一种频率测量装置及测量方法与流程

1.本技术涉及电子测量的领域，尤其是涉及一种频率测量装置及测量方法。


背景技术：

2.一般的，频率计作为一种频率测量装置，其能够专门对被测信号频率进行测量。随着科技水平的日益发展，频率计所能测量的信号频率的精度有限。对于一些应用环境，频率计所能测得的精度已经不能满足需求。


技术实现要素：

3.为了提高频率测量的精度，本技术提供了一种频率测量装置及测量方法。
4.第一方面，本技术提供一种频率测量装置，采用如下的技术方案：一种频率测量装置，包括信号输入端、预分频器、扩幅电路、处理单元和混频单元；所述信号输入端，用以接入待测信号，所述待测信号的频率包括粗测值和偏差值；所述预分频器连接所述信号输入端，用于对所述待测信号进行分频，以输出粗测信号；所述处理单元连接所述预分频器，用于处理所述粗测信号，以计算并输出所述粗测值；所述混频单元分别连接所述信号输入端和所述处理单元，用于将所述待测信号与频率为粗测值的本振信号进行混频，以输出混频输出信号；所述扩幅电路还连接所述混频单元，用于对所述混频输出信号进行扩幅，以输出偏差信号；所述处理单元还用于处理所述偏差信号，以计算所述偏差值，并输出待测信号的频率。
5.通过采用上述技术方案，将待测信号分为粗测值与偏差值之和，然后处理单元能够计算并输出粗测值，在将待测信号与本振信号混频后，混频单元输出混频输出信号。同样的，处理单元能够计算偏差值，同时将粗测值与偏差值进行叠加即可得到待测信号的频率。其中，粗测值是直接测量待测信号所得的频率，精度有限，当将本振信号与待测信号混频后，能够得到频率为待测信号与粗测值之差的信号，经过测量能够得到偏差值，进而提高了频率测量的精度。
6.可选的，所述处理单元包括整形电路和单片机；所述整形电路分别连接所述预分频器和扩幅电路，用于对所述粗测信号和所述偏差信号的波形进行整形；所述单片机连接所述整形电路，用于根据整形后的粗测信号计算粗测值，并用于根据整形后的混频输出信号计算偏差值，以输出所述待测信号的频率。
7.通过采用上述技术方案，整形电路能够对粗测信号和偏差信号的波形进行整形，以得到方波信号，使得单片机便于计算粗测值和偏差值。
8.可选的，所述混频单元包括直接数字式频率合成器、混频器和滤波电路；所述直接数字式频率合成器连接所述单片机，以输出所述本振信号；所述混频器分别连接所述信号输入端和所述直接数字式频率合成器，用于将待测信号与本振信号混频，以输出混频输出信号；所述滤波电路连接所述混频器，用于对所述混频输出信号进行滤波；所述扩幅电路连接所述滤波电路，用于对经过滤波后的混频输出信号进行扩幅，以输出偏差信号。
9.通过采用上述技术方案，经混频器混频后，混频输出信号中包含频率为待测信号与粗测值之和的信号以及频率为待测信号与粗测值之差的信号，其中滤波电路能够去除混频信号中的高频信号，进而输出混频输出信号中用于测得偏差值的部分。
10.可选的，所述直接数字式频率合成器和所述混频器集成于一体。
11.通过采用上述技术方案，能够节约成本，具有较高的可靠性。
12.可选的，所述扩幅电路还连接所述信号输入端。
13.通过采用上述技术方案，当待测信号频率较低，需要直接进行扩幅，以测量待测信号的频率。
14.可选的，所述信号输入端还连接有低频输入端和高频输入端，所述高频输入端通过前端分频器与所述信号输入端连接。
15.通过采用上述技术方案，信号输入端能够接收低频信号也可以接收高频信号，其中，前端分频器能够按比例缩小由高频输入端所输入的高频信号。
16.可选的，所述信号输入端通过第一信号继电器分别与所述低频输入端和前端分频器连接；所述混频器和所述预分频器通过第二信号继电器与所述信号输入端连接；所述预分频器和所述扩幅电路通过第三信号继电器与所述整形电路连接；所述扩幅电路通过第四信号继电器分别与所述信号输入端和滤波电路连接。
17.通过采用上述技术方案，使得本技术中的频率测量装置具有较高的可靠性。
18.可选的，还连接有通信单元。
19.通过采用上述技术方案，便于工作人员远程操作频率测量装置。
20.第二方面，本技术提供一种频率测量方法，采用如下的技术方案：一种频率测量方法，获取粗测值和偏差值；所述粗测值为待测信号经过分频和整形后直接测得的频率；所述偏差值为混频输出信号经滤波和整形后测得的频率；所述混频输出信号为所述待测信号与本振信号混频后得到的信号；根据所述粗测值和偏差值计算所述待测信号的频率。
21.通过采用上述技术方案，在对待测信号的频率进行测量时，首先测量粗测值，再测量偏差值，其中偏差值是待测信号的频率与粗测值的差值，计算粗测值与偏差值的和，即为待测信号的频率，进而能够提高测量的精度。
