一种高精度宽频域频率测量系统及频率测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度宽频域频率测量系统，其包括有：一波形整形电路，其输入端连接于信号源；一闸门控制模块，所述闸门控制模块用于执行控制指令而控制所述矩形波信号的通/断；一分频器，所述分频器用于将所述矩形波信号进行分频处理后输出脉冲信号；一微控制器，所述微控制器用于向闸门控制模块发送控制指令，对分频器输出的脉冲信号计数并换算出信号频率数据，以及根据测频修正参数对信号频率数据进行校准；一上位机，其连接于微控制器，用于向微控制器发送测频修正参数，以及接收由微控制器上传的校准后的信号频率数据。本发明能实现高精度宽频域频率测量，并且结构简单、操作方便、成本低廉、易于扩展、稳定可靠。
【专利说明】
一种高精度宽频域频率测量系统及频率测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及信号测量技术领域，尤其涉及一种高精度宽频域频率测量系统及频率 测量方法。
【背景技术】
[0002] 信号测量技术领域中，频率测量是十分常见的概念，频率是信号周期的倒数，频率 计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。频率计主要 由四个部分构成：时基电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。在传统的生产制造企 业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输 出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量，在 计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准，在无线通讯测 试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台 的跳频信号和频率调制信号进行分析。
[0003] 中国专利CN204347131U公开了一种智能频率计，其包括:微处理器、信号调理整形 模块、分频模块、通道选择开关、数据存储器、量程单位显示模块、数值显示模块、串行通信 接口，所述信号调理整形模块的输出信号分为两部分，一部分经过分频模块分频后输出至 通道选择开关，一部分直接输出至通道选择开关，微处理器分别与通道选择开关、数据存储 器、量程单位显示模块、数值显示模块、串行通信接口、分频模块相连。微处理器可根据测量 信号频率值的大小，实现是否进行分频后测量和档位自动调整，也可通过串行通信接口将 测量信号的频率值上传至PC机，以满足不同场合的需求，该方案没有详细给出测频的参数 和电路实现过程，因此测频的精度、频率的测量范围、稳定性和可靠性无从得知。
[0004] 通常情况下，由于元器件受老化、温度、工作频率、工作电压的影响，输入信号频率 过高或者过低都会影响到波形整形电路、分频电路的输出的精度和稳定性，那么频率计数 也将产生一定的误差，直接影响到频率计的测频精度，目前绝大部分频率计没有考虑到测 频的动态参数补偿，这样就导致频率计对高频和低频信号的测量的精确度不一样。要实现 常规的周期信号的频率测量，首先需要整形电路将非矩形波的信号源（比如三角波、锯齿 波、正弦波等)变换成矩形脉冲，一般的集成芯片，比如555定时器、74LS14构成的整形电路 对于低频信号的整形完全胜任，但是往往难以适应高频信号的整形，对于MHZ级别的频率整 形效果很差，因波形严重畸变得不到标准的矩形波，从而影响后续的频率测量的精度。中国 专利CN103472300A介绍了一种简易技术频率计，包括由集成电路⑶4017组成的逻辑电路、 555定时器组成的时基电路、CD40110集成电路和数码管，该测频方案全部由硬件实现，无需 微处理器进行软件控制，成本较低，但是因为没有波形整形电路，对于非矩形波（比如正弦 波、三角波等）的频率没法测量。中国专利CN103499738A中提到的频率计中均包括整形电 路、分频电路、微处理器等模块，但是该方案测频范围仅为0HZ-9999HZ，频带很窄，稳定性和 精度也难以保障。
