续频率测量方法，数字内插技术可以采用简单的半导体工艺实现，较模拟内插实现简单，便于ASIC集成；

（6）本发明的一种大动态高精度同步连续频率测量方法，采用基于延时单元的误差细分技术，进一步降低了量化误差，较普通测频方法可以降低量化误差至少一个数量级。

附图说明

图1为本发明的大动态高精度同步连续频率测量方法原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的大动态高精度同步连续频率测量方法进行详细说明。

如图1所示，本发明的大动态高精度同步连续频率测量方法，首先采用多周期同步法计算采样时间闸门信号一个周期内被测信号的完整周期数，然后利用高频脉冲和延时单元进一步细分计量误差，最后计算被测信号频率。具体包括以下步骤：

步骤1、采用被测信号对同步后的采样时间闸门信号进行计数

设被测信号频率为f_x、周期为T_x；采样时间闸门信号的频率为f_s、周期为T_s。将被测信号和时间闸门信号进行同步处理，用被测信号对同步后的采样时间闸门信号进行计数，得到采样时间闸门信号一个周期内被测信号的完整周期数：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_s=N_x{T}_x+{\mathrm{\Δ}}_0\\ {\mathrm{\Δ}}_0=T_{i-1}-T_i\end{array}\right.$

式中，

N_x为同步后的采样时间闸门信号一个周期内被测信号的完整周期数；

△₀为第i次采样时间闸门计数后的总误差；

T_i-1为第i次采样时间闸门计数后的闸门前误差；

T_i为第i次采样时间闸门计数后的闸门后误差。

步骤2、采用高频脉冲对T_i-1、T_i、T_xi-1、T_xi进行计数

设高频脉冲频率为f₀、周期为T₀，采用高频脉冲对T_i-1、T_i、T_xi-1、T_xi进行计数：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{i-1}=n_{i-1}{f}_0+{\mathrm{\Δ}}_{i-1}\\ T_i=n_i{f}_0+{\mathrm{\Δ}}_i\\ T_{\mathrm{xi}-1}=n_{\mathrm{xi}-1}{f}_0+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{xi}-1}\\ T_{\mathrm{xi}}=n_{\mathrm{xi}}{f}_0+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{xi}}\end{array}\right.,$ 其中， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_{i-1}=T_{\mathrm{di}-1}-T_{\mathrm{si}-1}\\ {\mathrm{\Δ}}_{i=}{T}_{\mathrm{di}}-T_{\mathrm{si}}\\ {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{xi}-1}=T_{\mathrm{xdi}-1}-T_{\mathrm{si}-1}\\ {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{xi}}=T_{\mathrm{xdi}}-T_{\mathrm{si}}\end{array}\right.$

