Как правильно померить частоту 1 кГц?, нужен мозговой хелп Опции

[Alexey_N]

Господа, ищутся идеи - как правильно, т.е. быстро и с хорошей точностью, измерить частоту синусоидального сигнала с небольшой частотой. Например 1 кГц. В качестве опоры имеем высокостабильный генератор с частотой, например 10 МГц.
Спасибо.
ЗЫ. Может есть что почитать на эту тему?

[rezident]

Огласите величину "хорошей точности" и насколько сигнал на синус похож?
Самый простой способ (ИМХО) - компаратор и схема захвата у какого-нибудь таймера какого-нибдь микроконтроллера.

[Alexey_N]

Огласите величину "хорошей точности" и насколько сигнал на синус похож?
Самый простой способ (ИМХО) - компаратор и схема захвата у какого-нибудь таймера какого-нибдь микроконтроллера.

1.Хорошая точность в моем понимании выглядит примерно так:
F = 1 000,001 Гц
или так:
F = 1 000,0001 Гц
2. Думается, что сигнал может состоять из чистого синуса с амплитудой = 1В,
плюс шум, с Urms = 100 мВ в полосе, например 10 кГц.
3. Можно ли как-то оценить к чему приведет дребезг срабатывания компаратора?

[TED17]

3. Можно ли как-то оценить к чему приведет дребезг срабатывания компаратора?

"Дребезг" компаратора -1мв- приведет при сигнале 1в к точности 10"3 (если отфильтровать шумы)
Да и просто 10мгц:1кгц=10"4, т.е. 7 порядков никак не едет.

[rezident]

TED17, ИМХО не правильно считаете. Это вы посчитали относительную погрешность. А Alexey_N интересует абсолютная погрешность, насколько я понимаю, так? Абсолютная погрешность будет не хуже 0,5*10^-10.
По п2. Амплитуда синуса стабильная? Интересует мгновенная частота? Т.е. длительность каждого периода синуса или за какое-то время? За какое?

[Alexey_N]

TED17, ИМХО не правильно считаете. Это вы посчитали относительную погрешность. А Alexey_N интересует абсолютная погрешность, насколько я понимаю, так? Абсолютная погрешность будет не хуже 0,5*10^-10.
По п2. Амплитуда синуса стабильная? Интересует мгновенная частота? Т.е. длительность каждого периода синуса или за какое-то время? За какое?

Каким образом была посчитана такая абсолютная погрешность?
Вопрос про амплитуду - интересный, как -то я об этом не подумал, а ведь она действительно может быть нестабильна... Давайте что-ли назначим ей амплитудную модуляцию с частотами в единицы герц и глубиной модуляции - 1%.
Впрочем, ещё более правильно - вообще на это дело забить и выкрутить коэффициент усиления в ограничение! Теперь будет полегче и в плане выделения момента пересечения нуля (точность срабатывания компаратора).

[Lonesome Wolf]

...2. Думается, что сигнал может состоять из чистого синуса с амплитудой = 1В,
плюс шум, с Urms = 100 мВ в полосе, например 10 кГц.
3. Можно ли как-то оценить к чему приведет дребезг срабатывания компаратора?

Т.е. SNR 10 дБ. Думается, что в таких условиях желаемая точность вряд ли может быть достигнута.

[Sasok]

А чем не устраивает TDC-GP1???

А зачем такая точность?

[AlexanderX]

Существуют, как мне известно, два основных метода измерения частоты.

1. Измерение колиства входящих импульсов за единицу времени. Применяется для высоких входных частот.

2. Измерение количества импульсов опорного генератора за время N-периодов входной частоты. Применяется для низких входных частот.

Для вашей задачи больше подходит второй метод который за меньшее время измерения даст большую точность. Еще не маловажный момент - стабильность опорного генератора. Если вы хотите получить измерение с точностью 8 знаков, то Вам придется ставить термостабилизированный (не путать с термостатированным) генератор, а это весьма дорогое удовольствие.

[Mish40]

Огласите величину "хорошей точности" и насколько сигнал на синус похож?
Самый простой способ (ИМХО) - компаратор и схема захвата у какого-нибудь таймера какого-нибдь микроконтроллера.

1.Хорошая точность в моем понимании выглядит примерно так:
F = 1 000,001 Гц
или так:
F = 1 000,0001 Гц
2. Думается, что сигнал может состоять из чистого синуса с амплитудой = 1В,
плюс шум, с Urms = 100 мВ в полосе, например 10 кГц.
3. Можно ли как-то оценить к чему приведет дребезг срабатывания компаратора?

