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【最新精选】示波器的频率响应及其对上升时间测量精度的影响
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3秒自动关闭窗口频率不同时,相同角差对功率测量的精度影响相同吗?
哟丶校草138
频率不同时,相同角差对功率测量精度影响相同；角差对功率测量精度的影响与频率无关；一般而言,同一传感器在不同频率下,角差是不同的.
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扫描下载二维码超声波流量计换能器的入射角及振荡频率对测量精度的影响
10:49:20& 来源：&
　　【摘要】文中以时差法为例,分析了超声波换能器中超声射线入射角及振荡频率对测量精度的影响,给出了换能器的选择原则。
　　1　引言
　　由于超声波流量计采用非接触测量方式、不受被测流体的物理性质和化学性质的影响,因而受到广泛的重视。超声波流量计一般由超声波换能器和电子电路两部分组成。在当今微电子技术空前发展的时代,设计并制作出高精度的测量电路、利用单片机实现信号的分析处理是非常容易的事情。因此为获得所要求的测量精度,超声波换能器的设计和选择就显得非常重要了。本文拟就时差法超声波流量计换能器的结构和波型转换、谐振频率等问题,结合作者的一些实验体会作些探讨。
　　2　时差法超声波流量计测量原理
　　利用超声波束在流动液体中顺流和逆流传播所用时间不同来测量流量的,如图1所示。F、J为超声波换能器,交替发射和接收超声波。设顺流时超声波传播的时间为t1,逆流时超声波传播的时间为t2,则
　　式中:D为管径;&为超声波射线与管道轴线之间的夹角; u为流体的平均流速; c2为超声波在流体中的传播速度;&为超声波在声导和管壁中的传播时间与电路延迟时间之和。
　　只要测出时差,即可得到流体速度u.
　　3　换能器结构与波形转换问题
　　由图1可见,在第一折射面处,以&为入射角的超声纵波将在管壁产生纵波和横波两种波形。在管壁和流体界面处,两种波形均转换成两束纵波在流体中传播,这两束纵波将在对面管壁转换成两束纵波和两束横波。为提高换能器接收信号的选择性,一般选取入射角&大于第一临界角而小于第二临界角,以保证仅一束超声波被换能器接收。若管道为钢管,换能器用有机玻璃作为声导,一般选取28.7&&&& 60&。在上述讨论中仅考虑了超声波在遇到界面时折射波的方向问题,并未考虑入射波和折射波的声压问题,实际上斜入射时,特别是在产生波形转换的情况下,反射波及折射波声压分配是随入射波型和入射角的变化而改变,同时还与界面两侧的介质性质有关,在两种不同介质分界面处(见图2),
式中:Z1、Z2为介质1、2的声阻抗,Z与介质密度和介质声速有关;&、&为入射角和折射角; pm、p1m、p2m为入射波、反射波、折射波的声压幅值,p1m+pm=p2m.
　　由于B、R与Z有关,其理论计算比较复杂,故多采用实测方法,图3为钢/水界面横波斜入射情况时横波声压反射率与横波入射角的关系曲线。从图3可见当钢中横波入射角&s在30&左右时,声压反射率R值最小,约为15%,由于B+R=1,声压透射率B最大。
　　在&s&40&之后,R基本维持在90%左右。由此可见,欲提高超声波束从管壁到液体的透射率,则应使超声波束在钢管壁内的入射角保持在30&左右,但此时超声波在液体中的折射角&&14&,由图1可得,&=90&-&,结合公式(3)可知,在此情况下&Dt将减小,因此要获得一定的测量精度必须提高电路的测时精度,例如D=25mm的管道,其电路测时精度应在纳秒(ns)级,这对于当代电子技术是可以实现的。应该指出,当入射角在30&左右且管壁较薄时,被管壁反射的两束波(图4中的1、2两束波)间距较小,可能被换能器同时接收,影响测量精度。对壁厚为4mm、直径为25mm的钢管做过实验,所做实验表明,入射角为30&、晶片直径大于30mm的换能器难以实现接收一束波的目的,因此应适当减小换能器晶片尺寸。虽然换能器晶片尺寸减小将导致发射信号的减小,但由于透射率处于最大值,接收信号远大于入射角为45&,大晶片换能器的接收信号(实验表明,入射角为30&,晶片直径为20mm的换能器,其接收信号远大于入射角为45&,晶片直径为30mm换能器的接收信号)。由于入射角为30&的换能器透射率大,能量损失小,因此激励电压可以减小。对于入射角为45&的换能器,由于透射率较小,可采用提高激励电压来提高接收信号强度。
　　4　超声换能器振荡频率的选择
　　超声波流量计的发射换能器,一般采用脉冲方式激励,一旦超声换能器受脉冲激励后,换能器的压电陶瓷将按自身的固有频率振荡并辐射超声波。压电陶瓷的固有频率对于流量测量具有重要影响。一般接收到的超声波为一束波(如图5所示),为提高测时精度,往往选取其顺流发射和逆流发射情况下的某个波的上升沿作为计时截止的关门脉冲(如图5中的&&&位置)。由于超声波为一正弦波,其上升为一缓慢的连续曲线,这样当频率较低时,由于接收电路的误差将造成图5中&&&的位置沿时间轴偏移,导致计时精度降低。为提高计时精度,应选择高频率换能器,但频率太高将增加电路设计的困难。频率一般根据管径来选择,管径较大选择低频换能器,反之选择高频换能器,其频率范围一般为0.5~2MHz.
