基于π网络零相位法实现频率测量与电容测量系统的设计
石英晶体谐振器（以下简称为石英晶体）作为一种性能优良的频率基准和时钟源在电子领域存在广泛应用。石英晶体的中间测试在石英晶体的生产中是处于微调和封装之间的工序，要求对石英晶体的基本电参数做测量，以保证产品最终质量。在石英晶体的中间测试中，需要测量串联谐振频率、串联谐振电阻、负载谐振频率、负载谐振电阻、静电容、动电容、频率牵引灵敏度和DLD等参数。其中，静电容C0主要由石英晶体两端所镀银膜决定，表征了石英晶体的静态特性，与石英晶体的串联谐振频率和负载谐振频率等应用指标紧密关联。根据静电容和其它参数的关系，还可以计算出负载谐振电阻、动电容、频率牵引灵敏度和DLD等参数的值，这在实际测量中是常常采取的方法。静电容的测量是石英晶体中间测试的重要内容。目前，IEC（国际电工委员会）所推荐的石英晶体测量的标准方法是π网络零相位法。在该方法中，未规定测量静电容的标准方法。若采用谐振法、交流电桥法等常用方法来测量静电容，会增加整个测量系统的复杂性，并且对谐振频率的测量产生不利影响。本课题提出了一种基于π网络零相位法的测量石英晶体静电容的新方法，并据此设计制作了实验测量系统。
其中，C0是石英晶体两电极间的电容，称为石英晶体的静电容，C1称为石英晶体的动电容，L1称为石英晶体的动电感，R1表示石英晶体在振动时的损耗，称为串联谐振电阻。当激励信号的频率等于石英晶体的谐振频率时，其等效电参数模型为纯电阻。由于C1、L1的值非常小，当激励信号的频率远离石英晶体的谐振频率时，R1、C1、L1的影响可忽略不计，此时，石英晶体等效成一个值为C0的电容。
网络的阻抗与测试仪表的阻抗相匹配，并衰减来自测试仪器的反射信号。M为待测石英晶体。Va是输入激励信号，Vb是π网络输出信号，它们都是矢量电压信号。当石英晶体处于谐振状态时，其表现为纯电阻特性，此时Va与Vb之间相位差为零，Va的频率即为石英晶体的串联谐振频率。所以，通过改变Va的频率并检测Va与Vb之间相位差能够找到石英晶体的谐振频率。对于π网络中石英晶体的静电容如何测量，IEC并未推荐标准方法。π网络由对称的双π型电阻回路组成，R1、R2和R3构成输入衰减器，R4、R5和R6构成输出衰减器，它们的作用是使
常用的测量电容方法主要有谐振法、交流电桥法和充放电法。谐振法是将电容引入振荡电路中，使得振荡频率成为电容的函数，经过测量该频率值来计算电容值。交流电桥法将电容接入交流电桥中，调整电桥中的可调电阻和可调电容使得电桥平衡，根据平衡时电桥各臂的电阻和电容值计算被测电容值。充放电法使用交流信号源对电容充电，然后将电容接入放电电路中，经过测量电容的放电时间来计算电容值。由于π网络法是经过测量π网络两端的矢量电压来得到石英晶体电参数值，与上述三种方法并不一致，所以如果采用这三种方法测量石英晶体的静电容都要增加额外的测量电路，并且会因此增加π网络电路的杂散项，对测量石英晶体的谐振频率产生不利影响。
利用DDS（直接数字频率合成）信号源作为激励源，其输出交流信号频率远离石英晶体谐振频率，该信号激励接有被测石英晶体的π网络。此时，石英晶体等效于一个值为C0的电容。π网络的输出电压与该电容存在一定的函数关系，由于输入电压和π网络的参数已知，测量输出电压并根据这一函数关系，可以计算出C0值。这种方法与测石英晶体谐振频率的方法很相似，都需要利用DDS输出信号作为激励信号并检测π网络输出的矢量电压。两者不同之处在于测量谐振频率要求检测输入电压和输出电压之间相位差，而测量静电容则要求测量输入电压和输出电压的幅值。因此，对这两个矢量电压信号采用幅相检测的办法能使测量石英晶体的谐振频率和静电容统一起来。
其中，DDS输出两路幅值、频率和相位均相同的信号。一路激励π网络，另一路输入幅相检测模块。本课题要求石英晶体谐振频率的测量范围为0～200MHz。在这一范围内选取30MHz和68MHz两个频率点作为激励信号的设定频率。具体方法是，当石英晶体的谐振频率在30MHz附近时，设定DDS输出信号频率为68MHz，反之，则设为30MHz。激励信号经过π网络后输出电压如式
