一种针对频率时变正弦信号的快速频率测量方法技术

一种针对频率时变正弦信号的快速频率测量方法，将正弦信号变为方波；令T′xi为获取的方波信号第i个上升沿时刻，则第1个上升沿时刻为T′x1，第N个上升沿时刻为T′xN,令第1个上升沿沿时刻至第N个上升沿时刻之间的时间长度为：T′x(1,N)＝(N‑1)T±△T′x(1,N)，利用待测方波信号对标准高频信号fs进行计数，设T′x(1,N)时间段内对fs的计数个数为M′x(1,N)。本方法进行频率测量时，在待测频率每一个上升沿，均可得到待测频率的测量值。即为fx。普通频率测量方法是在下一次频率测量时，从第N+1个上升沿时刻开始，直到第N+N个上升沿时刻结束，所以其频率测量的速度为fx/N‑1。本发明专利技术用于对快速变化的正弦信号进行高精度频率测量，原理简单，与传统的频率测量方法相比，能反映外部待测频率的变化，测量速度快，具有很强的实用价值。

A Fast Frequency Measurement Method for Time-varying Frequency Sinusoidal Signals

A fast frequency measurement method for sinusoidal signals with time-varying frequencies is proposed, which converts sinusoidal signals into square waves. If T'xi is the first rising edge time of the acquired square wave signals, then the first rising edge time is T'x1 and the N rising edge time is T'xN, which makes the time length between the first rising edge time and the N rising edge time. For: T'x(1,N)=(N_1)T+T'x(1,N), the standard high frequency signal FS is counted by using the square wave signal to be measured, and the number of FS counted in T'x(1,N) period is M'x(1,N). When frequency measurement is carried out by this method, the measured value of frequency can be obtained at each rising edge of the frequency to be measured. That is FX. The common frequency measurement method starts at the time of the N+1 rising edge and ends at the time of the N+N rising edge in the next frequency measurement, so the speed of frequency measurement is fx/N_1. The invention is used for high precision frequency measurement of fast changing sinusoidal signals. The principle is simple. Compared with the traditional frequency measurement method, the invention can reflect the change of external frequency to be measured, and the measurement speed is fast. It has strong practical value.