式中，

T_xi-1为跨第i-1次采样时间闸门上升沿的被测信号整周期；

T_xi为跨第i次采样时间闸门上升沿的被测信号整周期；

n_i-1、n_i、n_xi-1、n_xi依次为T_i-1、T_i、T_xi-1、T_xi内高频脉冲的个数；

△_i-1为T_i-1内高频脉冲计数后形成的相对高频脉冲非整周期误差；

T_di-1为跨第i-1次采样时间闸门上升沿的高频脉冲非整周期误差；

T_si-1为跨第i-1次采样时间闸门上升沿的被测信号所在周期的下一个周期上升沿所在高频脉冲周期的非整周期误差；

△_i为T_i内高频脉冲计数后形成的相对高频脉冲非整周期误差；

T_di为跨第i次采样时间闸门上升沿的高频脉冲非整周期误差；

T_si为跨第i次采样时间闸门上升沿的被测信号上升沿所在高频脉冲非整周期误差；

△_xi-1为T_xi-1内高频脉冲计数后形成的相对高频脉冲非整周期误差；

T_xdi-1为跨第i-1次采样时间闸门上升沿的被测信号所在周期上升沿所在高频脉冲周期的非整周期误差；

△_xi为T_xi高频脉冲计数后形成的相对高频脉冲非整周期误差；

T_xdi为跨第i次采样时间闸门上升沿的被测信号所在周期上升沿所在高频脉冲周期的非整周期误差。

步骤3、采用延时单元对T₀、T_di-1、T_si-1、T_di、T_si、T_xdi-1、T_xdi进行内插计数

设延时单元频率为f_d、周期为T_d，采用延时单元对T_di-1、T_si-1、T_di、T_si、T_wdi-1、T_wdi进行内插计数：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{di}-1}=m_{\mathrm{di}-1}{T}_d\\ T_{\mathrm{si}-1}=m_{\mathrm{si}-1}{T}_d\\ T_{\mathrm{di}}=m_{\mathrm{di}}{T}_d\\ T_{\mathrm{si}}=m_{\mathrm{si}}{T}_d\\ T_{\mathrm{xdi}-1}=m_{\mathrm{xdi}-1}{T}_d\\ T_{\mathrm{xdi}}=m_{\mathrm{xdi}}{T}_d\\ T_0=m_0{T}_d\end{array}\right.$

式中，

m_di-1、m_si-1、m_di、m_si、m_xdi-1、m_xdi、m₀依次为T_di-1、T_si-1、T_di、T_si、T_xdi-1、T_xdi、T₀内延时单元个数。

步骤4、误差修正，确定被测信号频率

采用下式计算被测信号频率：

$f_{\mathrm{xi}}=(N_{\mathrm{xi}}+\frac{m_0{n}_{i-1}+(m_{\mathrm{di}-1}-m_{\mathrm{si}-1})}{m_0{n}_{\mathrm{xi}-1}+(m_{\mathrm{xdi}-1}-m_{\mathrm{si}-1})}-\frac{m_0{n}_i+(m_{\mathrm{di}}-m_{\mathrm{si}})}{m_0{n}_{\mathrm{xi}}+(m_{\mathrm{xdi}}-m_{\mathrm{si}})})\frac{f_0}{f_s}.$

N_xi为第i个采样时间闸门信号内被测信号的完整周期数；

f_xi为第i个采样时间闸门信号内被测信号的频率。

利用计数器实时计数以下值：m₀、m_di、m_si、m_xdi、n_i、n_xi、N_xi，根据相邻两次采样周期的值即可得到被测信号频率f_xi。

Claims (6)

1.一种大动态高精度同步连续频率测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、采用被测信号对同步后的采样时间闸门信号进行计数；

步骤2、采用高频脉冲计数；

步骤3、采用延时单元内插计数；

步骤4、误差修正，确定被测信号频率。

2.根据权利要求1所述的一种大动态高精度同步连续频率测量方法，其特征在于：步骤1包括以下步骤：

设被测信号频率为f_x、周期为T_x；采样时间闸门信号的频率为f_s、周期为T_s；将被测信号和时间闸门信号进行同步处理，用被测信号对同步后的采样时间闸门信号进行计数，得到采样时间闸门信号一个周期内被测信号的完整周期数：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_s=N_x{T}_x+{\mathrm{\Δ}}_0\\ {\mathrm{\Δ}}_0=T_{i-1}-T_i\end{array}\right.$

式中，

N_x为同步后的采样时间闸门信号一个周期内被测信号的完整周期数；

△₀为第i次采样时间闸门计数后的总误差；

T_i-1为第i次采样时间闸门计数后的闸门前误差；

T_i为第i次采样时间闸门计数后的闸门后误差。

3.根据权利要求2所述的一种大动态高精度同步连续频率测量方法，其特征在于：步骤2包括以下步骤：

设高频脉冲频率为f₀、周期为T₀，采用高频脉冲对T_i-1、T_i、T_xi-1、T_xi进行计数：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{i-1}=n_{i-1}{f}_0+{\mathrm{\Δ}}_{i-1}\\ T_i=n_i{f}_0+{\mathrm{\Δ}}_i\\ T_{\mathrm{xi}-1}=n_{\mathrm{xi}-1}{f}_0+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{xi}-1}\\ T_{\mathrm{xi}}=n_{\mathrm{xi}}{f}_0+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{xi}}\end{array}\right.,$ 其中， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_{i-1}=T_{\mathrm{di}-1}-T_{\mathrm{si}-1}\\ {\mathrm{\Δ}}_{i=}{T}_{\mathrm{di}}-T_{\mathrm{si}}\\ {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{xi}-1}=T_{\mathrm{xdi}-1}-T_{\mathrm{si}-1}\\ {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{xi}}=T_{\mathrm{xdi}}-T_{\mathrm{si}}\end{array}\right.$