[0005] 为实现高精度频率测量，往往需要高速的处理器提供高精度的定时器作为时基信 号和高精度的计数器来对脉冲进行计数，但是相应的处理器成本和功耗往往也比较高，而 且对于高频信号如果没有合适的分频电路还是难以测量，中国专利CN102749508A介绍了频 率测量装置和方法，装置包括中央处理单元以及和中央处理单元连接的滤波电路和定时 器;滤波电路用于将正弦波电信号转换为正弦波电信号同周期的方波电信号；定时器用于 记录方波电信号翻转的发生时刻；中央处理单元用于接收滤波电路输出的方波电信号，读 取定时器记录的发生时刻并确定方波电信号的翻转周期，根据翻转周期确定正弦波电信号 的频率，但是该系统因为没有分频电路，因此无法对高频信号进行测量。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种能实现高精度宽 频域频率测量，并且结构简单、操作方便、成本低廉、易于扩展、稳定可靠的频率测量系统及 频率测量方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
[0008] -种高精度宽频域频率测量系统，其包括有:一波形整形电路，其输入端连接于信 号源，所述波形整形电路用于将信号源输出的波形信号整形变换为矩形波信号；一闸门控 制模块，其输入端连接于波形整形电路的输出端，所述闸门控制模块用于执行控制指令而 控制所述矩形波信号的通/断；一分频器，其输入端连接于闸门控制模块的输出端，所述分 频器用于将所述矩形波信号进行分频处理后输出脉冲信号；一微控制器，分别连接于分频 器的输出端以及闸门控制模块的控制端，所述微控制器用于向闸门控制模块发送控制指 令，对分频器输出的脉冲信号计数并换算出信号频率数据，以及根据测频修正参数对信号 频率数据进行校准;一上位机，其连接于微控制器，用于向微控制器发送测频修正参数，以 及接收由微控制器上传的校准后的信号频率数据。
[0009] 优选地，所述波形整形电路包括有第一反相器、第二反相器、电位器和分压电阻， 所述电位器的前端用于连接信号源，所述电位器的滑动端连接于第一反相器的输入端，所 述第二反相器的输入端连接于第一反相器的输出端，所述分压电阻连接于第一反相器的输 入端与第二反相器的输出端之间，所述第二反相器的输出端用于输出矩形波信号。
[0010] 优选地，所述闸门控制模块包括有第一与非门，所述第一与非门的一个输入端与 第二反相器的输出端相连接，所述第一与非门的另一输入端用于接收微控制器发出的控制 指令，且当所述控制指令为1时将所述矩形波信号接通，当所述控制指令为0时将所述矩形 波信号断开。
[0011]优选地，所述第一反相器、第二反相器和第一与非门集成于一个型号为74HC00N的 芯片之内，所述第一反相器由一个将输入端短接的与非门构成，所述第二反相器由另一个 将输入端短接的与非门构成。
[0012] 优选地，所述分频器由8位二进制加法器构成。
[0013] 优选地，所述微控制器由STC89S52单片机及其外围电路构成。
[0014]优选地，所述上位机与微控制器之间通过电平转换模块连接，所述电平转换模块 是由MAX232芯片及其外围电路构成的串口通信电路。
[0015]优选地，还包括有电源模块，所述电源模块用于对波形整形电路、闸门控制模块、 分频器和微控制器供电。
[0016] -种高精度宽频域频率测量方法，基于频率测量系统实现，该频率测量系统包括 有波形整形电路、闸门控制模块、分频器和微控制器，该频率测量方法包括如下步骤:步骤 S1，系统初始化，波形整形电路将信号源输出的波形信号整形变换为矩形波信号，闸门控制 模块处于关闭状态;步骤S2,微控制器判断是否产生定时器中断，若是则执行步骤S3,若否 则重复该步骤S2;步骤S3，所述微控制器向闸门控制模块发送控制指令，以令闸门控制模块 将所述矩形波信号传输至分频器;步骤S4，所述分频器将矩形波信号进行分频处理后输出 脉冲信号至微控制器;步骤S5，所述微控制器对分频器输出的脉冲信号计数;步骤S6，定时 器到达预设定时时间，关闭定时器和闸门控制模块，所述微控制器根据脉冲信号个数和定 时时间换算出信号频率数据;步骤S7,所述微控制器根据上位机提供的测频修正参数对信 号频率数据进行频率校准，将校准后的信号频率数据上传至上位机。
[0017]优选地，所述步骤S1中，系统初始化包括定时器初始化和串口初始化;所述步骤S6 中，定时器的定时时间为1S。
[0018] 本发明公开的高精度宽频域频率测量系统中，利用波形整形电路将非矩形波变换 为矩形波，利用闸门控制模块控制送往分频器的矩形波的输入通断，利用分频器将整形后 的矩形波进行分频和计数累加，通过微控制器对分频器输出的脉冲信号进行计数、处理、输 出测量结果，之后微控制器将频率测量结果发往上位机显示，以便于远程数据共享，同时上 位机可以根据信号频率的高低自动的将相应的测频修正参数发往微控制器进行动态测频 校准。基于上述特性，本发明不仅保证了不同频率范围的测量准确性，而且该系统结构简 单、操作方便、成本低廉，特别在不同应用场景下，本发明更易于扩展应用、稳定可靠。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明频率测量系统的组成框图；