Дребезга компаратора не будет, если сделать компаратору гистерезис. Просто шум приведет к тому, что длительности соседних периодов будут отличаться на некоторую случайную величину. На сколько я понимаю постановку задачи, это и будет основной погрешностью измерения.
Очевидно, что она будет зависеть от параметров шума.
Я бы сперва смоделировал ситуацию (например на Матлабе) чтобы оценить ошибку.
А дальше можно по-простому усреднять, если на это есть время.
Повышение точности равно квадратному корню из числа усреднений.

Ну и опорный генератор, само собой, должен быть стабильным.

[Alexey_N]

А чем не устраивает TDC-GP1???

А зачем такая точность?

Прикольная железочка . Спасибо за наводку, весьма любопытно. Однако меня интересует не столько "железная" реализация вопроса сколько выбор правильного алкогоритма.

2. Измерение количества импульсов опорного генератора за время N-периодов входной частоты. Применяется для низких входных частот.

Для вашей задачи больше подходит второй метод который за меньшее время измерения даст большую точность. Еще не маловажный момент - стабильность опорного генератора. Если вы хотите получить измерение с точностью 8 знаков, то Вам придется ставить термостабилизированный (не путать с термостатированным) генератор, а это весьма дорогое удовольствие.

Да, насчет опорного генератора я в курсе, именно такая цацка и применяется. А как расчитывать точность за N периодов, что-то не соображу, может отоварите формулой?

3. Можно ли как-то оценить к чему приведет дребезг срабатывания компаратора?

Дребезга компаратора не будет, если сделать компаратору гистерезис. Просто шум приведет к тому, что длительности соседних периодов будут отличаться на некоторую случайную величину. На сколько я понимаю постановку задачи, это и будет основной погрешностью измерения.
Очевидно, что она будет зависеть от параметров шума.
Я бы сперва смоделировал ситуацию (например на Матлабе) чтобы оценить ошибку.
А дальше можно по-простому усреднять, если на это есть время.
Повышение точности равно квадратному корню из числа усреднений.

Разумеется гистерезис, разговор о "дребезге" - это естественно разговор о влиянии шума на точность измерения периода. Моделировать это дело конечно можно,... но, блинн, опять моделировать, "радиолюбительство" меня уже доконало . Может всё-таки как-то наловчиться да посчитать? Уж больно простенькие процессы, наверняка уже сто раз в книжках про буратину всё описано... вот только я торможу, да книжек правильных под рукой нет...

[Stanislav]

Существуют, как мне известно, два основных метода измерения частоты.

1. Измерение колиства входящих импульсов за единицу времени. Применяется для высоких входных частот.

2. Измерение количества импульсов опорного генератора за время N-периодов входной частоты. Применяется для низких входных частот.

Для вашей задачи больше подходит второй метод который за меньшее время измерения даст большую точность. Еще не маловажный момент - стабильность опорного генератора. Если вы хотите получить измерение с точностью 8 знаков, то Вам придется ставить термостабилизированный (не путать с термостатированным) генератор, а это весьма дорогое удовольствие.

Добавлю ещё один метод, основанный на самОм определении частоты, о котором частенько забывают. Вот в этой теме его ранее изложил. До сих пор считаю его самым правильным. Флуд просьба игнорировать.
Для измерения частоты НЧ сигнала способ можно существенно упростить. Если интересно - расскажу как.
А чем термостабилизированный генератор отличается от термостатированного?
Может, речь о термокомпенсированном шла? Дык, и ему термостат не помешает...

[LordN]

Вот в этой теме его ранее изложил.

я почти чайник в этой теме, где можно почитать/поглядеть подробности метода, для чайников?

[Stanislav]

Вот в этой теме его ранее изложил.

я почти чайник в этой теме, где можно почитать/поглядеть подробности метода, для чайников?

Подробности - самО определение мгновенной частоты, которая в случае стационарного гармонического колебания совпадает с просто частотой:
dФ/dt = 1/T,
где Ф - фаза, t - время, T - период.
Из этого следует, что сдвиг частот двух генераторов численно равен отношению сдвига их фаз к времени интервала наблюдения. Для простоты представим, что в начальный момент измерения времени фазы генераторов совпадают. Тогда:
delta F = delta Ф / delta t,
где delta F - сдвиг частоты, delta Ф - разность фаз генераторов в конце измерения, delta t - время измерения.
Задача в упомянутой теме была несколько сложнее - там частота была 10 МГц, кроме того, время измерения жёстко лимитировано. Для обеспечения возможности оцифровки сигнала недорогим и точным АЦП (напр., сигма-дельта), я предложил спустить её в "базу", т.е, низкочастотную область, используя в качестве "гетеродина" один из генераторов. Замечательно, что информация о фазовом набеге при таком преобразовании не теряется и не изменяется. Далее всё понятно...
В этом же случае нет нужды в каком-либо частотном преобразовании испытуемого генератора, а частоту опорного можно просто поделить на 10 000 (только большой джиттер делителя при этом нежелателен). В качестве анализатора вполне можно использовать комп, а сигналы просто подать на вход аудиоплаты! Далее, "заграница нам поможет" своей матлабовской аватарой.
От влияния шумов и джиттера генераторов можно избавиться увеличением времени измерения.

