如何實現(xiàn)頻率測量

如何實現(xiàn)頻率測量1.頻率概述頻率是循環(huán)或周期事件的重復率。從物理上來講，在旋轉(zhuǎn)、振動、波等現(xiàn)象中能觀察到周期。對模擬或數(shù)字波形來說，可以通過信號周期得到頻率。周期越小，頻率越大，反之亦然。從圖1中看到，最上面的一條波形頻率最低，最底下的波形頻率最高。圖1.從上至下的波形頻率依次增大頻率通常以角頻率ω來表示，單位為弧度/秒；或以?表示，單位為秒-1，也稱Hz，還可以用每分鐘拍數(shù)(BPM)或每分鐘旋轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)來表示頻率。角頻率ω(rad/sec)及?(Hz)之間的關系表達式為：ω=2π?。談到頻率往往還會涉及到相位φ，它描述了波形在初始時刻t0相對于指定參考點的偏移量，單位一般為度或弧度。以正弦波的例子，波形表達式以時間為參數(shù)，，其振幅為A，角頻率為ω，相位φ為常數(shù)。實際應用中的周期性模擬信號很復雜的，很難以一個簡單的正弦曲線來描述。傅立葉分析法可將任意復雜的波形分解成簡單的正弦、余弦或復指數(shù)函數(shù)之和。信號所包含的頻率成份往往是我們所感興趣的，這種分析方法稱為頻域分析或譜分析。這類分析方法主要應用在聲音、振動等領域，這里就不加以討論了。另一方面，數(shù)字信號頻率的獲取相對要簡單些。對于如圖2中描述的簡單數(shù)字信號，周期就是兩個上升沿或下降沿間的時間。圖2.數(shù)字波形如果不同的兩個上升沿或下降沿間的時間存在偏差，還可以通過大量采樣后求平均的方法來得到頻率。2.如何實現(xiàn)頻率測量數(shù)字頻率采集過程相當簡單。對低頻信號來說，采用一個計數(shù)器或時基就足夠了。輸入信號的上升沿觸發(fā)時基開始計數(shù)。因為時基的頻率是已知的，輸入信號的頻率就可以很簡單的計算出來（見圖3）。圖3.數(shù)字信號相對于內(nèi)部時基（單計數(shù)器獲取低頻）當數(shù)字信號的頻率很高或是變化的，最好采用以下介紹的兩種雙計數(shù)器法。需要注意的是，兩種方法種具有相同的硬件局限性，即所要測量的頻率不能超過計數(shù)器支持的最大輸入頻率，但可以超過內(nèi)置的時基頻率。高頻雙計數(shù)器測量方法高頻信號測量需要兩個計數(shù)器。一對（兩個）計數(shù)器產(chǎn)生用戶指定周期的脈沖列，測量時間（見圖4）遠大于待測信號，但又要盡量小，以避免計數(shù)器翻轉(zhuǎn)。圖4.數(shù)字信號頻率的雙計數(shù)器法測量法（用于測量高頻信號）內(nèi)置信號的測量時間為內(nèi)置時基的整數(shù)倍。在一定的時間間隔內(nèi)測量輸入信號的振蕩次數(shù)，而間隔時間由內(nèi)置信號提供。將振蕩次數(shù)除以間隔時間就能夠得到輸入信號的頻率。大范圍雙計數(shù)器測量法對于頻率變化的信號來說，這一雙計數(shù)器方法在整個信號范圍內(nèi)提供更高的精度。在這種情況下輸入信號被一個已知量除，或稱分頻。內(nèi)置時基在分頻信號的邏輯高時的振蕩次數(shù)被記下來（見圖5）。這樣就能得到邏輯高電平間的時間，為振蕩次數(shù)乘以內(nèi)置時基的周期時間。這個值再乘以2就得到分頻信號的周期（高、低電平時間之和），它是輸入信號周期的整數(shù)倍。把輸入信號周期求倒數(shù)就能夠得到其頻率。圖5.數(shù)字信號頻率的雙計數(shù)器法測量（用于大范圍測量）這一方法相當于在大范圍測量后求均值來得到信號的變化頻率，但這種方法還能測量比時基頻率高的輸入信號。頻率測量中數(shù)字信號與測量設備的連接帶硬件定時器的許多中設備都適合進行計數(shù)器測量。這里以NICompactDAQ系統(tǒng)為例（見圖6）。NICompactDAQ的硬件時基在機箱的背面板上，且并不僅僅是用于NIC系列模塊。采用cDAQ-9172機箱，只有5槽和6槽能夠連接PFI作為計數(shù)器輸入，因此必須在NICompactDAQ機箱的5槽或6中槽插入一個相關數(shù)字輸入或數(shù)字輸入輸出(DIO)模塊，如NI9401。圖6.

NI9401相關DIOC系列模塊和CompactDAQ機箱在測量&自動控制管理器(MAX)中將頻率采集配置為計數(shù)器任務后，信號所需連接的PFI輸入終端將顯示出來（見圖7）。圖7.

測量&自動控制管理器(MAX