[0020] 图2为本发明频率测量系统的局部电路图；
[0021 ]图3为本发明频率测量方法的主程序流程图；
[0022]图4为频率校准和频率计算过程的流程图；
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
[0024] 本发明公开了一种高精度宽频域频率测量系统，如图1所示，其包括有：
[0025] -波形整形电路1，其输入端连接于信号源8,所述波形整形电路1用于将信号源8 输出的波形信号整形变换为矩形波信号；
[0026] -闸门控制模块2,其输入端连接于波形整形电路2的输出端，所述闸门控制模块2 用于执行控制指令而控制所述矩形波信号的通/断；
[0027] -分频器3,其输入端连接于闸门控制模块2的输出端，所述分频器3用于将所述矩 形波信号进行分频处理后输出脉冲信号；
[0028] -微控制器4,分别连接于分频器3的输出端以及闸门控制模块2的控制端，所述微 控制器4用于向闸门控制模块2发送控制指令，对分频器3输出的脉冲信号计数并换算出信 号频率数据，以及根据测频修正参数对信号频率数据进行校准；
[0029] 一上位机5,其连接于微控制器4,用于向微控制器4发送测频修正参数，以及接收 由微控制器4上传的校准后的信号频率数据。
[0030] 上述频率测量系统中，利用波形整形电路将非矩形波(三角波、正弦波、锯齿波等） 变换为矩形波，利用闸门控制模块控制送往分频器的矩形波的输入通断，利用分频器将整 形后的矩形波进行分频和计数累加，通过微控制器对分频器输出的脉冲信号进行计数、处 理、输出测量结果，之后微控制器将频率测量结果发往上位机显示，以便于远程数据共享， 同时上位机可以根据信号频率的高低自动的将相应的测频修正参数发往微控制器进行动 态测频校准。基于上述特性，本发明不仅保证了不同频率范围的测量准确性，而且该系统结 构简单、操作方便、成本低廉，特别在不同应用场景下，本发明更易于扩展应用、稳定可靠。
[0031] 关于具体电路结构，结合图1和图2所示，所述波形整形电路1包括有第一反相器 RAA、第二反相器RBA、电位器R1和分压电阻R2,所述电位器R1的前端用于连接信号源8,所述 电位器R1的滑动端连接于第一反相器RAA的输入端，所述第二反相器RBA的输入端连接于第 一反相器RAA的输出端，所述分压电阻R2连接于第一反相器RAA的输入端与第二反相器RBA 的输出端之间，所述第二反相器RBA的输出端用于输出矩形波信号。
[0032] 进一步地，所述闸门控制模块2包括有第一与非门RCA，所述第一与非门RCA的一个 输入端与第二反相器RBA的输出端相连接，所述第一与非门RCA的另一输入端GATE用于接收 微控制器4发出的控制指令，且当所述控制指令为1时将所述矩形波信号接通，当所述控制 指令为〇时将所述矩形波信号断开。
[0033] 为了节省元件数量，所述第一反相器RAA、第二反相器RBA和第一与非门RCA集成于 一个型号为74HC00N的芯片之内，所述第一反相器RAA由一个将输入端短接的与非门构成， 所述第二反相器RBA由另一个将输入端短接的与非门构成。
[0034] 本实施例中，采用施密特触发器来构成波形整形电路，该波形整形电路可以将边 沿变化缓慢的非脉冲矩形波整形成边沿很陡的脉冲矩形波，从而实现波形的整形，请参照 图2,本实施例将与非门74HC00N两个输入端连接起来构成反相器，然后将两级反相器串接 起来，同时通过分压电阻R2将输出端的电压反馈到输入端，就构成了同向施密特触发器，两 个反相器是CMOS电路，他们的阈值电压Vth = l/2Vdd，其中Vdd为74HC00N的工作电压，由于 两级反相器接成了正反馈电路，所以当Signal-in(信号源）电压从0V逐渐上升到A点电压Va 等于Vth时，会产生一个正反馈过程，使B点（信号输出端）电压Vb迅速转换为Vb = Vdd。同样， 当Va从高电平Vdd逐渐下降并使得A点电压Va等于反相器的阈值电压Vth，此时也会有一个 正反馈的过程，使得Vb迅速转变为0。以上两个过程中，输入端分别对应着两个阈值电压:正 向阈值电压Vth+，反向阈值电压Vth-，二者的值是不同的。Vth+=l+Rl/R2Vth，Vth- = l-Rl/ R2Vth，所以正反阈值电压可以通过滑动变阻器R1调节。此处应当注意的是，电位器R1的阻 值必须小于分压电阻R2的阻值，否则电路将会引起自锁状态，施密特触发器不能正常工作。 经过上述原理分析，Signal-in(信号源）的非矩形信号经过波形整形电路处理后变换成了 矩形波信号，由B点输出。
