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[共享贴] 如何实现频率测量

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发表于 2019-8-24 16:50:10 | 显示全部楼层 |阅读模式
USB-6009数据采集卡首发
1. 频率概述
频率是循环或周期事件的重复率。从物理上来讲,在旋转、振动、波等现象中能观察到周期。对模拟或数字波形来说,可以通过信号周期得到频率。周期越小,频率越大,反之亦然。从图1中看到,最上面的一条波形频率最低,最底下的波形频率最高。

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图1.从上至下的波形频率依次增大
频率通常以角频率ω来表示,单位为弧度/秒;或以ƒ表示,单位为秒-1,也称Hz,还可以用每分钟拍数(BPM)或每分钟旋转数(RPM)来表示频率。角频率ω (rad/sec)及ƒ (Hz)之间的关系表达式为:ω =2πƒ。谈到频率往往还会涉及到相位φ,它描述了波形在初始时刻t0相对于指定参考点的偏移量,单位一般为度或弧度。以正弦波的例子,波形表达式以时间为参数,

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,其振幅为A,角频率为ω,相位φ为常数。
实际应用中的周期性模拟信号很复杂的,很难以一个简单的正弦曲线来描述。傅立叶分析法可将任意复杂的波形分解成简单的正弦、余弦或复指数函数之和。信号所包含的频率成份往往是我们所感兴趣的,这种分析方法称为频域分析或谱分析。这类分析方法主要应用在声音、振动等领域,这里就不加以讨论了。
另一方面,数字信号频率的获取相对要简单些。对于如图2 中描述的简单数字信号, 周期就是两个上升沿或下降沿间的时间。
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图2. 数字波形
如果不同的两个上升沿或下降沿间的时间存在偏差,还可以通过大量采样后求平均的方法来得到频率。
2.  如何实现频率测量
数字频率采集过程相当简单。对低频信号来说,采用一个计数器或时基就足够了。输入信号的上升沿触发时基开始计数。因为时基的频率是已知的,输入信号的频率就可以很简单的计算出来(见图3)。

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图3. 数字信号相对于内部时基(单计数器获取低频)
当数字信号的频率很高或是变化的,最好采用以下介绍的两种双计数器法。需要注意的是,两种方法种具有相同的硬件局限性,即所要测量的频率不能超过计数器支持的最大输入频率,但可以超过内置的时基频率。
高频双计数器测量方法
高频信号测量需要两个计数器。一对(两个)计数器产生用户指定周期的脉冲列,测量时间(见图4)远大于待测信号,但又要尽量小,以避免计数器翻转。

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图4.数字信号频率的双计数器法测量法(用于测量高频信号)
内置信号的测量时间为内置时基的整数倍。在一定的时间间隔内测量输入信号的振荡次数,而间隔时间由内置信号提供。将振荡次数除以间隔时间就能够得到输入信号的频率。
大范围双计数器测量法
对于频率变化的信号来说,这一双计数器方法在整个信号范围内提供更高的精度。在这种情况下输入信号被一个已知量除,或称分频。内置时基在分频信号的逻辑高时的振荡次数被记下来(见图5)。这样就能得到逻辑高电平间的时间,为振荡次数乘以内置时基的周期时间。这个值再乘以2 就得到分频信号的周期(高、低电平时间之和),它是输入信号周期的整数倍。把输入信号周期求倒数就能够得到其频率。
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图5.数字信号频率的双计数器法测量(用于大范围测量)
这一方法相当于在大范围测量后求均值来得到信号的变化频率,但这种方法还能测量比时基频率高的输入信号。
频率测量中数字信号与测量设备的连接
带硬件定时器的许多中设备都适合进行计数器测量。这里以NI CompactDAQ系统为例(见图6)。NI CompactDAQ的硬件时基在机箱的背面板上,且并不仅仅是用于NI C系列模块。采用cDAQ-9172机箱,只有5槽和6槽能够连接PFI作为计数器输入,因此必须在NI CompactDAQ 机箱的5槽或6中槽插入一个相关数字输入或数字输入输出(DIO)模块,如NI 9401。

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图6. NI 9401相关DIO C系列模块和CompactDAQ机箱
在测量&自动控制管理器(MAX)中将频率采集配置为计数器任务后,信号所需连接的PFI输入终端将显示出来(见图7)。
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图7. 测量&自动控制管理器 (MAX)配置界面的截屏
测量的可视化:NI LabVIEW
完成系统配置以后,可以在LabVIEW图形化编程环境下看到测量数据(见图8)。

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图8. LabVIEW中看到的频率测量

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