CN2314348Y - 多通道数字频率计 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多通道数字频率计,该频率计主要解决现有频率计只能进行单通道测量的问题。采用多个闸门与相应计数器的连接构成不同的测量通道及在单片机内固化有测量计算公式和晶体振荡器频率随温度的变化特性,以完成各种测量,同时采用微机温度补偿晶体振荡器作为频率计的频标,以提高测量精度。具有使用方便,精度高,一台仪器能起到多台仪器的作用的优点,可作为同时进行多种参数测量的仪器。

Description

多通道数字频率计

本实用新型涉及电子测量仪器，具体说是一种多通道频率计。

通常的数字频率计即使设有两个被测输入通道，也只能一次测量和显示一个信号的频率或周期值。难于满足生产和科研中信号的多路检测，也不适应处理两信号间的频率和时间关系。而且对于长闸门时间的频率、周期的测量，等待数据显示的时间太长，且在等待过程中不知道被测信号的值。例如“计量测试技术手册一第11卷“时间频率”(中国计量出版社1996年出版)第6章、“时间测量”(科学出版社1983年出版)、“电子仪器选购指南”(学苑出版社1994年出版)、“频率与时间”(P塔·卡肖夫等著，译著由科学出版社1987年出版)。所描述的频率测试就属于这种情况。这些仪器的标频大都采用了温度控制或温度补偿晶体振荡器。使用该器件，必须要求器件有较高的频率准确度和稳定度，而且温度控制型的晶振造价较高，且开机后预热时间也较长。在精度要求较高情况下所使用的微机补偿型温补晶振要保证高准确度时，结构复杂，造价也很高。

本实用新型的目的在于避免现有技术的不足，提供一种可以同时进行多路频率、周期信号参数测量显示的数字频率计。

实现本实用新型目的设计思想是在整机中设有两个或更多的数字显示器来同时显示各路被测信号的频率或周期值，或同时显示一路被测信号的频率与周期值。这样，就可在同一设备变化不大的情况下既具有多仪器的效果，又增加了更多的测量功能。如除了通常通用频率计的功能以外，还能够测量多次平均时差和相位差、频率差与和、两被测信号之间的相对误差、以一个被测信号为标准，测量另一个信号的频率或周期参数的相对值等。仪器的频标可以为任意频率值的信号而不必作软件方面的设定(该功能对某些信号频率起伏变化的测量是很有用的)。同时还可以针对一路信号的长闸门时间的频率、周期测量时，用另一个显示器显示被测信号频率的快变化，便于观察信号的数值及其变化。此外，本实用新型使用了一种以测量代替控制的微机温度补偿晶体振荡器作为频率计的频标。并把晶体振荡器的频率随温度变化的特性以表格的方式贮存在存器中，通过温度传感器检测到温度的变化后，由单片计算机检索频率——温度特性表格，以数据的方式给出晶体振荡器随温度变化而产生的频差。晶体振荡器的频率随温度变化存在有误差值。因而，当用这个信号作为标准测量其它信号的频率或时间量时，把被测量的计算公式中通常固定不变的标准频率改为随温度变化而有附加频差的频率值。且用软件的方法根据误差数据进行修正，以得到被测值的准确测量结果。此外，本实用新型是针对通常频率计只设有一个对被测信号的计数通道，而按被测输入通道的个数增加了相应的计数通道，如果采用多周期同步测量的方法，则也增加对应的对标频信号的计数通道。

整个仪器主要由整型电路，多个闸门电路，多个计数器，门时产生，单片机、显示器构成，如图1所示。其中整形电路对被测信号整形放大，单片机主要用于测量的控制、数据处理和显示驱动，闸门线路和计数器完成频率、周期，时间间隔、相位差等测量。其主要特点之一是在单片机内固化有两个通道能同时测频、测周、两信号间频差、频率比、两周期信号之间的平均时间间隔和平均相位差计算公式，及晶体振荡器的频率——温度特性表及误差数据修正软件，单片机的输出端连接有多个数字显示器以同时进行多路频率，周期信号参数和结果的显示；特点之二是利用多个闸门与计数器分别连接构成不同的测量通道完成各种测量，即计数器设有多个，且分别连接在多个相应的闸门电路之后，各计数器的输出端均与单片机相连接。门时产生器的输出分别控制闸门1，闸门5，闸门6，闸门7，闸门2，闸门3，闸门4与计数器的不同连接。由计数器对被测信号进行计数，并分别送入单片机处理，单片机输出驱动不同的显示器进行显示；特点之三是仪器中的频标信号器件采用晶体振荡器和一个与温度传感器相结合的数字测温线路组成，或者采用晶体温度传感器和测频线路结合，直接把温度转换成数字量。并用测量和软件修正来代替对该振荡器频率的补偿和控制。

