CN104483544A - 单通道计数器高精度频率/周期测量方法 - Google Patents

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一种单通道计数器高精度频率/周期测量方法，包括：软件需要在测量开始前，先配置测量周期数寄存器，以此来确定测量时长和测量的周期数；之后再配置测量模式寄存器，将其设置为多周期测量模式；此设置完成后，硬件自动开始工作计算对应的周期或者频率值。本发明在计数器的工作模式中增加一种多周期测量功能，并且在一个计数器通道中集成了两个计数器通道；现有方法的情况下，使用这种多周期测量方式来精确的测量周期/频率之前，需要配置至少8个寄存器；而使用本发明方法之后，每次测量之前，则仅需要配置2个寄存器即可，而得到的结果和原有方式相比较，还能够保持同样的测量精度。

Description

单通道计数器高精度频率/周期测量方法
技术领域
本发明涉及单通道计数器数据测试方法，具体涉及一种单通道计数器高精度频率/周期测量方法。
背景技术
现在市场上的计数器产品，一般设计为在面板上为每路计数器通道提供5个接口信号，即一个被测信号，一个外部时基信号，一个门控信号，一个触发信号，一个脉冲输出信号。再通过对内部的功能寄存器进行配置，选定了时基信号和待测信号，并设置其工作在指定的模式下，最终完整的实现频率、周期、脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲计数的测量和脉冲输出功能。
在进行周期信号的频率/周期测量时，其原理参见图1，通过使用一个高精度的时基信号，对被测信号的两个上升沿（下降沿）之间的时基信号的周期数进行统计，再根据所得结果进行进一步的计算，得出被测信号的频率/周期值。在图1中，两条线1、4之间的区域表示被测信号的真实周期，图1中两条线2、3之间的区域表示能够被有效测量到的区域。
由图1中可以看出，使用图中所示测量方法所得到的结果，存在一定的测量误差。即在被测信号的一个周期内，时基信号的周期数会存在误差，包括上图1中最左边的线1和线2之间的区域，以及上图1中部的线3和线4之间的区域，这两个区域所涵盖的范围就是测量结果的误差，其最大值均为一个时基信号的周期，并且都无法被精确的统计出来。
假设在被测信号的一个周期内，计数得到的时基信号周期数为X，如果以AR表示被测信号的真正周期值，AM表示被测信号的测量结果的周期值，B表示时基信号的周期值，则可以得到下式1：
AM=B*X；
用EA表示以时基数计数的最大绝对误差，则由下式2和0≤(AR-AM)≤2的关系可以推断出EA对应的最大值为2，
EA= AR-AM ；
因此可以得出使用这种测量方法的时候，用时基信号周期数表示的绝对误差的最大值为2，进一步分析可以得出最大的相对误差为2/(B/AR）,即2AR/B。由此可以看出，如果被测信号的周期和时基信号的周期比较接近（譬如在同一数量级）的情况下，这种测量方法所得到的结果会存在相当大的误差。
在此基础上，有两种方法能够显著提高测量结果的精度，一是提高时基频率，即增加被测信号一个周期内的时基信号周期数，其原理参见图2；二是对被测信号进行连续多个时钟周期的测量，之后再利用记录的时基信号的总周期数，除以被测信号的周期数，得出被测信号的周期和时基信号的周期数之间的倍数关系，其原理参见图3。
上述两种方法的实现途径虽然不同，但其原理非常相似。以图2中的提高时基频率为例，如果将时基频率提高至原来的Y倍，仍然以X表示计数得到的时基信号周期数，AM表示测量得到的被测信号周期值，B表示时基信号的周期值，则有下式3
AM=(B*X)/Y；
由于X的最大误差仍然为2，因此新的测量方法下，仍然以时基信号的周期数表示的最大绝对误差变为2/Y，最大相对误差变为下式4
(2(AR/Y)/B)，
化简后得到下式5
2AR/YB；
以图3中的增加测量时间为例，如果将测量时间增加至原来的Y倍，则最大相对误差变为(2(AR/(B*Y))，化简后仍为2AR/YB。据此可以看出，分别使用这两种方法所得到的测量结果，效果是相同的。
对上述两种方法的实现难度和测量时间进行进一步的对比，基于第一种方法的主要优点在于测量时间仍旧保持不变，而缺点则是为了提高时基频率，需要对硬件进行升级，提高时基信号的频率和测量电路的工作频率，使对应的硬件平台能够工作在较高的时钟频率下，所需成本较高；第二种方法的优点在于不需要对现有硬件平台进行修改，成本较低，缺点是需要花费更多的测量时间来得到测量结果。在实际应用中，第一种方法较少被用到，第二种方法使用较广泛。
在应用多周期测量方法的时候，由于在传统的计数器模块中，每一路通道中都只集成了一路计数器，因此在应用这种方法时，需要按照以下描述，使用软件对多个通道中的功能寄存器进行相应的设置之后，才能够开始对被测信号进行测量。