ЗЫ. Это всё "на пальцах". При необходимости, могу расписать подробно.

[rest1234]

я видел пример реализации на микроконтроллере устройства для выявления скрытой проводки. Там микроконтроллер отделял волны с частотой сети переменного тока путём подачи усиленных волн на вход таймера-счетчика микроконтроллера.

[_artem_]

2 Станислав

Какова оценка точности метода предложенного вами в другой теме если взять в расчет отклонение передаточной характеристики миксера (преобразователя) от идеальной ?
Этот параметер может серьезно повлиять на точность вычислений.

[Stanislav]

Какова оценка точности метода предложенного вами в другой теме если взять в расчет отклонение передаточной характеристики миксера (преобразователя) от идеальной ?
Этот параметер может серьезно повлиять на точность вычислений.

Простите, можно уточнить, что Вы подразумеваете под отклонением от идеала? Нелинейность?

[_artem_]

Да, когда 2*2 равняется не 4 а 4.001 например .

[Lonesome Wolf]

Пару лет назад мой коллега по моей просьбе - устал я АПЧ в локаторе с магнетронным передатчиком настраивать - решал (и решил) задачу определения частоты с точностью ~ 10 кГц для сигналов с частотами, изменяющимися в диапазоне 280+/-50 МГц за время импульса, т.е. ~150 нс. Метод, по сути напоминал таковой, предлагаемый Stanislav, насколько я знаю - в подробности я не вдавался. Сигнал цифровался напрямую 10 битным АЦП, в квадратуре - для определения знака расстройки. Тактовый сигнал АЦП и был опорным. Сигнал перед подачей на АЦП жестко ограничивался и фильтровался. Стабильность ограничения была весьма высока.

Да, точность ограничивалась, ессно, разрядностью АЦП - все генераторы у меня в системе синтезированы и их частоты стабилизированы OCXO.

Но, повторяюсь, заявленные шумы вряд ли позволят получить требуемые параметры без астрономического усреднения.

Да, существуют возможности весьма точного измерения периода - нониусная и двойная нониусная интерполяция, но они сложны, опять же, шумы...

[_artem_]

Вот описание еше одного метода для относительно быстрого сравнения эталонной и измеряемой частоты :
http://rapidshare.de/files/19222527/Ch19.rar.html
Глава из книги "The measurement instrumentation and sensors handbook".

[=AK=]

2. Измерение количества импульсов опорного генератора за время N-периодов входной частоты.

Действительно, для этой задачи проще всего мерять именно так. Поделить входную частоту (1 кГц), чтобы получить больший интервал для измерения и уменьшить влияние джиттера от входного компаратора. Насколько поделить - зависит от того, насколько "быстро померять" надо, в принципе чем больше коэфф. деления тем лучше. Скажем, если "быстро" - значит не более чем за 100 мс (все равно глазом не успеешь моргнуть), то поделить, соответственно, на 100, при этом теоретический предел разрешения тоже улучшится в 100 раз и составит 1кГц/(100*10МГц)=10^-6, т.е. 1 ppm.

То, что предлагает Станислав, дОлжно применять в серьезных задачах, где выдвигаются жесткие требования к времени измерения при заданной точности. Похожего результата можно добиться применив линии задержки с большим кол-вом отводов, или точные фазовращатели. Например, если на выходе 10 МГц опоры поставить 100 нс линию задержки со 100 отводами через 1 нс, то разрешение измерения можно улучшить до 1 нс (т.е. 1 ppm), измерив всего один период входного сигнала 1кГц.

[Lonesome Wolf]

2. Измерение количества импульсов опорного генератора за время N-периодов входной частоты.

Действительно, для этой задачи проще всего мерять именно так. Поделить входную частоту (1 кГц), чтобы получить больший интервал для измерения и уменьшить влияние джиттера от входного компаратора. Насколько поделить - зависит от того, насколько "быстро померять" надо, в принципе чем больше коэфф. деления тем лучше. Скажем, если "быстро" - значит не более чем за 100 мс (все равно глазом не успеешь моргнуть), то поделить, соответственно, на 100, при этом теоретический предел разрешения тоже улучшится в 100 раз и составит 1кГц/(100*10МГц)=10^-6, т.е. 1 ppm.

Это не так - погрешность надо пересчитывать на исходную частоту - в результате - те же бараны

[_artem_]

Немецкие товариши Роде и Шварц дают точность 0.1 Гц за 20 милисекунд на частоту ЖСМ.
http://www.rohde-schwarz.com/www/appnotes_...le/1MA65_1E.pdf

[=AK=]

2. Измерение количества импульсов опорного генератора за время N-периодов входной частоты.