【技术实现步骤摘要】
一种针对频率时变正弦信号的快速频率测量方法
本专利技术属于信号测量与计量领域，具体是一种针对频率时变正弦信号的快速频率测量方法。
技术介绍
正弦信号的频率测量在重大的科学实验、与钟和振荡器相关的消费类产品中均有广泛应用，是测量与计量领域的一个重要组成部分，长期以来，针对频率时变信号的高精度实时测频是进行频率测量领域的难题。正弦信号的频率测量方法有很多。最常规的方法是利用比较器将正弦信号变为方波信号，然后利用如比相法、量化延时法、多周期同步测频以及量化延时与多周期同步测频综合法等方法进行测量，其测量相对精度可优于1×10-15，这些测量方法均是针对时不变频率信号进行的测频，在测量过程中频率的大小是固定的，因此可用足够长的时间对其进行测量，常用的测量时间从0.1S-1S范围内，针对快速变化的频率信号，在整个时间轴上，这些测量方法仅仅能体现全局平均频率，而不能体现局部频率的变化情况。对实际工程应用而言，如用于特殊领域(如探潜领域)的自激振荡式光泵磁力仪快速测频，需要在1秒内进行1000次频率测量，也就是将频率测量的时间缩短到1mS，若用常规的手段进行频率测量，则很难达到较高的精度。对此，为了解决人们在工程应用或科学研究中对快速频率变化信号的频率测量与计量精度的要求，急需一种快速的、实现简单的、测量精度高的快速正弦信号频率测量方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于：实际工程应用领域中，需要对快速频率变化信号的正弦进行高精度频率测量，针对现有测量方法问题，提供一种快速的、实现简单的、测量精度高的频率测量方法。本专利技术采取的技术方案为：一种针对频率时变正弦信号的快速频率测量方法，包括以下步骤：步骤1、将正弦信号变为方波：利用迟滞比较器将频率为fx的正弦信号变为TTL方波信号，由于信号s(t)中存在噪声n(t)，导致待测信号通过比较器后的方波信号周期为：T’i＝T±△Tii＝1,2,…,N其中：T’i为含有噪声信号第i个周期的实际时间长度，T为信号s(t)的周期，△Ti为由噪声n(t)引起的第i个周期时间偏差。步骤2、令T’xi为获取的方波信号第i个上升沿时刻，则第1个上升沿时刻为T’x1，第N个上升沿时刻为T’xN,令第1个上升沿沿时刻至第N个上升沿时刻之间的时间长度为：T’x(1,N)＝(N-1)T±△T’x(1,N)，其中，△T’x(1,N)为噪声引起的第一个上升沿时刻时间偏差△T’x1与第N个上升沿时刻时间偏差△T’xN代数和，其表达式为：△T’x(1,N)＝△T’x1+△T’xN。步骤3、利用待测方波信号对标准高频信号fs进行计数，设T’x(1,N)时间段内对fs的计数个数为M’x(1,N)，其表达式如下：M’x(1,N)＝(N-1)M±△Mx(1,N)其中：M’x(1,N)为信号T’x(1,N)时间段内对fs的计数个数，M为待测信号一个周期时间T内对fs的计数个数，△Mx(1,N)为时间偏差△T’x(1,N)的计数个数，利用计数个数M’x(1,N)乘以标准信号fs的周期Ts，得到待测信号相应的测量公式为：T’x(1,N)＝M’x(1,N)×Ts＝((N-1)M±△Mx(1,N))×Ts由此可得第N个上升沿时刻(简称N时刻)待测频率值f’xN，其表达式为：并可得到这段时间对频率测量相对误差为：考虑到(N-1)M＞＞△Mx(1,N)，相对误差可近似为：步骤4、记第2个上升沿时刻为T’x2，第N+1个上升沿时刻为T’x(N+1)，重复步骤2和步骤3，即：令第2个上升沿沿时刻至第N+1个上升沿时刻之间的时间长度为：T’x(2,N+1)＝(N+1-2)T±△T’x(2,N+1)＝(N-1)T±△T’x(2,N+1)其中，△T’x(2,N+1)为噪声引起的第二个上升沿时刻时间偏差△T’x2与第N+1个上升沿时刻时间偏差△T’x(N+1)代数和，其表达式为：△T’x(2,N+1)＝△T’x2+△T’x(N+1)令M’x(2,N+1)为T’x(2,N+1)时间段内对fs的计数个数，其表达式如下：M’x(2,N+1)＝(N-1)M±△Mx(2,N+1)；其中：M为待测信号一个周期时间T内对fs的计数个数，△Mx(2,N+1)为时间偏差△T’x(2,N+1)的计数个数，利用计数个数M’x(2,N+1)乘以标准信号fs的周期Ts，得到待测信号相应的测量公式为：T’x(2,N+1)＝M’x(2,N+1)×Ts＝((N-1)M±△Mx(2,N+1))×Ts由此得到第N+1个上升沿时刻(简称N+1时刻)待测频率值f’x(N+1)，其表达式为：并得到这段时间对频率测量相对误差为：考虑到(N-1)M>>△Mx(2,N+1)，相对误差可近似为：由前面推导可知，在N时刻可得到待测频率值f’xN，N+1时刻可得到待测频率值f’x(N+1)，即利用本方法进行频率测量时，在待测频率每一个上升沿，均可得到待测频率的测量值，即频率测量的速度与待测频率是一致的，即为fx。普通频率测量方法是在步骤3之后，在下一次频率测量时，从第N+1个上升沿时刻开始，直到第N+N个上升沿时刻结束，所以其频率测量的速度为fx/N-1。本专利技术一种针对频率时变正弦信号的快速频率测量方法，技术效果如下：1、在同样的测量条件下，利用本方法的频率测量速度比传统方法快N-1倍。2、本专利技术用于对快速变化的正弦信号进行高精度频率测量，原理简单，与传统的频率测量方法相比，能反映外部待测频率的变化，测量速度快，具有很强的实用价值。附图说明图1是本专利技术测量过程示意图。图2是本专利技术中心频率为100kHz的正弦信号fx的波形示意图。图3是本专利技术频率测量速度与传统测量速度对比图。具体实施方式一种针对频率时变正弦信号的快速频率测量方法，包括以下步骤：步骤1、将正弦信号变为方波：利用迟滞比较器将频率为fx的正弦信号变为TTL方波信号，由于信号s(t)中存在噪声n(t)，导致待测信号通过比较器后的方波信号周期为：T’i＝T±△Tii＝1,2,…,N其中：T’i为含有噪声信号第i个周期的实际时间长度，T为信号s(t)的周期，△Ti为由噪声n(t)引起的第i个周期时间偏差。步骤2、令T’xi为获取的方波信号第i个上升沿时刻，则第1个上升沿时刻为T’x1，第N个上升沿时刻为T’xN,令第1个上升沿沿时刻至第N个上升沿时刻之间的时间长度为：T’x(1,N)＝(N-1)T±△T’x(1,N)，其中，△T’x(1,N)为噪声引起的第一个上升沿时刻时间偏差△T’x1与第N个上升沿时刻时间偏差△T’xN代数和，其表达式为：△T’x(1,N)＝△T’x1+△T’xN。步骤3、利用待测方波信号对标准高频信号fs进行计数，设T’x(1,N)时间段内对fs的计数个数为M’x(1,N)，其表达式如下：M’x(1,N)＝(N-1)M±△Mx(1,N)其中：M’x(1,N)为信号T’x(1,N)时间段内对fs的计数个数，M为待测信号一个周期时间T内对fs的计数个数，△Mx(1,N)为时间偏差△T’x(1,N)的计数个数，利用计数个数M’x(1,N)乘以标准信号fs的周期Ts，得到待测信号相应的测量公式为：T’x(1,N)＝M’x(1,N)×Ts＝((N-1)M±△Mx(1,N))×Ts由此可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对频率时变正弦信号的快速频率测量方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、将正弦信号变为方波：利用迟滞比较器将频率为fx的正弦信号变为TTL方波信号，由于信号s(t)中存在噪声n(t)，导致待测信号通过比较器后的方波信号周期为：Ti'＝T±△Ti i＝1,2,…,N其中：Ti'为含有噪声信号第i个周期的实际时间长度，T为信号s(t)的周期，△Ti为由噪声n(t)引起的第i个周期时间偏差；步骤2、令Tx'i为获取的方波信号第i个上升沿时刻，则第1个上升沿时刻为Tx'1，第N个上升沿时刻为Tx'N,令第1个上升沿沿时刻至第N个上升沿时刻之间的时间长度为：Tx'(1,N)＝(N‑1)T±△Tx'(1,N)，其中，△Tx'(1,N)为噪声引起的第一个上升沿时刻时间偏差△Tx'1与第N个上升沿时刻时间偏差△Tx'N代数和，其表达式为：△Tx'(1,N)＝△Tx'1+△Tx'N；步骤3、利用待测方波信号对标准高频信号fs进行计数，设Tx'(1,N)时间段内对fs的计数个数为M'x(1,N)，其表达式如下：M'x(1,N)＝(N‑1)M±△Mx(1,N)其中：M'x(1,N)为信号Tx'(1,N)时间段内对fs的计数个数，M为待测信号一个周期时间T内对fs的计数个数，△Mx(1,N)为时间偏差△Tx'(1,N)的计数个数，利用计数个数M'x(1,N)乘以标准信号fs的周期Ts，得到待测信号相应的测量公式为：Tx'(1,N)＝M'x(1,N)×Ts＝((N‑1)M±△Mx(1,N))×Ts由此可得第N个上升沿时刻(简称N时刻)待测频率值fx'N，其表达式为：...

