專利名稱：多通道數(shù)字頻率計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電子測(cè)量儀器，具體說是一種多通道頻率計(jì)。
通常的數(shù)字頻率計(jì)即使設(shè)有兩個(gè)被測(cè)輸入通道，也只能一次測(cè)量和顯示一個(gè)信號(hào)的頻率或周期值。難于滿足生產(chǎn)和科研中信號(hào)的多路檢測(cè)，也不適應(yīng)處理兩信號(hào)間的頻率和時(shí)間關(guān)系。而且對(duì)于長閘門時(shí)間的頻率、周期的測(cè)量，等待數(shù)據(jù)顯示的時(shí)間太長，且在等待過程中不知道被測(cè)信號(hào)的值。例如“計(jì)量測(cè)試技術(shù)手冊(cè)一第11卷“時(shí)間頻率”(中國計(jì)量出版社1996年出版)第6章、“時(shí)間測(cè)量”(科學(xué)出版社1983年出版)、“電子儀器選購指南”(學(xué)苑出版社1994年出版)、“頻率與時(shí)間”(P塔·卡肖夫等著，譯著由科學(xué)出版社1987年出版)。所描述的頻率測(cè)試就屬于這種情況。這些儀器的標(biāo)頻大都采用了溫度控制或溫度補(bǔ)償晶體振蕩器。使用該器件，必須要求器件有較高的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，而且溫度控制型的晶振造價(jià)較高，且開機(jī)后預(yù)熱時(shí)間也較長。在精度要求較高情況下所使用的微機(jī)補(bǔ)償型溫補(bǔ)晶振要保證高準(zhǔn)確度時(shí)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)也很高。
本實(shí)用新型的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可以同時(shí)進(jìn)行多路頻率、周期信號(hào)參數(shù)測(cè)量顯示的數(shù)字頻率計(jì)。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的設(shè)計(jì)思想是在整機(jī)中設(shè)有兩個(gè)或更多的數(shù)字顯示器來同時(shí)顯示各路被測(cè)信號(hào)的頻率或周期值，或同時(shí)顯示一路被測(cè)信號(hào)的頻率與周期值。這樣，就可在同一設(shè)備變化不大的情況下既具有多儀器的效果，又增加了更多的測(cè)量功能。如除了通常通用頻率計(jì)的功能以外，還能夠測(cè)量多次平均時(shí)差和相位差、頻率差與和、兩被測(cè)信號(hào)之間的相對(duì)誤差、以一個(gè)被測(cè)信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量另一個(gè)信號(hào)的頻率或周期參數(shù)的相對(duì)值等。儀器的頻標(biāo)可以為任意頻率值的信號(hào)而不必作軟件方面的設(shè)定(該功能對(duì)某些信號(hào)頻率起伏變化的測(cè)量是很有用的)。同時(shí)還可以針對(duì)一路信號(hào)的長閘門時(shí)間的頻率、周期測(cè)量時(shí)，用另一個(gè)顯示器顯示被測(cè)信號(hào)頻率的快變化，便于觀察信號(hào)的數(shù)值及其變化。此外，本實(shí)用新型使用了一種以測(cè)量代替控制的微機(jī)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器作為頻率計(jì)的頻標(biāo)。并把晶體振蕩器的頻率隨溫度變化的特性以表格的方式貯存在存器中，通過溫度傳感器檢測(cè)到溫度的變化后，由單片計(jì)算機(jī)檢索頻率——溫度特性表格，以數(shù)據(jù)的方式給出晶體振蕩器隨溫度變化而產(chǎn)生的頻差。晶體振蕩器的頻率隨溫度變化存在有誤差值。因而，當(dāng)用這個(gè)信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量其它信號(hào)的頻率或時(shí)間量時(shí)，把被測(cè)量的計(jì)算公式中通常固定不變的標(biāo)準(zhǔn)頻率改為隨溫度變化而有附加頻差的頻率值。