第卷第期电子测量与仪器学报了第卷新型可编程自适应数字倍频器余佳兵史铁林杨叔子华中理工大学机械科学与工程学院,武汉。。摘要本文介绍了一种新型的数字倍频器,它具有许多不同于已有倍频器的特性。其特性有跟踪时间为一个输入信号周期翰出信号和枪入信号同步倍频系数可由程序进行设置等。由于在这种倍频器中使用了校正补偿电路,使其愉出信号的相对误差与倍频系数无关。文中对新型数字倍频器的设计思路及实现方法作了较详细介绍,解释了有时会丢掉最后一个箱出脉冲的原因,且提出了相应的解决方法。同时,对这一新型数字倍频器进行了相应的实验验证。关镇词数字倍频器累积误差补偿同步一、引言在信号处理领域,为了得到周期信号的准确频谱,要求截取的数据长度应为信号周期的整数倍。这可使用倍频器来实现。倍频器的功能即为在两脉冲之间等间隔地插入一定数量的脉冲,使经过倍频器的信号输出频率为其输入频率的整数倍。实际使用中对其有如下要求快速跟踪输入信号频率的变化具有较高的倍频相位精度在大倍频常数下进行高精度的倍频。在文献〔’〕〔‘〕中已介绍了多种倍频器,但它们都存在一种或几种缺点。一般而言,使用锁相环来实现倍频器存在跟踪速度慢的缺点,而基于数字分割方法来实现倍频,既有输出信号和输入信号不同步的缺点,又有输出不能较大范围地跟踪输入信号问题。本文针对数字式倍频器的固有缺点,提出一种补偿方法,消除了传统数字倍频器实际输出信号频率的相对误差与倍频系数有关的缺点。且利用这种补偿方法设计出一种插卡式新型可编程自适应数字倍频器。与现有的倍频器相比,其特点有跟踪时间相当快,高达一个输入信号周期输出信号频率的相对误差与倍频系数无关,且输出脉冲位置误差不累积可大范围跟踪输入信号的频率变化输出信号和输入信号同步倍频系数可编程,即可由程序进行设置。二、数字倍频器基本原理与补偿方法数字倍频器的基本原理本文于年月收到。余佳兵博士生史铁林教授,博导杨叔子中科院院士,教授,博导。第期新型可编程自适应数字倍频器现有的数字倍频器的基本原理框图如图所示。这种数字式倍频器产生等间隔的输出脉冲。其工作过程为在输入信号关,时钟的上升沿到来时,累加计数器被复位且开始计数主时钟脉冲,直至下一输入信号关,时钟的上升沿到来。设这一周期,内对主时钟的脉冲进行计数值为,再将计数值除以倍频系数后,所得到的整数商作为下一输入周期的分频系数,在下一周期产生个等间隔的输出脉冲。可以看出,误差的引入主要是由于舍去整除后的余数而产生的截尾误差。预置到分频器的值总是小于或等于的实际值,设其余数为。当几一定时,随着倍频系数的增大,减小,而余数的范围却为。至一之间,此时将出现的情况,造成每输入周期的分频数不等于,而为大于的数。考虑到最恶劣情况,设一一即余数为最大值时,输出脉冲频率最大为几一一因此,最大可能的相对误差为‘一一二二几几‘一一在这里“为理想情况下的输出脉冲频率。累加计数器从式可见,相对误差与倍频系数计数到,,,有关当一定时越大相对误差除越大。由于每个输入周期中最多可有个脉冲输出,因此,最大可接收的相对误。,差应小于换句话说余数的最时钟。大值一应小于时,才能保证恰好有个输出脉冲,则有图数字倍频器的基本原理框图一不下尸二不歹,一一下一万、下井气义丫一—气厂、一、可推出一式是保证每转分频数为的必要条件。同时,因关义二全二一不,,代入则有一关,可见,要求一个很高的时钟频率,才能保证输出信号的相对频率误差小于限定值。特别值得注意的是,这种数字倍频器产生的误差在一个输入周期内是累积的。虽然它可在每个输入周期中产生准确的输出脉冲数,但随着时间的推移,输出脉冲的相应位置误差将越来越大。如图所示。电子测量与仪器学报第卷一一一输人周期图数字倍频器的基本原理框图数字倍频器的补偿方法由上可知,数字倍频器输出脉冲频率的误差是由于将除法结果的余数进行截除而引起的。为此,如能在数字倍频器中,引入一校正补偿电路,对余数进行适当补偿,这将大为提高数字倍频器的性能。其基本思路为如果在上一输入脉冲周期得到的商为一,余数为,则下一输入脉冲周期的输出脉冲宽度改为如下序列脉冲序列脉冲脉冲”脉冲脉冲一脉冲脉冲宽度即为个或个主时钟周期宽度。使用这种方法,可以对余数实现全部补偿,其付出的代价是将每个输出脉冲位置的精度限定在一个时钟之内。与无补偿电路的数字倍频相比,输出的脉冲将延至一个时钟周期。这时输出脉冲的频率至多为关几一最大相对误差为‘一‘一几几几‘一同样,可以得到保证每转分频数为的必要条件为,关,式与式相比,校正补偿电路使主时钟频率减小了倍,更使人满意的是由于