【技术特征摘要】
1.一种针对频率时变正弦信号的快速频率测量方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、将正弦信号变为方波：利用迟滞比较器将频率为fx的正弦信号变为TTL方波信号，由于信号s(t)中存在噪声n(t)，导致待测信号通过比较器后的方波信号周期为：Ti'＝T±△Tii＝1,2,…,N其中：Ti'为含有噪声信号第i个周期的实际时间长度，T为信号s(t)的周期，△Ti为由噪声n(t)引起的第i个周期时间偏差；步骤2、令Tx'i为获取的方波信号第i个上升沿时刻，则第1个上升沿时刻为Tx'1，第N个上升沿时刻为Tx'N,令第1个上升沿沿时刻至第N个上升沿时刻之间的时间长度为：Tx'(1,N)＝(N-1)T±△Tx'(1,N)，其中，△Tx'(1,N)为噪声引起的第一个上升沿时刻时间偏差△Tx'1与第N个上升沿时刻时间偏差△Tx'N代数和，其表达式为：△Tx'(1,N)＝△Tx'1+△Tx'N；步骤3、利用待测方波信号对标准高频信号fs进行计数，设Tx'(1,N)时间段内对fs的计数个数为M'x(1,N)，其表达式如下：M'x(1,N)＝(N-1)M±△Mx(1,N)其中：M'x(1,N)为信号Tx'(1,N)时间段内对fs的计数个数，M为待测信号一个周期时间T内对fs的计数个数，△Mx(1,N)为时间偏差△Tx'(1,N)的计数个数，利用计数个数M'x(1,N)乘以标准信号fs的周期Ts，得到待测信号相应的测量公式为：Tx'(1,N)＝M'x(1,N)×Ts＝((N-1)M±△Mx(1,N))×Ts由此可得第N个上升沿时刻(简称N时刻)待测频率值fx'N，其表达式为：并可得到这段时间对频率测量相对误差为：考虑到(N-1)M＞＞△Mx(1,N)，相对误差可近似为：步骤4、记第2个上升沿时刻为Tx'2，第N+1个上升沿时刻为Tx'(N+1)，重复步骤2和步骤3，即：令第2个上升沿沿时刻至第N+1个上升沿时刻之间的时间长度为：Tx'(2,N+1)＝(N+1-2)T±△Tx'(2,N+1)＝(N-1)T±△Tx'(2,N+1)其中，△Tx'(2,N+1)为噪声引起的第二个上升沿时刻时间偏差△Tx'2与第N+1个上升沿时刻时间偏差△Tx'(N+1)代数和，其表达式为：△Tx'(2,N+1)＝△Tx'2+△Tx'(N+1)令M'x(2,N+1)为Tx'(2,N+1)时间段内对fs的计数个数，其表达式如下：M'x(2,N+1)＝(N-1)M±△Mx(2,N+1)；其中：M为待测信号一个周期时间T内对fs的计数个数，△Mx(...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭超，王家成，李宗燎，乐周美，杨哲，龚晓飞，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42