　　5　结论
　　由文中的分析可知,入射角为30&的换能器,由于透射率较大,能量损失小,激励电压小,适用于不便使用交流电源的手持式超声波流量计。入射角为45&的换能器,其透射率较小,但可增大换能器晶片尺寸,提高激励电压,适用于固定式或可以使用交流电源的便携式。换能器的频率应根据管径来选择,大管径应选则低频,反之选高频。
　　参考文献
　　1　应崇福.超声学.北京:科学出版社,1993.
　　2　同济大学声学研究室.超声工业测量技术.上海:上海人民出版社,1977.
　　3　云庆华.无损探伤.北京:劳动出版社,1983.
　　4　约瑟夫、保曼(美国康创公司).钳式时差超声波流量计990LD检漏系统.油气储运,1995;(2).
　　本文作者：李夏青　左　丽
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STM32实现高精度频率测量
23:36:23　　
关于这篇文章不是很懂，哪位大神给解释一下，主要是实现288M频率测量是如何初始化定时器的，如何扩展成32位计数器的，能附上程序更好。
原文地址：
用STM32触发捕捉实现高速高精度测频黄春平
中山职业技术学院电子信息工程系，中山528404摘要: 介绍利用STM32F103单片机实现高速、高精度测频的原理及方法。利用16位定时器4（TIM4）产生1 s的溢出触发脉冲复位定时器2(TIM2),同时清零前的计数值被捕捉到通道1的捕捉比较寄存器TIM2_CCR1中。为了提高整个程序的效率，可及时响应各个中断，采用了消息驱动的方式，当1 s溢出中断时,投递消息完成对显示器缓冲区的定时刷新。该测频系统最高频率可测到288 MHz，最低可测到4 Hz，性能稳定。
关键词: STM32F103；触发捕捉；高速；高精度；消息驱动
中图分类号: TN98文献标识码: AHigh Speed High Precision Frequency Measurement Based on STM32 Capture Trigger Function
Huang Chunping
Electronic and Information Engineering，Zhongshan Polytechnic, Zhongshan 528404,China
Abstract： The paper uses&&STM32F103 microcontroller to achieve high?speed, high?precision frequency measurement principles and methods. The design adopts 16?bits timer 4(TIM4) to generate 1s overflow trigger pulse to reset timer 2(TIM2), and cleared before the count value are captured to channel 1's capture compare register TIM2_CCR1. In order to improve efficiency of the entire program, timely responding to each interrupt ,and it takes the message?driven way when the 1s overflow&&interrupt, the delivery messages completes timing refresh of the display buffer. The highest frequency of the frequency measurement system can be measured to 288 MHz,&&the minimum can be measured to 4 Hz, and the system has stable performance.