且用軟件的方法根據(jù)誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以得到被測(cè)值的準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果。此外，本實(shí)用新型是針對(duì)通常頻率計(jì)只設(shè)有一個(gè)對(duì)被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)通道，而按被測(cè)輸入通道的個(gè)數(shù)增加了相應(yīng)的計(jì)數(shù)通道，如果采用多周期同步測(cè)量的方法，則也增加對(duì)應(yīng)的對(duì)標(biāo)頻信號(hào)的計(jì)數(shù)通道。
整個(gè)儀器主要由整型電路，多個(gè)閘門電路，多個(gè)計(jì)數(shù)器，門時(shí)產(chǎn)生，單片機(jī)、顯示器構(gòu)成，如

圖1所示。其中整形電路對(duì)被測(cè)信號(hào)整形放大，單片機(jī)主要用于測(cè)量的控制、數(shù)據(jù)處理和顯示驅(qū)動(dòng)，閘門線路和計(jì)數(shù)器完成頻率、周期，時(shí)間間隔、相位差等測(cè)量。其主要特點(diǎn)之一是在單片機(jī)內(nèi)固化有兩個(gè)通道能同時(shí)測(cè)頻、測(cè)周、兩信號(hào)間頻差、頻率比、兩周期信號(hào)之間的平均時(shí)間間隔和平均相位差計(jì)算公式，及晶體振蕩器的頻率——溫度特性表及誤差數(shù)據(jù)修正軟件，單片機(jī)的輸出端連接有多個(gè)數(shù)字顯示器以同時(shí)進(jìn)行多路頻率，周期信號(hào)參數(shù)和結(jié)果的顯示；特點(diǎn)之二是利用多個(gè)閘門與計(jì)數(shù)器分別連接構(gòu)成不同的測(cè)量通道完成各種測(cè)量，即計(jì)數(shù)器設(shè)有多個(gè)，且分別連接在多個(gè)相應(yīng)的閘門電路之后，各計(jì)數(shù)器的輸出端均與單片機(jī)相連接。門時(shí)產(chǎn)生器的輸出分別控制閘門1，閘門5，閘門6，閘門7，閘門2，閘門3，閘門4與計(jì)數(shù)器的不同連接。由計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并分別送入單片機(jī)處理，單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)不同的顯示器進(jìn)行顯示；特點(diǎn)之三是儀器中的頻標(biāo)信號(hào)器件采用晶體振蕩器和一個(gè)與溫度傳感器相結(jié)合的數(shù)字測(cè)溫線路組成，或者采用晶體溫度傳感器和測(cè)頻線路結(jié)合，直接把溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。并用測(cè)量和軟件修正來代替對(duì)該振蕩器頻率的補(bǔ)償和控制。
本實(shí)用新型單片機(jī)中固化的測(cè)量計(jì)算公式如下對(duì)頻率計(jì)算公式為fx=f0NxN0-------(1)]]>式中，f0是標(biāo)頻信號(hào)的頻率值，Nx和N0分別是在閘門時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)和標(biāo)頻信號(hào)的計(jì)數(shù)結(jié)果。本儀器的周期、頻率比、頻差、兩測(cè)量信號(hào)間的頻率相對(duì)誤差等測(cè)量功能都是在這樣的測(cè)量安排下，通過計(jì)算獲得的。
對(duì)平均時(shí)間間隔的計(jì)算公式為T=N0N1f0------(2)]]>其中，N0為在門時(shí)內(nèi)對(duì)兩信號(hào)間周期性的時(shí)間間隔里的標(biāo)頻填充脈沖的計(jì)數(shù)值；N1為在該門時(shí)內(nèi)對(duì)兩路比對(duì)信號(hào)的一路周期個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)值；f0是標(biāo)頻信號(hào)的頻率值。
對(duì)平均相位差的計(jì)算公式為φ=N01N02·3600---(3)]]>其中，N01為在門時(shí)內(nèi)對(duì)兩信號(hào)間周期性的時(shí)間間隔里的標(biāo)頻填充脈沖的計(jì)數(shù)值；N02為在該門時(shí)內(nèi)對(duì)標(biāo)頻填充脈沖的計(jì)數(shù)值。