按照下文中的描述，先对第1路计数器的相关控制寄存器进行设置。设置其工作模式寄存器，将其设置为工作在脉冲输出模式下；设置其源信号路由控制寄存器，将待测信号设置为该计数器通道的时基信号；设置输出脉冲宽度控制寄存器，使其对外输出指定待测信号周期数的正脉冲信号（譬如50，1000等任意正整数值均可）；设置触发控制寄存器，使其工作在软件触发模式下，即在软件触发后开始输出指定宽度的脉冲信号。
再对第2路计数器的相关控制寄存器进行下述设置工作。设置其工作模式寄存器，将其设置为工作在脉冲计数模式下；设置其源信号路由控制寄存器，将高精度时钟源设置为其时基信号；设置输入信号路由控制寄存器，使第1路计数器的输出信号被作为输入信号使用；设置触发控制寄存器，使其工作在软件触发模式下，即在软件触发后，立即开始统计输入脉冲信号中的时基信号的周期数。
完成上述软件设置工作后，其测量效果示意图参见图4，在每一次测量完成后，软件读取第2路计数器通道中的脉冲计数结果，第1路计数器通道中设置的周期个数，再根据时基信号的频率或周期值，进行简单的算术运算后，即可得到很高精度的测量结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单通道计数器高精度频率/周期测量方法，其在计数器的工作模式中增加一种多周期测量功能，并且在一个计数器通道中集成了两个计数器通道；现有方法的情况下，使用这种多周期测量方式来精确的测量周期/频率之前，需要配置至少8个寄存器；而使用本发明方法之后，每次测量之前，则仅需要配置2个寄存器即可，而得到的结果和原有方式相比较，还能够保持同样的测量精度。
本发明的技术解决方案是：
一种单通道计数器高精度频率/周期测量方法，其特殊之处在于，该方法包括：软件需要在测量开始前，先配置测量周期数寄存器，以此来确定测量时长和测量的周期数；之后再配置测量模式寄存器，将其设置为多周期测量模式；此设置完成后，硬件自动开始工作计算对应的周期或者频率值。
上述配置寄存器具体是：通过使用可编程逻辑芯片在一路计数器通道内部集成有两个计数器通道，分别为第一计数器通道1和第二计数器通道2；在上述芯片中再增加一个多通道工作模式设置寄存器，用来设置计数器工作在此模式下进行周期或者频率的测量；再增加一个测量周期数寄存器，用来设置本次测量进行的总周期数。
上述硬件自动开始工作分为以下次序实现：
1）第二计数器通道2的时基信号被自动切换到高精度的时钟源上；
2）第一计数器通道1开始产生脉冲，其脉冲长度即为所设定的被测信号的测量周期数，而同时此脉冲信号被送给第二计数器通道2；
3）第二计数器通道2在收到脉冲信号的同时开始计数；
4）第一计数器通道1在产生了指定宽度的脉冲信号后，即停停止脉冲输出；
5）第二计数器通道2检测到脉冲信号消失后，停止计数；
6）软件读取第二计数器通道2 的计数结果，结合计数器通道1所设定周期数，开始计算对应的周期或者频率值。
上述单通道计数器高精度频率/周期测量方法，其特征在于：设定时基信号的周期值为B，测量周期数为Y，第二计数器通道2的计数结果为X，待测信号的周期值AM，则为：
AM=(X/Y)*B,等效为AM=BX/Y；
用时基信号周期数表示的绝对误差的最大值为2/Y。
上述可编程逻辑芯片包括FPGA或CPLD。
本发明的优点在于：在计数器的工作模式中增加一种多周期测量功能，并且在一个计数器通道中集成了两个计数器通道；现有方法的情况下，使用这种多周期测量方式来精确的测量周期/频率之前，需要配置至少8个寄存器；而使用本发明方法之后，每次测量之前，则仅需要配置2个寄存器即可，而得到的结果和原有方式相比较，还能够保持同样的测量精度。
附图说明
    图1 频率/周期的基本测量方法效果图；
图2 提高时基频率后的测量效果图；
图3 进行多周期测量后的测量效果图；
图4 使用多通道配合测量的原理图；
图5 使用单通道实现高精度周期/频率测量的原理图。
具体实施方式
参见图4及图5，在本发明的实施过程中，最主要是通过使用FPGA（CPLD）等可编程逻辑芯片，在一路计数器通道内部集成有两个计数器通道，并且在设计中再增加一个多通道工作模式设置寄存器，用来设置计数器工作在此模式下进行周期或者频率的测量；再增加一个测量周期数寄存器，用来设置本次测量进行的总周期数。
完成上述设置之后，该技术器通道内的第二计数器通道2的时钟源被自动切换至高精度时基，第一计数器通道1的时钟源被自动切换至外部待测信号。之后第一计数器通道1根据设置的测量总周期数目，产生对应宽度度的gate信号，并将此长度送给第二计数器通道2，用来控制第二计数器通道2的计数。每次计数完成后，只需要将测量得到的第二计数器通道2的计数结果，再除以预先设定的测量总周期数，即可得到一个高精确度的待测信号的频率与时基信号的频率的比例关系。
如果仍设定时基信号的周期值为B，测量周期数为Y，计数器1的计数结果为X，待测信号的周期值AM则为：
AM=(X/Y)*B,等效为AM=BX/Y。
用时基信号周期数表示的绝对误差的最大值为2/Y，达到了预期的精度要求。