Действительно, для этой задачи проще всего мерять именно так.

Это не так - погрешность надо пересчитывать на исходную частоту - в результате - те же бараны

Не согласен. Во-первых, речь шла конкретно про разрешение, а не погрешность. Погрешность много от чего еще зависит. Во-вторых, не только разрешение будет лучше в N-раз, но и погрешность при прочих равных тоже уменьшится примерно во столько же раз.

Например, пусть компаратор настолько плохо работает (скажем, амплитуда сигнала мала, шумов много, и пр), что для одного периода он даст дополнительную погрешность в +-10%. Однако за 100 периодов эта дополнительная погрешность уменьшится не менее чем в 50 раз, т.к. в худшем случае (в одну сторону по максимуму) повлияет только на первый и последний период, т.е на 2 периода из 100. Примерно то же самое произойдет и с другими погрешностями.

[_artem_]

А что если оцифровать сигнал 1 кГц с частотой выборок больше 10 - 100 ksps (взятой с опорного генератора 10 МГц), затем интерполировать сигнал в местах перехода через ноль и вычислить период с нужной точностью?

[_artem_]

Чем это могло бы быть лучше простого компаратора?

временем вычисления.

[=AK=]

В смысле, с компатором ничего интерполировать-вычислять не надо, потому он хуже? Типа, куражу нет?

[_artem_]

Кураж тут ни при чем , просто воскресенье - делать нечего .)

[Alexey_N]

http://rapidshare.de/files/19222527/Ch19.rar.html
Глава из книги "The measurement instrumentation and sensors handbook".

Немецкие товариши Роде и Шварц дают точность 0.1 Гц за 20 милисекунд на частоту ЖСМ.
http://www.rohde-schwarz.com/www/appnotes_...le/1MA65_1E.pdf

1. Интересно. А где бы всю книжку целиком скачать?
2. На какой странице?

[Alexey_N]

Добавлю ещё один метод, основанный на самОм определении частоты, о котором частенько забывают. Вот в этой теме его ранее изложил. До сих пор считаю его самым правильным. Флуд просьба игнорировать.
Для измерения частоты НЧ сигнала способ можно существенно упростить. Если интересно - расскажу как.

Да, спасибо за ссылочку, очень поучительно, только вот извечная форумная беда - как всегда всё остановилось на самом интересном месте ! .

[_artem_]

http://rapidshare.de/files/19222527/Ch19.rar.html
Глава из книги "The measurement instrumentation and sensors handbook".

Немецкие товариши Роде и Шварц дают точность 0.1 Гц за 20 милисекунд на частоту ЖСМ.
http://www.rohde-schwarz.com/www/appnotes_...le/1MA65_1E.pdf

1. Интересно. А где бы всю книжку целиком скачать?
2. На какой странице?

Esli nuzno to knizku na dnjax sbrosu .

[_artem_]

Вот ссылки еше на два метода :
http://edaboard.com/viewtopic.php?p=611720#611720

[BVU]

А про принцип частотного и фазового детектирования сосвем забыли??? Stanislav, вам намекает про принцим измерения по опорной частоте и все впустую...

[Alexey_N]

А про принцип частотного и фазового детектирования сосвем забыли??? Stanislav, вам намекает про принцим измерения по опорной частоте и все впустую...

Нет, не впустую. Этот метод несомненно позволит померить с нужной точностью, но... в моем случае это пока выглядит несколько как "из пушки по воробьям". То есть мне пока непонятна существенно более простая вещь - а как рассчитать время, за которое я смог бы измерить 1 кГц с точностью 1 мГц при помощи опоры в 10 МГц? Я же не ставил пока никаких жестких ограничений по времени, меня просто интересовали принципы таких простеньких расчетов (и формулы для них).
Пока что я размышляю над такой тривиальной схемой: в течение примерно 0.1 с подсчитать количество периодов измеряемой частоты и опоры. Если всё сложится удачно (компаратор, выделяющий измеряемый сигнал, идеален) то должно получиться 100 периодов килогерцового сигнала и 1 000 000 - опорного. Далее, на ПК, я с высокой точностью (Real64) делю 1 000 000 на 100 и получаю 10 000.000.... Имею ли я право утверждать, что таким образом я измерил частоту 1 кГц с точностью одна миллионная? Или всё-таки одна десятитысячная? Или (к чему я сейчас более склоняюсь) нечто посередине?
Это - первая заморочка. А вторая - влияние компаратора. Я согласен с =AK=, что чем больше периодов измеряемого сигнала - тем меньше влияние компаратора, это понятно. Но вот как-бы ещё посчитать влияние шума (который неизбежно есть в смеси с сигналом) на точность срабатывания (измерения)?

[_artem_]

Если только будет считать периoды - то нет, с точностью до одного процента za 0.1 seconds.