测试系统硬件由计算机、CPLD芯片、DDS信号源、π网络、幅相检测模块和A/D转换器组成。其中， CPLD、DDS、幅相检测模块和A/D转换器集成在一块PCI扩展板上。作为控制核心的计算机通过PCI接口发出的地址和数据信号由CPLD芯片转换为相应的控制逻辑控制DDS、幅相检测模块和A/D转换器工作。DDS信号源发出设定频率、相位和幅值的信号激励π网络。π网络上带有插座，可插入晶体或电阻、电容等元器件。π网络输出的矢量电压信号Vb接入幅相检测模块。幅相检测模块的输出直流电压输入A/D转换器，转换为数字信号后经CPLD输入计算机。
测试软件采用Visual C＋＋语言编写，实现人机交互界面、测量控制和数据处理的功能。测量控制包括对DDS各通道频率、相位和幅度控制字的设置，以及对A/D转换器内部指令寄存器的写入和转换结果的读取。数据处理部分主要是对已转换为数字量的幅相检测模块的输出直流电压进行计算，由前述关系得出静电容的值。由于在实际测量条件下， 该直流电压与Vb之间并不是严格的对数线性关系，所以要对这一函数关系进行拟合，根据拟合后的关系，可由直流电压值计算出Vb，然后按照前面所列方程，得到静电容C0的值。
以S&A公司的250B作为标准仪器，将采用本方案所测得的C0值与250B的测量结果进行比对，检验测量精度是不是满足工业生产要求。在工业生产里，要求石英晶体静电容的测量范围为1～10pF，测量误差小于0.1pF。实验数据如表1所示：
在π网络零相位法的基础上，采用了“DDS激励、π网络响应、幅相检测计算容抗”的方法测量石英晶体的静电容，并由此设计制作了实验测量系统来实现该方案。该方法把测量石英晶体的静电容和谐振频率统一起来，简化了测量电路。通过实际测量一批晶体和小电容，证明在1～10pF范围内测量误差小于0.1pF，能满足实际要求，可以在此基础上开发实际的石英晶体中间测试系统。
本文作者创新点：采用“DDS激励、π网络响应、幅相检测计算容抗”的方法测量石英晶体的静电容，实现了频率测量与电容测量的统一。
关键字：频率测量引用地址：基于π网络零相位法实现频率测量与电容测量系统的设计
示波器的一个很重要应用就是捕获异常毛刺，通过一系列分析毛刺的特性进行调试工作，其中毛刺出现的频率无疑是很关键的指标，本期我们就来看下ZDS2022示波器是如何利用触发计数器来测量毛刺出现的频率吧。 由触发计数器的帮助信息可知，它是指在特定时间内对触发电平交叉点的计数，并以Hz为单位显示结果。由于任何一台数字示波器都存在死区时间，故这里我们不考虑出现在死区内的异常毛刺。 图1 触发计数器测量 当前输入示波器的信号中混有一些脉宽不等的异常波形，按下【Trigger】键，将触发方式设为普通，触发类型设为脉宽触发，触发源选择通道1，脉宽类型选择小于指定正脉宽，脉宽上限设为206ns，此时屏幕上异常窄脉冲已稳定触发，按下【
分辨率和精度 分辨率定义为计数器区别相近频率的能力，如下图。这与显示位数和输入信号的频率有关。显示位数是越多越好。 但显示位数必须得到精度的支持。如果有其它误差使计数器的测量结果偏离真实频率时，其高位数并无实际意义。也就是说计数器提供的可能是对不正确频率的非常精细的读数。 真实测量精度是随机误差和系统误差的函数。随机误差是分辨率不确定度的来源，它包括量化误差(在闸门时间窗内围绕最终计数的不确定度)，触发误差(如在噪声尖峰上触发)和时基的短期不稳定度。系统误差是测量系统内的偏移，它使读数偏离信号的真实频率。这里包括时基晶体的影响，如老化，以及温度和电网电压变化等等。 下图中比较了两台计数器
引言 随着无线电技术的发展与普及，“频率”慢慢的变成了广大群众所熟悉的物理量。而单片机的出现，更是对包括测频在内的各种测量技术带来了许多重大的飞跃，然而，小体积、价廉、功能强等优势也在电子领域占有很重要的地位。为此．本文给出了一种以单片机为核心的频率测量系统的设计方法。 1、 测频系统的硬件结构 测量频率的方法大体上分为无源测频法、有源测频法及电子计数法三种。无源测频法（又可分为谐振法和电桥法），常用于频率粗测，精度在1％左右。有源比较法可分为拍频法和差频法，前者是利用两个信号线性叠加以产生拍频现象，再通过检验测试零拍现象进行测频，常用于低频测量，误差在零点几Hz；后者则利用两个非线性信号叠加来产生差频现象，然后通过检验测试零差现象进行测
