CN104698271A - 一种基于声表面波传感器的新型频率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声表面波传感器的新型频率测量方法，利用声表面波带通滤波器对被测频率进行预选，高于中界频率的信号用测频法，低于中界频率的信号用侧周期法，再用D触发器进行降频得到频率相对较低的信号，再用数码管来显示被测结果。与现有技术相比，本发明解决了传统测频法在频率的上下限处测量时产生的较大误差的问题，测量精度较之传统测频法有相对提高，具有在各个行业推广应用的价值。

Description

一种基于声表面波传感器的新型频率测量方法

技术领域

本发明涉及频率测量技术领域，特别是一种基于声表面波传感器的新型频率测量方法。

背景技术

传统的频率测量是利用频率计数电路，在规定的时间内对频率信号进行计数，这个规定的时间就是闸门时间，闸门时间是由双稳态电路提供的。测得的频率数值f_x，是在闸门时间T_g内对脉冲的计数值N_x与闸门时间T_g的比值，即f_x N_x/T_g。

频率计正常运转时，被计数的信号脉冲首先通过闸门然后输入计数器，一般状况下闸门的打开与闭合与计数脉冲在端口输入的时间是不同的。因此在相同的闸门时间里，频率计数器对相同的脉冲信号计数时，最终的显示值是不一样的，即有可能产生1个脉冲误差值^[2]。N_x会产生误差，T_g也会产生误差，这些误差的叠加就构成了实际的测频误差。利用晶振来产生基准时间信号T_g，方法是晶振的输出信号f_b通过n级10分频电路，即T_g 10ⁿ 1/f_b。所以，f_x N_x/T_g N_x f_b/10ⁿ。最终测频法的相对误差df_x/f_x为：

其中：1/N_x是示值的相对误差，也叫量化误差。是被测频率信号的相对误差。是晶体振荡器的频率准确度，可以用来表示频率信号的稳定程度。

由式(2)可得，被测频率的相对误差由两方面内容构成。即系统石英晶体振荡器的频率稳定度和量化误差组成。量化误差与两个因素相关，第一，被测信号的频率 值得上下限。第二，双稳态电路的输出闸门时间。

在某一频率f_x的值不变的情况下，闸门时间T_g越大，误差值越小，闸门时间T_g越短，误差值越大。如果取闸门时间T_g为某一定值时，测量值f_x越大，误差越小，测量值f_x越小，误差就越大。在检测过程中就会出现频率值较低的信号测量精度较低，频率值较高的信号测量值较高的情况。系统的测频结果与频率信号的高低有直接关系。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术的问题而提供一种基于声表面波传感器的新型频率测量方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种基于声表面波传感器的新型频率测量方法，用于测量两个频率相近的声表面波传感器SAWR1和SAWR2差频后的待测频率f，包括以下步骤：

1)测量声表面波传感器SAWR1或SAWR2的中界频率f₀，中界频率其中，f_c为测周期时计数脉冲的频率，T为直接测频时选用的闸门时间；

2)将声表面波传感器SAWR1的输出信号记为输出频率f₁；

3)将输出频率f₁分别输入到带宽为f₀,f_max和f_min,f₀的声表面波带通滤波器SAWF1与SAWF2，其中，f_max与f_min分别为声表面波传感器SAWR1输出频率f₁的上限与下限，声表面波带通滤波器SAWF1可以让输出频率f₁中高于中界频率f₀的频率信号通过，声表面波带通滤波器SAWF2可以让输出频率f₁中低于中界频率f₀的频率信号通过；

4)当f₁ f₀时，声表面波带通滤波器SAWF1输出高电平并同时触发三态与门1， 被测频率f经过放大整形后变成了一系列的窄脉冲并输入到三态与门1，再通过晶体振荡器输出频率为f_c，周期为T_c的正弦信号，经k次分频、整形后得到周期为T₁ kT_c的窄脉冲，以此脉冲触发双稳态电路1，从双稳态电路1的输出端即得到所需要的宽度为基准时间T₁的脉冲信号即闸门时间脉冲，该闸门时间脉冲一路输入到三态与门1、一路输入到与门1，与门1的另一个输入信号是通过声表面波带通滤波器SAWF1的输出频率f₁，在三态与门1导通期间，被测频率f与基准时间T₁为与的关系，被测频率f在T₁时间内能通过三态与门1，并输入到计数器进行计数；与门1输出高电平信号并触发计数器开始工作，计数器在T₁时间内对f进行计数，假设计数值为N₁，则根据f的值推算出外界加速度的大小；