本实用新型单片机中固化的测量计算公式如下：

对频率计算公式为： $f_x=f_0\frac{N_x}{N_0}-------\left(1\right)$ 式中，f₀是标频信号的频率值，N_x和N₀分别是在闸门时间内对被测和标频信号的计数结果。本仪器的周期、频率比、频差、两测量信号间的频率相对误差等测量功能都是在这样的测量安排下，通过计算获得的。

对平均时间间隔的计算公式为： $T=\frac{N_0}{N_1{f}_0}------\left(2\right)$ 其中，N₀为在门时内对两信号间周期性的时间间隔里的标频填充脉冲的计数值；N₁为在该门时内对两路比对信号的一路周期个数的计数值；f₀是标频信号的频率值。

对平均相位差的计算公式为： $\mathrm{\φ}=\frac{N_{01}}{N_{02}}\·{360}^0---\left(3\right)$ 其中，N₀₁为在门时内对两信号间周期性的时间间隔里的标频填充脉冲的计数值；N₀₂为在该门时内对标频填充脉冲的计数值。

本实用新型由于使用了一个仪器整体可以同时进行多个通道的信号频率、周期等参数的测量。因而可使一台仪器在造价变化不大的情况下起到了多台仪器的作用，而且用其测量同一个信号时使用更加方便。同时由于进行多路测量加上仪器的计算功能，故使得仪器对于两路或多路被测信号进行数字处理时具有了测量两信号间的平均时间间隔、平均相位差，以及运算频率比、频差、相对误差、相互比对等多种功能。此外由于作为频率计标准的以测量代替控制的微机补偿晶体振荡器通过软件的修正不但简化了结构、降低了成本，而且比采用有控制的MCXO晶体振荡器在测量精度上提高了2-3倍。

以下结合附图进一步说明本实用新型的结构及工作原理。

图1是本实用新型的整机方框图

图2是本实用新型完成测量频率和周期的功能线路逻辑图

图3是本实用新型完成测量平均时间间隔和相位差功能的线路图

图4是本实用新型测时间平均间隔和相位差波形图

图5是本实用新型可采用的第一种晶振频标图

图6是本实用新型可采用的第二种晶振频标图

图7是本实用新型可采用的第三种晶振频标图

图1中，被测信号f₁,f₂和频标信号首先分别通过整型电路整形，其中f₁，f₂经整形输入分别进入闸门1、闸门2和时差门时产生器及门时产生器。从时差门时和门时产生器输出的信号又分别进入闸门1～闸门7，控制各闸门信号根据所测频率f，相位φ，周期P，时间T的不同功能分别与计数器1、计数器2相连。计数器1～2输出的计数信号送入单片机进行计算处理后，再将其结果送入各显示器显示。整形的频标信号根据所测功能(f、P、T、φ)通过闸门3，闸门4与计数器连接，进入单片机。门时产生器可以用硬件也可用软件分别产生，用软件产生时要求用硬件线路和被测信号的多周期进行同步。频标信号通过整形后，根据测量功能，即频率f，周期P、相位φ，时间间隔T分别与计数器3，计数器4连接。计数器3～4的计数信号，同时也送入计算机，与计数器1～2的信号一并处理。整形电路V采用常规的限幅放大器和史密特线路。

图2中，闸门(1-4)可选用与非门或者与门，如74S00、74LS00,74S10等，门时产生器采用D触发器，该触发器可以有多种选择如74S74

74LS74和CMOS的D触发器，计数器(1～4)可以是二进制的计数器线路，如74LS197、4040B，频标采用微机补偿温补晶体振荡器(MCXO)，如图5-7所示，其测量原理如图1所述。

