可编程定时／计数器作脉冲信号发生器时提高输出频率准确度的方法

【摘　要】　探讨了用可编程定时／计数器作脉冲信号发生器时，输出频率发生误差的特点，介绍了提高输出频率准确度的方法，并给出了实验结果。
    关键词：计数器，脉冲发生器，频率准确度

1　引　言
　　以单片机内置或专用可编程定时／计数器作脉冲发生器时，一般输入脉冲由晶振产生经过整形或分频后形成，有很高的频率准确度和稳定度。设输入脉冲频率为fin，期望输出脉冲频率为f，应置入脉冲发生器的计数值N＝fin／f，当f为fin的约数，则N为整数，f与fin的准确度相同；f不是fin的约数，则N也不为整数，N＝n＋δ，其中，n为N的整数部分，δ为N的纯小数部分，由于计数值只能为整数，实际计数值Np只能取N的近似数n或n＋1，实际输出脉冲频率fp＝fin／Np，因Np取近似值，fp与f间必然存在误差，且此误差分量较之因fin准确度和稳定度有限引起的误差分量可能大得多。f的准确度主要受Np的近似度的影响。本文在不计由fin准确和稳定度影响f准确度的条件下，分析由Np引起f误差的特点，探讨消除或减小因Np引起f误差的方法，从而提高f的准确度。
2　单时钟源时，Np取近似值影响输出频率准确度的分析
   当脉冲发生器输入脉冲为fin时，若最大计数值为nmax，则Np取值可能为1，2，…，nmax有nmax种可能，相应地，fp被离散为fin，fin／2，…，fin／nmax，也有nmax种取值可能，令fin／（nmax＋1）＝0，这些离散频率将0～fin频段分成nmax个子频段，对于任一f∈（0，fin），总对应一n，使f∈（fin／（n＋1），fin／n），Np取n或n＋1近似N，实际上是用fin／n或fin／（n＋1）来近似f。当f为fin的约数时，Np＝N，fp＝f，绝对误差Δf＝fp－f＝0，相对误差γ＝Δf／f＝0；当f不为fin的约数时，Δf≠0，γ≠0，Δf和γ的值与Np的取值方案有关，有以下三种情况：
　 （1）Np＝n方案。fp＝fin／n＞f，Δf＞0，γ＞0，Δf随f的增大而减小，f趋近于fin／（n＋1）时，Δf和γ趋于极大值，Δf趋近于fin／n－fin／（n＋1）＝fin／（n（n＋1）），γ趋于1／n。采用此方案时，f越接近于fin／（n＋1），f的准确性越差（见图1，Δf（f）曲线）。
　 （2）Np＝n＋1方案。fp＝fin／（n＋1）＜f，f＜0，γ＜0，Δf随f的增大而增大，f趋近于fin／n时，｜Δf｜和｜γ｜趋于极大值，Δf趋近于fin／（n＋1）－fin／n＝－fin／（n（n＋1）），γ趋近于－1／n。采用此方案时，f越接近于fin／n，f的准确性越差。（见图2，－Δf（f）曲线）。
   （3）以｜Δf｜为最小原则，f∈（fin／（n＋1），fin／