5)当f₁ f₀时，声表面波带通滤波器SAWF2输出高电平并同时触发三态与门2，被测频率f经过放大整形后变成了一系列的窄脉冲并输入到三态与门2，再通过晶体振荡器输出频率为f_c，周期为T_c的正弦信号，经k次分频、整形后得到周期为T₁ kT_c的窄脉冲，以此脉冲触发双稳态电路2，从双稳态电路2的输出端即得到所需要的宽度为基准时间T₁的脉冲信号即闸门时间脉冲，该闸门时间脉冲一路输入到三态与门2、一路输入到与门2，与门2的另一个输入信号是通过声表面波带通滤波器SAWF2的输出频率f₁，在三态与门2导通期间，被测频率f与基准时间T₁为与的关系，f在T₁时间内能通过三态与门2，并输入到计数器进行计数；与门2输出高电平信号并触发计数器开始工作，计数器在T_x时间内对f进行计数，假设计数值为N₂，可得T_x N₂T_c，其中T_x为被测频率f的周期，N₂为在T_x内对标准信号的计数值，T_c为标准信号的周期，由频率与周期的关系可知，

作为本发明的进一步优选方案，所述输入到计数器的信号首先用D触发器进行 降频得到频率相对较低的信号，再用数码管来显示被测结果。

与现有技术相比，本发明解决了传统测频法在频率的上下限处测量时产生的较大误差的问题，测量精度较之传统测频法有相对提高，具有在各个行业推广应用的价值。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明的计数和显示电路结构图；

图3是本发明用Multisim10软件对经过D触发器形成的两分频电路进行分析图；

图4是是双通道示波器显示图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

一种基于声表面波传感器的新型频率测量方法，用于测量两个频率相近的声表面波传感器SAWR1和SAWR2差频后的待测频率f，包括以下步骤，如图1所示：

1)测量声表面波传感器SAWR1或SAWR2的中界频率f₀，中界频率其中，f_c为测周期时计数脉冲的频率，T为直接测频时选用的闸门时间；

2)将声表面波传感器SAWR1的输出信号记为输出频率f₁；

3)将输出频率f₁分别输入到带宽为f₀,f_max和f_min,f₀的声表面波带通滤波器SAWF1与SAWF2，其中，f_max与f_min分别为声表面波传感器SAWR1输出频率f₁的上限与下限，声表面波带通滤波器SAWF1可以让输出频率f₁中高于中界频率f₀的频率信号通过，声表面波带通滤波器SAWF2可以让输出频率f₁中低于中界频率f₀的频率信号通过；

4)当f₁ f₀时，声表面波带通滤波器SAWF1输出高电平并同时触发三态与门1，被测频率f经过放大整形后变成了一系列的窄脉冲并输入到三态与门1，再通过晶 体振荡器输出频率为f_c，周期为T_c的正弦信号，经k次分频、整形后得到周期为T₁ kT_c的窄脉冲，以此脉冲触发双稳态电路1，从双稳态电路1的输出端即得到所需要的宽度为基准时间T₁的脉冲信号即闸门时间脉冲，该闸门时间脉冲一路输入到三态与门1、一路输入到与门1，与门1的另一个输入信号是通过声表面波带通滤波器SAWF1的输出频率f₁，在三态与门1导通期间，被测频率f与基准时间T₁为与的关系，被测频率f在T₁时间内能通过三态与门1，并输入到计数器进行计数；与门1输出高电平信号并触发计数器开始工作，计数器在T₁时间内对f进行计数，假设计数值为N₁，则根据f的值推算出外界加速度的大小；

5)当f₁ f₀时，声表面波带通滤波器SAWF2输出高电平并同时触发三态与门2，被测频率f经过放大整形后变成了一系列的窄脉冲并输入到三态与门2，再通过晶体振荡器输出频率为f_c，周期为T_c的正弦信号，经k次分频、整形后得到周期为T₁ kT_c的窄脉冲，以此脉冲触发双稳态电路2，从双稳态电路2的输出端即得到所需要的宽度为基准时间T₁的脉冲信号即闸门时间脉冲，该闸门时间脉冲一路输入到三态与门2、一路输入到与门2，与门2的另一个输入信号是通过声表面波带通滤波器SAWF2的输出频率f₁，在三态与门2导通期间，被测频率f与基准时间T₁为与的关系，f在T₁时间内能通过三态与门2，并输入到计数器进行计数；与门2输出高电平信号并触发计数器开始工作，计数器在T_x时间内对f进行计数，假设计数值为N₂，可得T_x N₂T_c，其中T_x为被测频率f的周期，N₂为在T_x内对标准信号的计数值，T_c为标准信号的周期，由频率与周期的关系可知，