图3中对于平均时间间隔的测量是要在设定的闸门时间内同时对多个所测时间间隔的填充信号及两个比对信号之一的平均周期个数进行计数。对于平均相位差的测量，则要在设定的闸门时间内一方面对多个所测时间间隔的填充信号进行计数，另一方面也要通过该填充信号的计数测量出门时的长度。这个闸门时间也要象多周期同步测量那样，与一路比对信号同步。其测量过程如图4所示。当需要测量两路平均时差和相位差的比对信号f₁,f₂时，则两路具有相同的频率标称值。f₁,f₂分别经过整形之后用作开启信号的f₁被用来控制测量的参考门时(该参考门时可以由单片机用软件产生，也可以用硬件分频的方法从标频信号产生)，使所产生的测量门时信号在时间长短方面与原参考门时大致相同，但又与f₁的多周期相同步。同时f₁,f₂通过起相检作用的有两个时钟端的JK触发器等线路，产生脉宽随两信号间的时差(即相位差)变化的脉冲信号。测量门时信号、含有时差信息的脉冲信号和标频填充信号经过一个与非门之后，由计数器1计数。同时测量门时信号也送到一个由三个与非门组成的控制线路。用作测时、测相选择的控制信号为低电平时用来选通测时功能；为高电平时用来选通测相功能。当该线路用来测量平均时间间隔时，通过置测时、测相选择为低电平，该控制线路使比对信号f₂通过它们在闸门开启的情况下由计数器2计数。两个计数器的计数结果在计算机中用式(2)算出被测的平均时间间隔。与平均时间间隔测量所不同的是，在平均相位差的测量中，置测时、测相选择为高电平，上述的控制线路则使标频信号通过它们在闸门开启的情况下由计数器2计数。它与计数器1的计数结果在计算机中用式(3)算出被测的平均相位差。

图5～7所示的作为频标使用的温度补偿晶体振荡器是由一个不受补偿控制的晶体振荡器和一个与温度传感器相结合的数字测温线路组成。其中图5中温度传感器可用硅二极管PN结或AD590组成，以将温度转换成电压值，再通过A/D转换将电压值转换成数字量。也可以用如图6和图7的方法以晶体温度传感器和测频线路结合直接把温度转换成数字量。并将带有温度信息的数字量作为存储器的寻址信号。在存储器中存有晶体振荡器的频差——温度修正表格，对应于各个温度地址，在存储器内存有在该温度下的频差修正值。因而在输入寻址信号的控制下，可输出相应的频差修正数据。作为标准的晶振的输出频率信号f₀及该修正数据Δf一起送往时频测量仪器中分别作为标频信号和对于测量结果计算的修正数。在对各被测量的计算时，上述公式(1)、(2)中的标频值f₀+Δf，是不断随温度的变化而修正的。其中的f₀是标频的频率标称值。在这种MCXO中，如果用了晶体温度传感器和测频线路结合解决测温问题[如图6和图7]，则其测频线路也恰好能够利用本频率计能够多路测频线路中的一路承担该项工作。此时，该MCXO晶振的单片机与存储器就完全可以和频率计主机所用的单片机及存储器合为一体，更进一步简化了设备结构。这里所用的温补晶振的新颖之处既不在于振荡器本身，也不在环境温度的传感方法，而是使用了软件补偿通过随温度变化的频差数据来修正频标信号的方法来达到保证对被测信号的测量高精度。

Claims (1)

1．一种多通道数字频率计，包括有整形电路，门时产生，闸门电路，计数器，频标器件，单片机，整形电路的输出同时与门时产生电路和闸门电路相连，其特征在于：

①计数器设有多个，且分别连接在多个相应的闸门电路之后，各计数器的输出端均与单片机相连接，以构成多路测量通道；

②频标信号器件采用晶体振荡器和一个与温度传感器相结合的数字测温线路组成，或者采用晶体温度传感器和测频线路结合，直接把温度转换成数字量；

③单片机内固化有能同时进行多路测量的频差，频率比，平均时间间隔，平均相位差计算公式和晶体振荡器随温度变化的特性表格，且单片机的输出端连接有多个数字显示器，同时进行多路测量信号参数和结果的显示。

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