基于多周期测量频率的方法以及应用

　　1 引 言

　　多周期测量法是一种非常灵活的频率测量方法，通过调整被测信号的周期个数可以在测量精度和测量时间二者之间做出最佳的选择，对于用普通的测频法(在频率、速度等脉冲类测量过程中，在指定的时间内，计量脉冲个数，让脉冲个数与指定的时间比较来测定频率、速度。这样的采样方式就是定时采样。这种方法其实是测量单位时间的脉冲个数。这种测量脉冲的方法又叫做测频法)和测周法(在频率、速度等脉冲类测量过程中，采集指定的脉冲个数，与过程时间比较来测定频率、速度。这样的采样方式就是定数采样或定脉冲采样。这种方法其实是测量单个脉冲的周期或指定个数脉冲的总周期。这种测量脉冲的方法又叫做测周法)难以保证测量精度的非等周期信号，如气压 传感器的输出信号，而多周期测量法则是最佳选择。另外，通过提高基准频率和选用大容量计数器等措施 还可以进一步提高系统的测量精度，这种测量方法可用于高精度频率测量系统的设计中。

　　2 信号采集要求

　　在研制基于GPRS的自动气象站中，气压采集系统采用电激励谐振筒式压力传感器。该传感器输出为周期C(或频率f)与气压相关的TTL电平(TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL(晶体管-晶体管逻辑电平)信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术)的矩形波信号(下称原始信号)和一个与环境温度呈线 性关系的0～5V的模拟电压信号。输出信号频率与气压P一一对应，单值连续，振动筒谐振频率的变化反应了气压的变化。

　　国家气象局对气压遥测的要求，测量范围为50～110kPa，采集的分辨率为0.01kPa，准确度为±0.03kPa，采集速率为6次/min(1min共取6个样本值，取中间大小的4个值的等权算术平均值)。根据周期C(或频率f)对气压的最低灵敏度来确定周期及频率测量的分辨率，根据周期C(或频率f)对温度的最高交叉灵敏度决定对温度电压的分辨率。通过数据分析，欲使气压系统分辨率达0.01kPa，这就要求周期测量分辨率为0.002 6362μs，频率测量的分辨率为0.068 645Hz，对温度电压的分辨率为43mV。

　　3 测量频率和周期的基本方法

　　电子计数器测量信号频率和周期的基本原理是门控法，如图1所示。

　　(1)在测量频率时，被测信号加在A端，B端加门控信号，其信号宽度TB即是采样时间，被测信号频率为 ：

　　N为闸门时间TB内的脉冲数。

　　误差中前项是量化误差，后部分则是因为标准信号误差引起。若满足0.068 645Hz分辨率的要求，门控信号宽度TB(采样时间)要超过15s。按照这种方法，不能达到国家气象局规定的气压采集速率6次/min。