模块电路的设计 /
0 引言 目前，要在实验室中完成对RLC、频率及相位差的测量，实际需要用几个仪表，如RLC表、频率计和相位仪，这给实际使用带来诸多不便。而且现在常用的仪表一般还是传统的模拟式仪表，漂移大，程控性能不好，而有些仪表功能过于单一，不能够满足实际需求。为此，本文考虑到实际的科研实验需要，给出了一种可同时测量RLC、频率及相位差的测量仪的设计方法。 1 系统组成与硬件电路设计 1．1 系统组成 该仪器包括信号产生与接收模块、信号的放大整形滤波处理模块、单片机中央处理器、显示模块LCD12864和外部按键控制模块等几个部分，其系统组成结构框图如图1所示。 本系统以单片机MSP430F149为处理器，大多数都用在整个系
仪的设计 /
一、频率计数器简介 电子工程师经常需要测量频率、时间间隔、相位和对事件计数，精确的测量离不开频率计数器或它的同种类型的产品，如电子计数器和时间间隔分析仪。这些仪器为研发提供高精度和分析能力，为大批量生产提供高效率并为维修提供低成本和便携性。 最早的电子计数器是为了对诸如原子现象之类的事情进行计数而设计出来的。在发明计数器之前，频率的测量都是用频率计(一种精度很低的协调装置)完成。频率计数器是以数字方式对信号参数进行精密测量的首批仪器之一。 衡量频率计数器主要指标是测量范围、测量功能、精度和稳定能力，这些也是决定价格高低的主要是根据。随着电子测试技术的发展，频率计数器日趋成熟。目前，频率计数器已经能轻松测量射频、微波频段信号。除频率测量外，大多
功能介绍 /
1 引言 在现代社会中，电资源成为人类生活当中不可缺少的一部分，而发电机和电动机在电力系统中扮演着很重要的角色。在很多场合，需要对电机组和电网的频率做测量。目前，频率测量的电路系统很多，这里介绍一种数字电路测频：基于FPGA的发电机组的频率测量计。 随着电子技术的持续不断的发展和进步，以EDA为代表的数字电路设计发生很大变化。在设计方法上，已经从 电路设计 硬件搭试 焊接 的传统设计方式到 功能设计 软件模拟 下载调试 的电子自动化设计模式。在这种状况下，以硬件描述语言(Hardware Description Language)和逻辑综合为基础的自顶向下的电子设计方法得到迅速发展。Verilog HDL语言是目前应用最广泛的硬件描述
计的设计 /
现代电子技术 西安石油大学电子工程学院 闫宏亮 0 引 言 对于柴油发电机组而言，调频性能的好坏，是决定整个发电机组电气性能的关键，决定了它的电压特性、带载能力。而传统的模拟频率调节装置要实现复杂的控制规律或扩展更多的功能，就必然造成结构较为复杂，成本提高，可靠性降低的问题。随着微处理器技术和现代控制理论的发展，柴油发电机的频率调节从传统的模拟技术转向数字控制。数字式控制器具有算法灵活、精度高、抗能力强等特点，对数字式控制器的研究已成为柴油发电机领域的热门课题。本文论述的就是柴油发电机数字控制器中频率测量环节的功能实现。 1 测频原理 系统的原理框图如图l所示，柴油发电机的频率可由光电编码器来检测，码盘与机组传动轴连接，能够产生两个频
中的应用 /
1 引言 频率是电力电子系统中1个基本的物理量，其测量问题在工程应用中很重要。通常的测量方案是选用单片机或可编程逻辑器件。然而，在某些特殊场合，工作环境恶劣，要求测量精度高、可靠性强，使用常规的方案难以达到一定的要求，或成本过高。本文提出了一种基于PC104测控计算机的频率测量系统，依据初步测试得到的待测频率大小选用不同的基准频率，测量精度达到0.2%，且实现了同时测量多路信号的频率。 2 总体设计 交变信号的频率是指单位时间内信号周期性变化的次数，即发fx =N/t，可见测量fx须将N或t作为基准，对另一个量做测量 。基本的测量频率方法有两种：一种是测频法，由测量电路给出标准闸门信号t =Tr，
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msp430单片机中增量式pid算法的C实现方法msp430单片机中增量式pid算法的C实现方法
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