Claims (5)

1.一种单通道计数器高精度频率/周期测量方法，其特征在于，该方法包括：软件需要在测量开始前，先配置测量周期数寄存器，以此来确定测量时长和测量的周期数；之后再配置测量模式寄存器，将其设置为多周期测量模式；此设置完成后，硬件自动开始工作计算对应的周期或者频率值。
2.根据权利要求1所述单通道计数器高精度频率/周期测量方法，其特征在于，所述配置寄存器具体是：通过使用可编程逻辑芯片在一路计数器通道内部集成有两个计数器通道，分别为第一计数器通道（1）和第二计数器通道（2）；在上述芯片中再增加一个多通道工作模式设置寄存器，用来设置计数器工作在此模式下进行周期或者频率的测量；再增加一个测量周期数寄存器，用来设置本次测量进行的总周期数。
3.根据权利要求2所述单通道计数器高精度频率/周期测量方法，其特征在于，所述硬件自动开始工作分为以下次序实现：
1）第二计数器通道（2）的时基信号被自动切换到高精度的时钟源上；
2）第一计数器通道（1）开始产生脉冲，其脉冲长度即为所设定的被测信号的测量周期数，而同时此脉冲信号被送给第二计数器通道（2）；
3）第二计数器通道（2）在收到脉冲信号的同时开始计数；
4）第一计数器通道（1）在产生了指定宽度的脉冲信号后，即停停止脉冲输出；
5）第二计数器通道（2）检测到脉冲信号消失后，停止计数；
6）软件读取第二计数器通道（2） 的计数结果，结合计数器通道（1）所设定周期数，开始计算对应的周期或者频率值。
4.根据权利要求3所述单通道计数器高精度频率/周期测量方法，其特征在于：设定时基信号的周期值为B，测量周期数为Y，第二计数器通道（2）的计数结果为X，待测信号的周期值AM，则为：
AM=(X/Y)*B,等效为AM=BX/Y；
用时基信号周期数表示的绝对误差的最大值为2/Y。
5.根据权利要求1～4任一所述单通道计数器高精度频率/周期测量方法，其特征在于：所述可编程逻辑芯片包括FPGA或CPLD。
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