1 引 言

　　多周期測量法是一種很靈活的頻率測量方法，通過調(diào)整被測信號的周期個數(shù)可以在測量精度和測量時間二者之間做出最佳選擇，對于用普通的測頻法和測周法難以保證測量精度的非等周期信號，如氣壓傳感器的輸出信號，多周期測量法是最佳選擇。另外，通過提高基準(zhǔn)頻率和選用大容量計(jì)數(shù)器等措施還可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測量精度，這種測量方法可用于高精度頻率測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

　　2 信號采集要求

　　在研制基于GPRS的自動氣象站中，氣壓采集系統(tǒng)采用電激勵諧振筒式壓力傳感器。該傳感器輸出為周期C(或頻率f)與氣壓相關(guān)的TTL電平的矩形波信號(下稱原始信號)和一個與環(huán)境溫度呈線性關(guān)系的0～5 V的模擬電壓信號。輸出信號頻率與氣壓P一一對應(yīng)，單值連續(xù)，振動筒諧振頻率的變化反應(yīng)了氣壓的變化。

　　國家氣象局對氣壓遙測的要求，測量范圍為50～110 kPa，采集的分辨率為0.01 kPa，準(zhǔn)確度為±0.03 kPa，采集速率為6次/min(1 min共取6個樣本值，取中間大小的4個值的等權(quán)算術(shù)平均值)。根據(jù)周期C(或頻率f)對氣壓的最低靈敏度來確定周期及頻率測量的分辨率，根據(jù)周期C(或頻率f)對溫度的最高交叉靈敏度決定對溫度電壓的分辨率。通過數(shù)據(jù)分析，欲使氣壓系統(tǒng)分辨率達(dá)0.01 kPa，這就要求周期測量分辨率為0.002 636 2μs，頻率測量的分辨率為0.068 645 Hz，對溫度電壓的分辨率為43 mV。

　　3 測量頻率和周期的基本方法

　　電子計(jì)數(shù)器測量信號頻率和周期的基本原理是門控法，如圖1所示。

　　(1)在測量頻率時，被測信號加在A端，B端加門控信號，其信號寬度TB即是采樣時間，被測信號頻率為：

　　N為閘門時間TB內(nèi)的脈沖數(shù)。測量的最大誤差為：

　　誤差中前項(xiàng)是量化誤差，后部分是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)信號誤差引起。若滿足0.068 645 Hz分辨率的要求，門控信號寬度TB(采樣時間)要超過15 s。按照這種方法，不能達(dá)到國家氣象局規(guī)定的氣壓采集速率6次/min。

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　　(2)測量信號周期時，標(biāo)準(zhǔn)信號加在A端，B端門控信號由被測信號觸發(fā)，其信號寬度TB為被測信號的周期，被測信號周期C為：

　　其中，N為被測時間內(nèi)對周期為τ的標(biāo)準(zhǔn)信號計(jì)數(shù)個數(shù)，測量的最大誤差為：

　　誤差中前項(xiàng)是量化誤差，后部分是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)信號誤差引起的。若滿足0.002 636 2 μs分辨率的要求，時標(biāo)信號的頻率要高于379.33 MHz，實(shí)現(xiàn)難度大，用微控制器直接測量時是不能完成的。

　　4 多周期測周法

　　對信號M分頻后觸發(fā)產(chǎn)生門控信號對時標(biāo)信號計(jì)數(shù)(如圖2所示)。

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　　誤差中前項(xiàng)是量化誤差，后部分是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)信號誤差引起的。從式中可知，被測信號周期擴(kuò)展M倍后，對時標(biāo)信號的頻率要求不很高，電路容易實(shí)現(xiàn)，并能將量化誤差降到單周期測量的1/M;為減小標(biāo)準(zhǔn)信號帶來的誤差，要求時標(biāo)信號具有較高的精度。

　　觸發(fā)誤差的抑制 傳感器輸出的信號為矩形波信號由原始振蕩信號經(jīng)整形得到，信號中疊加的噪聲在整形時會使矩形波信號的觸發(fā)沿提前或滯后。多周期測周時使相鄰周期的觸發(fā)誤差相互抵消。M個周期的累計(jì)觸發(fā)誤差只相當(dāng)于單個周期的觸發(fā)誤差。