式中，

T_xi-1为跨第i-1次采样时间闸门上升沿的被测信号整周期；

T_xi为跨第i次采样时间闸门上升沿的被测信号整周期；

n_i-1、n_i、n_xi-1、n_xi依次为T_i-1、T_i、T_xi-1、T_xi内高频脉冲的个数；

△_i-1为T_i-1内高频脉冲计数后形成的相对高频脉冲非整周期误差；

T_di-1为跨第i-1次采样时间闸门上升沿的高频脉冲非整周期误差；

T_si-1为跨第i-1次采样时间闸门上升沿的被测信号所在周期的下一个周期上升沿所在高频脉冲周期的非整周期误差；

△_i为T_i内高频脉冲计数后形成的相对高频脉冲非整周期误差；

T_di为跨第i次采样时间闸门上升沿的高频脉冲非整周期误差；

T_si为跨第i次采样时间闸门上升沿的被测信号上升沿所在高频脉冲非整周期误差；

△_xi-1为T_xi-1内高频脉冲计数后形成的相对高频脉冲非整周期误差；

T_xdi-1为跨第i-1次采样时间闸门上升沿的被测信号所在周期上升沿所在高频脉冲周期的非整周期误差；

△_xi为T_xi高频脉冲计数后形成的相对高频脉冲非整周期误差；

T_xdi为跨第i次采样时间闸门上升沿的被测信号所在周期上升沿所在高频脉冲周期的非整周期误差。

4.根据权利要求3所述的一种大动态高精度同步连续频率测量方法，其特征在于：步骤3包括以下步骤：

设延时单元频率为f_d、周期为T_d，采用延时单元对T_di-1、T_si-1、T_di、T_si、T_wdi-1、T_wdi进行内插计数：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{di}-1}=m_{\mathrm{di}-1}{T}_d\\ T_{\mathrm{si}-1}=m_{\mathrm{si}-1}{T}_d\\ T_{\mathrm{di}}=m_{\mathrm{di}}{T}_d\\ T_{\mathrm{si}}=m_{\mathrm{si}}{T}_d\\ T_{\mathrm{xdi}-1}=m_{\mathrm{xdi}-1}{T}_d\\ T_{\mathrm{xdi}}=m_{\mathrm{xdi}}{T}_d\\ T_0=m_0{T}_d\end{array}\right.$

式中，

m_di-1、m_si-1、m_di、m_si、m_xdi-1、m_xdi、m₀依次为T_di-1、T_si-1、T_di、T_si、T_xdi-1、T_xdi、T₀内延时单元个数。

5.根据权利要求4所述的一种大动态高精度同步连续频率测量方法，其特征在于：步骤4包括以下步骤：

采用下式计算被测信号频率：

$f_{\mathrm{xi}}=(N_{\mathrm{xi}}+\frac{m_0{n}_{i-1}+(m_{\mathrm{di}-1}-m_{\mathrm{si}-1})}{m_0{n}_{\mathrm{xi}-1}+(m_{\mathrm{xdi}-1}-m_{\mathrm{si}-1})}-\frac{m_0{n}_i+(m_{\mathrm{di}}-m_{\mathrm{si}})}{m_0{n}_{\mathrm{xi}}+(m_{\mathrm{xdi}}-m_{\mathrm{si}})})\frac{f_0}{f_s}$

N_xi为第i个采样时间闸门信号内被测信号的完整周期数；

f_xi为第i个采样时间闸门信号内被测信号的频率。

6.根据权利要求5所述的一种大动态高精度同步连续频率测量方法，其特征在于：步骤4中，利用计数器对以下值进行实时计数：m₀、m_di、m_si、m_xdi、n_i、n_xi、N_xi，根据相邻两次采样周期的值即得到f_xi。