22.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1.将待测信号分为粗测值与偏差值之和，然后处理单元能够计算并输出粗测值，在将待测信号与本振信号混频后，混频单元输出混频输出信号。同样的，处理单元能够计算偏差值，同时将粗测值与偏差值进行叠加即可得到待测信号的频率。其中，粗测值是直接测量待测信号所得的频率，精度有限，当本振信号与待测信号混频后，能够得到频率为待测信
号与粗测值之差的信号，经过测量能够得到偏差值，进而提高了频率测量的精度；2.信号输入端不仅能够接入低频信号还能够接入高频信号，高频信号通过前端分频器按比例缩小后即可转变为可供频率测量装置测量的信号。
附图说明
23.图1是本技术实施例的频率测量装置的系统示意图。
24.图2是本技术实施例的频率测量方法的流程示意图。
25.附图标记说明：1、信号输入端；2、处理单元；21、整形电路；22、单片机；3、混频单元；31、直接数字式频率合成器；32、混频器；33、滤波电路；4、低频输入端；5、高频输入端；6、前端分频器；7、通信单元；71、预分频器；72、扩幅电路。
具体实施方式
26.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1
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2及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
27.本技术实施例公开一种频率测量装置。参照图1，频率测量装置包括信号输入端1、处理单元2和混频单元3。其中，信号输入端1能够接入待测信号，其频率为粗测值与偏差值叠加而成。处理单元2能够计算并输出粗测值，混频单元3能够将待测信号与频率为粗测值的本振信号混频以经过处理得到偏差信号，使得处理单元2计算得到偏差值，进而能够测得高精度的待测信号的频率。
28.具体的，信号输入端1连接有低频输入端4和高频输入端5，用以接入待测信号。低频输入端4用以接收频率为50hz～100mhz的信号，高频输入端5用以接收高频信号。为了便于测量高频信号的频率，高频输入端5连接有前端分频器6，使得信号输入端1接入的信号频率为50mhz～4ghz。优选的，前端分频器6为n分频器，具体可根据实际需求进行调整。
29.可以理解的是，低频输入端4与高频输入端5均通过第一信号继电器k1与信号输入端1连接。第一信号继电器k1用于接收由低频输入端4接入的信号或由高频输入端5接入且经过前端分频器6分频的信号，以输出待测信号。当然，在前端分频器6与第一信号继电器k1之间还连接有电平转换单元。
30.信号输入端1连接有预分频器71。预分频器71，用于对待测信号进行分频，以按照一定的比例缩小待测信号的频率，输出粗测信号。
31.处理单元2连接预分频器71，用于处理粗测信号，以计算并输出粗测值，其包括整形电路21和单片机22。
32.值得说明的是，为了提升测量的精度，本技术所采用的测量方法如下：设置一个高频的脉冲信号，统计在粗测信号一个周期内脉冲信号的数量，进而根据粗测信号和脉冲信号的周期之比以确定粗测值。在这过程中，脉冲信号的频率越高，待测信号一个周期内脉冲信号的数量越多，则误差越小。
33.其中，由于粗测信号通常都为正弦波，故在测量其频率时，不易判断一个周期的长度。为此，整形电路21能够将粗测信号的波形整形成方波信号。
34.单片机22连接整形电路21，用于根据整形后的粗测信号计算并输出粗测值。上述
提及的高频脉冲信号即为单片机22的主频率。可以了解的是，预提高测量的精度，不仅可以提高单片机22的主频率，还可以在单片机22中内插计时器。本技术中单片机22优选为stm32f103。
35.只是测量出待测信号的粗测值，精度还达不到所需求的精度。还需计算偏差值。
36.具体来说，混频单元3分别连接信号输入端1和处理单元2，用于将待测信号与本振信号混频，以输出混频输出信号。
37.其中，混频单元3包括直接数字式频率合成器31、混频器32和滤波电路33。
38.直接数字式频率合成器31连接单片机22，用于输出本振信号。
39.混频器32分别连接信号输入端1和直接数字式频率合成器31，用于将待测信号与本振信号混频，以输出混频输出信号。值得说明的是，一般的，一个频率为ω1的信号与频率为ω2的信号混频，则其输出的信号是频率为ω1 ω2的信号以及频率为|ω1‑