本實(shí)用新型由于使用了一個(gè)儀器整體可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)通道的信號(hào)頻率、周期等參數(shù)的測(cè)量。因而可使一臺(tái)儀器在造價(jià)變化不大的情況下起到了多臺(tái)儀器的作用，而且用其測(cè)量同一個(gè)信號(hào)時(shí)使用更加方便。同時(shí)由于進(jìn)行多路測(cè)量加上儀器的計(jì)算功能，故使得儀器對(duì)于兩路或多路被測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理時(shí)具有了測(cè)量兩信號(hào)間的平均時(shí)間間隔、平均相位差，以及運(yùn)算頻率比、頻差、相對(duì)誤差、相互比對(duì)等多種功能。此外由于作為頻率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的以測(cè)量代替控制的微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器通過軟件的修正不但簡化了結(jié)構(gòu)、降低了成本，而且比采用有控制的MCXO晶體振蕩器在測(cè)量精度上提高了2-3倍。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)及工作原理。
圖1是本實(shí)用新型的整機(jī)方框圖圖2是本實(shí)用新型完成測(cè)量頻率和周期的功能線路邏輯圖圖3是本實(shí)用新型完成測(cè)量平均時(shí)間間隔和相位差功能的線路圖圖4是本實(shí)用新型測(cè)時(shí)間平均間隔和相位差波形圖圖5是本實(shí)用新型可采用的第一種晶振頻標(biāo)圖圖6是本實(shí)用新型可采用的第二種晶振頻標(biāo)圖圖7是本實(shí)用新型可采用的第三種晶振頻標(biāo)圖圖1中，被測(cè)信號(hào)f1,f2和頻標(biāo)信號(hào)首先分別通過整型電路整形，其中f1，f2經(jīng)整形輸入分別進(jìn)入閘門1、閘門2和時(shí)差門時(shí)產(chǎn)生器及門時(shí)產(chǎn)生器。從時(shí)差門時(shí)和門時(shí)產(chǎn)生器輸出的信號(hào)又分別進(jìn)入閘門1～閘門7，控制各閘門信號(hào)根據(jù)所測(cè)頻率f，相位φ，周期P，時(shí)間T的不同功能分別與計(jì)數(shù)器1、計(jì)數(shù)器2相連。計(jì)數(shù)器1～2輸出的計(jì)數(shù)信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理后，再將其結(jié)果送入各顯示器顯示。整形的頻標(biāo)信號(hào)根據(jù)所測(cè)功能(f、P、T、φ)通過閘門3，閘門4與計(jì)數(shù)器連接，進(jìn)入單片機(jī)。門時(shí)產(chǎn)生器可以用硬件也可用軟件分別產(chǎn)生，用軟件產(chǎn)生時(shí)要求用硬件線路和被測(cè)信號(hào)的多周期進(jìn)行同步。頻標(biāo)信號(hào)通過整形后，根據(jù)測(cè)量功能，即頻率f，周期P、相位φ，時(shí)間間隔T分別與計(jì)數(shù)器3，計(jì)數(shù)器4連接。計(jì)數(shù)器3～4的計(jì)數(shù)信號(hào)，同時(shí)也送入計(jì)算機(jī)，與計(jì)數(shù)器1～2的信號(hào)一并處理。整形電路V采用常規(guī)的限幅放大器和史密特線路。
圖2中，閘門(1-4)可選用與非門或者與門，如74S00、74LS00,74S10等，門時(shí)產(chǎn)生器采用D觸發(fā)器，該觸發(fā)器可以有多種選擇如74S7474LS74和CMOS的D觸發(fā)器，計(jì)數(shù)器(1～4)可以是二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器線路，如74LS197、4040B，頻標(biāo)采用微機(jī)補(bǔ)償溫補(bǔ)晶體振蕩器(MCXO)，如圖5-7所示，其測(cè)量原理如圖1所述。