[0035]本实施例中，采用与非门74HC00N作为闸门控制模块，微控制器的T2定时器作为控 制门开关的时基信号，GATE端连接到微控制器STC89C52,当定时器开始定时的时候，令GATE 置1，也就是打开闸门，让B点信号能够进入到分频器的脉冲计数输入端，当IS定时时间到之 后，STC89C52又让GATE拉低，然后统计脉冲个数，最后再让GATE置1，重复上述步骤。
[0036] 作为一种优选方式，所述分频器3由8位二进制加法器构成。所述微控制器4由 STC89S52单片机及其外围电路构成。所述上位机5与微控制器4之间通过电平转换模块6连 接，所述电平转换模块6是由MAX232芯片及其外围电路构成的串口通信电路。此外，该系统 还包括有电源模块7,所述电源模块7用于对波形整形电路1、闸门控制模块2、分频器3和微 控制器4供电。
[0037] 本实施例采用8位二进制加法器构成分频器，而8位二进制加法器由两个4位二进 制加法器芯片74HC393构成的。其中，将第一个四位加法器的最高位接到第二个四位加法器 的最低位，然后将两个清零端Clear接起来就构成了8位加法器，该Clear是控制信号，连接 到STC89C52的P1.0，分频器的D0~D7作为数据口，连接到STC89S52的P2 口。本实施例中，采 用STC89S52作为微控制器，该芯片是一款成本比较低的处理器，能够满足系统中的测频要 求，具有8k字节Flash，512字节RAM，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，具有通用异步串 行口。
[0038] 在此基础上，本发明还公开一种高精度宽频域频率测量方法，该方法基于频率测 量系统实现，频率测量系统包括有波形整形电路1、闸门控制模块2、分频器3和微控制器4， 结合图1至图4所示，该频率测量方法包括如下步骤：
[0039] 步骤S1，系统初始化，包括定时器初始化和串口初始化，波形整形电路1将信号源8 输出的波形信号整形变换为矩形波信号，闸门控制模块2处于关闭状态；
[0040] 步骤S2,微控制器判断是否产生定时器中断，若是则执行步骤S3,若否则重复该步 骤S2;
[0041] 步骤S3,所述微控制器4向闸门控制模块2发送控制指令，以令闸门控制模块2将所 述矩形波信号传输至分频器3;
[0042]步骤S4,所述分频器3将矩形波信号进行分频处理后输出脉冲信号至微控制器4;
[0043] 步骤S5，所述微控制器4对分频器3输出的脉冲信号计数；
[0044] 步骤S6,定时器到达预设定时时间，该定时器的定时时间优选为1S，关闭定时器和 闸门控制模块2,所述微控制器4根据脉冲信号个数和定时时间换算出信号频率数据；
[0045]步骤S7,所述微控制器4根据上位机5提供的测频修正参数对信号频率数据进行频 率校准，将校准后的信号频率数据上传至上位机5。
[0046] 上述过程中，频率测量采用直接频率测量法，以STC89C52的T2定时的1秒为闸门开 关的时基信号，T0和P2 口作为脉冲数据输入端，当启动T2定时器时，也启动T0计数器开始计 数脉冲，分频器每接收到256个脉冲就在分频器74HC393芯片中的D7端产生一个进位信号， 然后将进位信号送到微控制器的P3.2口（T0外部脉冲输入端Τ0-ΙΝΤ)，当定时时间到，微控 制器读取T0定时器的值，用NtO表示，则Nt0=(T0H*256+T0L)，其中的T0H、T0L分别为T0的高 8位和低8位的值，P2的值用Np2表示，则1S时间内统计的脉冲个数N=NtO*256+Np2，N就是所 测信号的频率。微控制器在计算完频率后，会将频率测量数据发往上位机，上位机会根据信 号频率的大小范围，将相应的频率测量修正值通过串口发送给微控制器，微控制器会根据 修正值动态的对原始测量结果进行软件的修正，从而保证了无论是高频信号还是低频信 号，测频精度都很高。
[0047] 关于系统主流程，当系统上电后，首先对串口和定时器进行初始化，然后进入主循 环等待定时器T2中断发生，每次进入T2中断处理函数，将会进行定时计数累加以计算定时 间隔时间，当定时时间间隔达到1秒，将调用能够进行测频控制和频率计算的函数，进入函 数体后，首先关闭T0，T2,然后关闭闸门，读取TO和P2口的数值，计算频率，根据上位机的修 正系数对原始测量值进行修正，然后通过串口发到上位机，最后重新打开T0，T2定时器和闸 门，继续测量频率。
[0048]本实施例经过实验测试，取得了良好的测试结果，请参见下表。
[0051] 其中，修正值是通过统计多组测频数组的相对误差而估算的值，而且可以通过在 程序运行的过程中通过上位机调整，直到测频精度达到要求为止，在1ΗΖ-16.7ΜΗΖ宽的频率 测量范围内最小误差接近〇. 〇〇%，最大误差不超过〇. 02%。