由于被测频率f介于0—1MHz，相对数字电路器件来说信号的频率稍高。电路各个元器件都有传输延迟的现象，高频信号在测量中就会产生一些误差，这些误 差体现在计数环节，译码环节及数码显示环节上。利用D触发器具有分频的特性，在正式测量前对信号进行降频，这样可以得到一个频率相对较低的信号。这样的信号在后续的测量过程中不会带有太大的误差，所述输入到计数器的信号首先用D触发器进行降频得到频率相对较低的信号，再用数码管来显示被测结果，电路的结构是把D触发器的端口与D触发器的置位端口D直接连接从而构成两分频电路，D触发器输出端的输出信号再送到10进制计数器74LS192D的UP端口，这个信号的频率很高达到了1M赫兹，用6个数码管来显示被测结果，低位计数器的C0端口和高一位的UP端口连接，这样就可以显示六位10进制数字，电路图里J1的功能是对数码管进行清零操作，以保证测量开始时数码管都显示0，整体电路如图2所示。

利用Multisim10软件对经过D触发器形成的两分频电路进行分析，分析过程为选取1M赫兹的标准信号，整体电路里的频率计XFC1对上述信号进行测量，显示示值为500k赫兹，使用软件自带的双通道示波器对两路信号进行观测，由图3可得两分频后的信号频率约为被测信号频率的一半，图4为双通道示波器显示图，测试数据证明所设计的两分频电路满足测量的要求，具体数据如表1所示。

表1

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于声表面波传感器的新型频率测量方法，用于测量两个频率相近的声表面波传感器SAWR1和SAWR2差频后的待测频率f，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量声表面波传感器SAWR1或SAWR2的中界频率f₀，中界频率f₀ 其中，f_c为测周期时计数脉冲的频率，T为直接测频时选用的闸门时间；

2)将声表面波传感器SAWR1的输出信号记为输出频率f₁；

3)将输出频率f₁分别输入到带宽为f₀,f_max和f_min,f₀的声表面波带通滤波器SAWF1与SAWF2，其中，f_max与f_min分别为声表面波传感器SAWR1输出频率f₁的上限与下限，声表面波带通滤波器SAWF1可以让输出频率f₁中高于中界频率f₀的频率信号通过，声表面波带通滤波器SAWF2可以让输出频率f₁中低于中界频率f₀的频率信号通过；

4)当f₁ f₀时，声表面波带通滤波器SAWF1输出高电平并同时触发三态与门1，被测频率f经过放大整形后变成了一系列的窄脉冲并输入到三态与门1，再通过晶体振荡器输出频率为f_c，周期为T_c的正弦信号，经k次分频、整形后得到周期为T₁ kT_c的窄脉冲，以此脉冲触发双稳态电路1，从双稳态电路1的输出端即得到所需要的宽度为基准时间T₁的脉冲信号即闸门时间脉冲，该闸门时间脉冲一路输入到三态与门1、一路输入到与门1，与门1的另一个输入信号是通过声表面波带通滤波器SAWF1的输出频率f₁，在三态与门1导通期间，被测频率f与基准时间T₁为与的关系，被测频率f在T₁时间内能通过三态与门1，并输入到计数器进行计数；与门1输出高电平信号并触发计数器开始工作，计数器在T₁时间内对f进行计数，假设计数值为N₁，则f根据f的值推算出外界加速度的大小；

5)当f₁ f₀时，声表面波带通滤波器SAWF2输出高电平并同时触发三态与门2，被测频率f经过放大整形后变成了一系列的窄脉冲并输入到三态与门2，再通过晶体振荡器输出频率为f_c，周期为T_c的正弦信号，经k次分频、整形后得到周期为T₁ kT_c的窄脉冲，以此脉冲触发双稳态电路2，从双稳态电路2的输出端即得到所需要的宽度为基准时间T₁的脉冲信号即闸门时间脉冲，该闸门时间脉冲一路输入到三态与门2、一路输入到与门2，与门2的另一个输入信号是通过声表面波带通滤波器SAWF2的输出频率f₁，在三态与门2导通期间，被测频率f与基准时间T₁为与的关系，f在T₁时间内能通过三态与门2，并输入到计数器进行计数；与门2输出高电平信号并触发计数器开始工作，计数器在T_x时间内对f进行计数，假设计数值为N₂，可得T_x N₂T_c，其中T_x为被测频率f的周期，N₂为在T_x内对标准信号的计数值，T_c为标准信号的周期，由频率与周期的关系可知，f

2.根据权利要求1所述的基于声表面波传感器的新型频率测量方法，其特征在于：所述输入到计数器的信号首先用D触发器进行降频得到频率相对较低的信号，再用数码管来显示被测结果。