圖3中對(duì)于平均時(shí)間間隔的測(cè)量是要在設(shè)定的閘門時(shí)間內(nèi)同時(shí)對(duì)多個(gè)所測(cè)時(shí)間間隔的填充信號(hào)及兩個(gè)比對(duì)信號(hào)之一的平均周期個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。對(duì)于平均相位差的測(cè)量，則要在設(shè)定的閘門時(shí)間內(nèi)一方面對(duì)多個(gè)所測(cè)時(shí)間間隔的填充信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，另一方面也要通過該填充信號(hào)的計(jì)數(shù)測(cè)量出門時(shí)的長度。這個(gè)閘門時(shí)間也要象多周期同步測(cè)量那樣，與一路比對(duì)信號(hào)同步。其測(cè)量過程如圖4所示。當(dāng)需要測(cè)量兩路平均時(shí)差和相位差的比對(duì)信號(hào)f1,f2時(shí)，則兩路具有相同的頻率標(biāo)稱值。f1,f2分別經(jīng)過整形之后用作開啟信號(hào)的f1被用來控制測(cè)量的參考門時(shí)(該參考門時(shí)可以由單片機(jī)用軟件產(chǎn)生，也可以用硬件分頻的方法從標(biāo)頻信號(hào)產(chǎn)生)，使所產(chǎn)生的測(cè)量門時(shí)信號(hào)在時(shí)間長短方面與原參考門時(shí)大致相同，但又與f1的多周期相同步。同時(shí)f1,f2通過起相檢作用的有兩個(gè)時(shí)鐘端的JK觸發(fā)器等線路，產(chǎn)生脈寬隨兩信號(hào)間的時(shí)差(即相位差)變化的脈沖信號(hào)。測(cè)量門時(shí)信號(hào)、含有時(shí)差信息的脈沖信號(hào)和標(biāo)頻填充信號(hào)經(jīng)過一個(gè)與非門之后，由計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)。同時(shí)測(cè)量門時(shí)信號(hào)也送到一個(gè)由三個(gè)與非門組成的控制線路。用作測(cè)時(shí)、測(cè)相選擇的控制信號(hào)為低電平時(shí)用來選通測(cè)時(shí)功能；為高電平時(shí)用來選通測(cè)相功能。當(dāng)該線路用來測(cè)量平均時(shí)間間隔時(shí)，通過置測(cè)時(shí)、測(cè)相選擇為低電平，該控制線路使比對(duì)信號(hào)f2通過它們?cè)陂l門開啟的情況下由計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)。兩個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果在計(jì)算機(jī)中用式(2)算出被測(cè)的平均時(shí)間間隔。與平均時(shí)間間隔測(cè)量所不同的是，在平均相位差的測(cè)量中，置測(cè)時(shí)、測(cè)相選擇為高電平，上述的控制線路則使標(biāo)頻信號(hào)通過它們?cè)陂l門開啟的情況下由計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)。它與計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)結(jié)果在計(jì)算機(jī)中用式(3)算出被測(cè)的平均相位差。
圖5～7所示的作為頻標(biāo)使用的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器是由一個(gè)不受補(bǔ)償控制的晶體振蕩器和一個(gè)與溫度傳感器相結(jié)合的數(shù)字測(cè)溫線路組成。其中圖5中溫度傳感器可用硅二極管PN結(jié)或AD590組成，以將溫度轉(zhuǎn)換成電壓值，再通過A/D轉(zhuǎn)換將電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。也可以用如圖6和圖7的方法以晶體溫度傳感器和測(cè)頻線路結(jié)合直接把溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。并將帶有溫度信息的數(shù)字量作為存儲(chǔ)器的尋址信號(hào)。