[0052] 以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范 围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。
【主权项】
1. 一种高精度宽频域频率测量系统，其特征在于，包括有： 一波形整形电路，其输入端连接于信号源，所述波形整形电路用于将信号源输出的波 形信号整形变换为矩形波信号； 一闸门控制模块，其输入端连接于波形整形电路的输出端，所述闸门控制模块用于执 行控制指令而控制所述矩形波信号的通/断； 一分频器，其输入端连接于闸门控制模块的输出端，所述分频器用于将所述矩形波信 号进行分频处理后输出脉冲信号； 一微控制器，分别连接于分频器的输出端以及闸门控制模块的控制端，所述微控制器 用于向闸门控制模块发送控制指令，对分频器输出的脉冲信号计数并换算出信号频率数 据，以及根据测频修正参数对信号频率数据进行校准； 一上位机，其连接于微控制器，用于向微控制器发送测频修正参数，以及接收由微控制 器上传的校准后的信号频率数据。2. 如权利要求1所述的高精度宽频域频率测量系统，其特征在于，所述波形整形电路包 括有第一反相器、第二反相器、电位器和分压电阻，所述电位器的前端用于连接信号源，所 述电位器的滑动端连接于第一反相器的输入端，所述第二反相器的输入端连接于第一反相 器的输出端，所述分压电阻连接于第一反相器的输入端与第二反相器的输出端之间，所述 第二反相器的输出端用于输出矩形波信号。3. 如权利要求2所述的高精度宽频域频率测量系统，其特征在于，所述闸门控制模块包 括有第一与非门，所述第一与非门的一个输入端与第二反相器的输出端相连接，所述第一 与非门的另一输入端用于接收微控制器发出的控制指令，且当所述控制指令为1时将所述 矩形波信号接通，当所述控制指令为〇时将所述矩形波信号断开。4. 如权利要求3所述的高精度宽频域频率测量系统，其特征在于，所述第一反相器、第 二反相器和第一与非门集成于一个型号为74HC00N的芯片之内，所述第一反相器由一个将 输入端短接的与非门构成，所述第二反相器由另一个将输入端短接的与非门构成。5. 如权利要求3所述的高精度宽频域频率测量系统，其特征在于，所述分频器由8位二 进制加法器构成。6. 如权利要求1所述的高精度宽频域频率测量系统，其特征在于，所述微控制器由 STC89S52单片机及其外围电路构成。7. 如权利要求1所述的高精度宽频域频率测量系统，其特征在于，所述上位机与微控制 器之间通过电平转换模块连接，所述电平转换模块是由MAX232芯片及其外围电路构成的串 口通信电路。8. 如权利要求1所述的高精度宽频域频率测量系统，其特征在于，还包括有电源模块， 所述电源模块用于对波形整形电路、闸门控制模块、分频器和微控制器供电。9. 一种高精度宽频域频率测量方法，其特征在于，基于频率测量系统实现，频率测量系 统包括有波形整形电路、闸门控制模块、分频器和微控制器，该频率测量方法包括如下步 骤： 步骤S1，系统初始化，波形整形电路将信号源输出的波形信号整形变换为矩形波信号， 闸门控制模块处于关闭状态； 步骤S2,微控制器判断是否产生定时器中断，若是则执行步骤S3,若否则重复该步骤 S2； 步骤S3，所述微控制器向闸门控制模块发送控制指令，以令闸门控制模块将所述矩形 波信号传输至分频器； 步骤S4,所述分频器将矩形波信号进行分频处理后输出脉冲信号至微控制器； 步骤S5，所述微控制器对分频器输出的脉冲信号计数； 步骤S6,定时器到达预设定时时间，关闭定时器和闸门控制模块，所述微控制器根据脉 冲信号个数和定时时间换算出信号频率数据； 步骤S7,所述微控制器根据上位机提供的测频修正参数对信号频率数据进行频率校 准，将校准后的信号频率数据上传至上位机。10.如权利要求9所述的高精度宽频域频率测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，系统 初始化包括定时器初始化和串口初始化;所述步骤S6中，定时器的定时时间为1S。
【文档编号】G01R23/10GK106093567SQ201610383554
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月1日 公开号201610383554.3, CN 106093567 A, CN 106093567A, CN 201610383554, CN-A-106093567, CN106093567 A, CN106093567A, CN201610383554, CN201610383554.3
【发明人】宁运琨, 赵国如, 谢高生
【申请人】深圳先进技术研究院