1 引 言

　　多周期測量法是一種很靈活的頻率測量方法，通過調整被測信號的周期個數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，通過提高基準頻率和選用大容量計數器等措施還可以進一步提高系統的測量精度，這種測量方法可用于高精度頻率測量系統的設計中。

　　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)與氣壓相關的TTL電平的矩形波信號(下稱原始信號)和一個與環境溫度呈線性關系的0～5 V的模擬電壓信號。輸出信號頻率與氣壓P一一對應，單值連續，振動筒諧振頻率的變化反應了氣壓的變化。

　　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個值的等權算術平均值)。根據周期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。通過數據分析，欲使氣壓系統分辨率達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

　　電子計數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內的脈沖數。測量的最大誤差為：

　　誤差中前項是量化誤差，后部分是因為標準信號誤差引起。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，不能達到國家氣象局規定的氣壓采集速率6次/min。

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　　(2)測量信號周期時，標準信號加在A端，B端門控信號由被測信號觸發，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為被測時間內對周期為τ的標準信號計數個數，測量的最大誤差為：

　　誤差中前項是量化誤差，后部分是因為標準信號誤差引起的。若滿足0.002 636 2 μs分辨率的要求，時標信號的頻率要高于379.33 MHz，實現難度大，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分頻后觸發產生門控信號對時標信號計數(如圖2所示)。

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　　誤差中前項是量化誤差，后部分是因為標準信號誤差引起的。從式中可知，被測信號周期擴展M倍后，對時標信號的頻率要求不很高，電路容易實現，并能將量化誤差降到單周期測量的1/M;為減小標準信號帶來的誤差，要求時標信號具有較高的精度。

　　觸發誤差的抑制 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沿提前或滯后。多周期測周時使相鄰周期的觸發誤差相互抵消。M個周期的累計觸發誤差只相當于單個周期的觸發誤差。