在存儲(chǔ)器中存有晶體振蕩器的頻差——溫度修正表格，對(duì)應(yīng)于各個(gè)溫度地址，在存儲(chǔ)器內(nèi)存有在該溫度下的頻差修正值。因而在輸入尋址信號(hào)的控制下，可輸出相應(yīng)的頻差修正數(shù)據(jù)。作為標(biāo)準(zhǔn)的晶振的輸出頻率信號(hào)f0及該修正數(shù)據(jù)Δf一起送往時(shí)頻測(cè)量儀器中分別作為標(biāo)頻信號(hào)和對(duì)于測(cè)量結(jié)果計(jì)算的修正數(shù)。在對(duì)各被測(cè)量的計(jì)算時(shí)，上述公式(1)、(2)中的標(biāo)頻值f0+Δf，是不斷隨溫度的變化而修正的。其中的f0是標(biāo)頻的頻率標(biāo)稱值。在這種MCXO中，如果用了晶體溫度傳感器和測(cè)頻線路結(jié)合解決測(cè)溫問題[如圖6和圖7]，則其測(cè)頻線路也恰好能夠利用本頻率計(jì)能夠多路測(cè)頻線路中的一路承擔(dān)該項(xiàng)工作。此時(shí)，該MCXO晶振的單片機(jī)與存儲(chǔ)器就完全可以和頻率計(jì)主機(jī)所用的單片機(jī)及存儲(chǔ)器合為一體，更進(jìn)一步簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)。這里所用的溫補(bǔ)晶振的新穎之處既不在于振蕩器本身，也不在環(huán)境溫度的傳感方法，而是使用了軟件補(bǔ)償通過隨溫度變化的頻差數(shù)據(jù)來修正頻標(biāo)信號(hào)的方法來達(dá)到保證對(duì)被測(cè)信號(hào)的測(cè)量高精度。
權(quán)利要求1．一種多通道數(shù)字頻率計(jì)，包括有整形電路，門時(shí)產(chǎn)生，閘門電路，計(jì)數(shù)器，頻標(biāo)器件，單片機(jī)，整形電路的輸出同時(shí)與門時(shí)產(chǎn)生電路和閘門電路相連，其特征在于①計(jì)數(shù)器設(shè)有多個(gè)，且分別連接在多個(gè)相應(yīng)的閘門電路之后，各計(jì)數(shù)器的輸出端均與單片機(jī)相連接，以構(gòu)成多路測(cè)量通道；②頻標(biāo)信號(hào)器件采用晶體振蕩器和一個(gè)與溫度傳感器相結(jié)合的數(shù)字測(cè)溫線路組成，或者采用晶體溫度傳感器和測(cè)頻線路結(jié)合，直接把溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；③單片機(jī)內(nèi)固化有能同時(shí)進(jìn)行多路測(cè)量的頻差，頻率比，平均時(shí)間間隔，平均相位差計(jì)算公式和晶體振蕩器隨溫度變化的特性表格，且單片機(jī)的輸出端連接有多個(gè)數(shù)字顯示器，同時(shí)進(jìn)行多路測(cè)量信號(hào)參數(shù)和結(jié)果的顯示。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種多通道數(shù)字頻率計(jì),該頻率計(jì)主要解決現(xiàn)有頻率計(jì)只能進(jìn)行單通道測(cè)量的問題。采用多個(gè)閘門與相應(yīng)計(jì)數(shù)器的連接構(gòu)成不同的測(cè)量通道及在單片機(jī)內(nèi)固化有測(cè)量計(jì)算公式和晶體振蕩器頻率隨溫度的變化特性,以完成各種測(cè)量,同時(shí)采用微機(jī)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器作為頻率計(jì)的頻標(biāo),以提高測(cè)量精度。具有使用方便,精度高,一臺(tái)儀器能起到多臺(tái)儀器的作用的優(yōu)點(diǎn),可作為同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)測(cè)量的儀器。
文檔編號(hào)G01D21/02GK2314348SQ9724223
公開日1999年4月14日 申請(qǐng)日期1997年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月30日
發(fā)明者周渭, 梁平 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué), 梁平