ω2|的信号。其中，频率为|ω1‑
ω2|的信号即是频率为偏差值的信号。显而易见的，ω1 ω2>|ω1‑
ω2|，故需要通过低通滤波器将频率为ω1 ω2的信号去除，以得到混频输出信号中频率为|ω1‑
ω2|的部分。在本技术实施例中，混频器32优选为无源混频器，以降低混频时对混频信号的干扰。当然，在一些具体的示例中，直接数字式频率合成器31和混频器32可以集成于一体，具有更高的可靠性。
40.因此，滤波电路33连接混频器32，接收混频输出信号，用于对混频信号进行滤波，以输出混频输出信号中频率为|ω1‑
ω2|的部分。
41.其中，预分频器71与混频器32均通过第二信号继电器k2与信号输入端1连接。
42.滤波电路33连接有扩幅电路72。扩幅电路72接收混频输出信号，用于对混频输出信号进行扩幅，以输出偏差信号，便于处理单元2计算偏差值。
43.同样的，整形电路21还用于对偏差信号进行整形，以将偏差信号的波形整形成方波信号。单片机22也用于根据整形后的偏差信号计算偏差值。这里测量偏差值的方法与上述测量粗测值的方法相同，故不再作过多说明。
44.不仅如此，预分频器71与整形电路21以及扩幅电路72与整形电路21都通过第三信号继电器k3连接。
45.至此，本技术的频率测量装置能够基本实现对待测信号的高精度测量。不过，需要注意的是，一些频率较低的信号是无法进行混频的，即无法通过上述测量方式进行测量的。为此，扩幅电路72连接信号输入端1，以对这些频率较低的信号直接进行测量。其中，扩幅电路72通过第四信号继电器k4分别与信号输入端1和滤波电路33连接。
46.不仅如此，频率测量装置还包括通信单元7，以便于工作人员远程操作。
47.本技术实施例还公开一种频率测量方法。参照图2，频率测量方法包括如下步骤：步骤s101：获取粗测值和偏差值；所述粗测值为待测信号经过分频和整形后直接测得的频率；所述偏差值为混频输出信号经滤波和整形后测得的频率；所述混频输出信号为所述待测信号与本振信号混频后得到的信号；步骤s102：根据所述粗测值和偏差值计算所述待测信号的频率。
48.其中，获取粗测值与偏差值的具体方法为：以测量待测信号的粗测值为例，假设待测信号的周期为t1，粗测值为f1，单片机22的主频率为f2，其周期为t2。
49.首先从待测信号中以边沿作为起始点取一周期。而后，统计在待测信号一周期内由单片机22提供的脉冲信号的周期数n，具体可以脉冲信号中的上升沿的数量对周期数进行统计，当然，统计下降沿的数量也可以。进而可以得到：t1＝n
·
t2。由于频率和周期互为倒数，即故有n
·
f1＝f2。即当单片机22统计出待测信号一周期内由单片机22提供的脉冲信号的周期数n后，即可得到粗测值f1。
50.需要注意的是，为了保证计算的准确度，在计算粗测值和偏差值时应将单片机22内信号传递的时延考虑进去。
51.除此之外，本技术的频率探测装置在使用之前，还需要对其内部晶振进行校准。在下面结合一个具体的示例对其使用过程进行说明：假设待测信号的频率为f
x
，其粗测值为f1，偏差值为f2，单片机22的主频值为f0。
52.其中，求得粗测值f1的过程为：首先待测信号经过n次分频的预分频器71，得到频率为的粗测信号。而后，统计得到频率为的粗测信号一周期内由单片机22提供的脉冲信号的周期数为n1，即故粗测值其次，经混频和滤波后，偏差值f2＝f
x
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f1。最后，统计得到频率为f2的偏差信号一周期内由单片机22提供的脉冲信号的周期数为n2，即偏差值
53.由于待测信号的频率f
x
＝f1 f2，故值得说明的是，粗测值f1的精度是有限的，但是偏差值f2是由待测信号的频率f
x
与粗测值f1相减所得，故偏差值f2与待测信号的频率f
x
的精度是相同的，进而可以高精度测得待测信号的频率f
x
。
54.本技术实施例一种频率测量装置的实施原理为：将待测信号的频率划分为粗测值和偏差值两部分分别测量。其中首先测得粗测值，而后将待测信号与本振信号混频，以得到频率为待测信号实际频率与粗测值的差值的混频输出信号。其次，计算由混频输出信号经处理所得的偏差信号的频率，得到偏差值。最后，将粗测值与偏差值相加得到待测信号的频率。由于偏差值的精度与待测信号实际频率的精度相同，故经过测量能够得到精度较高的待测信号的频率。
55.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。