Key words: STM32F103; high- high- message-driven引言
　　STM32F103单片机具有高速数据运算能力、强大的中断处理能力[1]、强大的定时器内部处理结构、极低的功耗，被广泛应用于电子仪器仪表、工业控制、电机控制、通信、信号处理等领域[2]。本文介绍应用STM32F103单片机[3]强大的定时器时基系统、输入触发、输入捕捉，实现高速、高精度测频的原理和方法。
1 测频原理及误差分析
1.1 测频原理
　　测频原理如图1所示。定时器对内部时钟CK_INT进行1 s的上行计数，通过预装载分频器TIM4_PSC将系统主频FREQ_SYSTEM（72 MHz）7200分频变成10 kHz，当前预分频计数器PSC_CNT对CE上升沿进行上行计数，当前预分频计数器PSC_CNT计的数值与预装载分频器TIM4_PSC相等时，通过或门产生对当前预分频计数器的清零信号SR（signal reset），并产生一个上升沿提供给定时器4的主计数器TIM4_CNT的CE（clock reset），定时器4自动重装寄存器TIM4_ARR设置为9999，将10 kHz频率计到（9999+1）次恰好产生1 s的更新中断。主计数器TIM4_CNT对CE上升沿进行上行计数，当计数到自动重装寄存器TIM4_ARR,就产生了更新中断。当更新产生时，会在定时器4的状态寄存器TIM4_SR的更新标志位UIF置1，并通过设置TIM4_CR2将主控模式设置为输出溢出触发脉冲。
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps5F6.tmp.png
图1 测频原理框图
　　被测信号通过定时器2的外部触发引脚，经过4分频后,通过设置定时器2的从模式控制寄存器TIM2_SMCR的ETPS为10可将外部信号实现4分频。设置TIM2_SMCR的ECE使能外部时钟使能位，外部时钟输入为ETRF，设置SMS为100，选中的触发输入TRGI的上升沿(这里是来自1 s的TIM4的触发输出)，TRGO重新初始化计数器，并且产生一个更新寄存器的信号。分频寄存器TIM2_PSC设置为0分频，TIM2_ARR设置16位计数器最大值为0xffff，当外部信号计数到0xffff时，会产生更新中断标志位UIF置1。
　　定时器2对TIM2_SMCR将触发输入TRGI设置为TIM4_TRGO，从控制器模式设置为复位模式/TRGI的上升沿初始化定时器。通过设置定时器2的比较捕捉寄存器1的CC1S为11，将IC1映射在TRC上，当TIM4溢出事件时，会触发定时器2将TIM2_CNT的值锁存到TIM2_CCR1中，并清除所有定时器的计数器。
　　时序图如图2所示，图中小黑点为计数开始有效时刻，可以看到，当CK_INT为上升沿，且TIM2_ETRF即TIM2_CNT的CE为高时，若定时器4产生溢出TIM4_OV，此时会同步清零信号TIM2_TRGI(SR),锁存信号TIM2_TRC(LE)产生一个有效脉冲，把TIM2_CNT锁存到TIM2_CCR1,然后清除TIM2_CNT。
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps607.tmp.png
图2 测频时序图
1.2 误差分析
　　触发捕捉测频法按照频率的定义（即f=N/t）对信号的频率进行测量，其原理如图3所示。图3中，在与门的两个输入端分别输入从TIM2_ETR进来的被测信号，以及持续时间为t（1 s）的有效信号，则上升沿产生复位。这样，只有在时间间隔t内，被测的脉冲信号才能被计数器计到。
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps617.tmp.png
图3 触发捕捉测频法测量信号频率原理图
　　误差分析由f=N/t可得：
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps618.tmp.png
　　考虑到极限情况，相对误差的最大值为：
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps629.tmp.png
式中，Δf/f为测量频率时的相对误差；ΔN/N为计数值的相对误差；Δt/t为时间的相对误差。
　　ΔN/N误差是在测量过程中产生的，定时器4的上升沿开启时刻与计数器脉冲之间的时间关系是不相关的，即它们在时间轴上的相对位置是随机的。读数相差脉冲如图4所示，第一次计数的开闭时刻和被测计数脉冲随机配合的结果使计数器读数为N；第二次计数的开闭时刻和被测计数脉冲配合与第一次不同，结果使计数器为N+1。即两次误差相差一个脉冲，此误差常被称为“±1误差”[4]。
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps639.tmp.png
图4 两次计数器读数相差一个脉冲
　　Δt/t误差产生：时间基准t一般是由石英振荡器提供的标准频率经整形电路、分频电路后产生的。随着微电子技术的发展，整形电路、分频电路和控制器的反应速度所引起的误差已经越来越小，可以认为Δt/t主要取决于晶体振荡器的稳定度，即：
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps63A.tmp.png
式中，f0为晶振频率，G为晶振稳定度。
1.3 误差解决
　　ΔN/N误差即“±1误差”，对测量影响为：
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps64B.tmp.png
　　测量时间t在这里设定为1 s，所以要减小ΔN/N误差，就要增大f的频率即测量频率比较高的信号。而本设计用触发捕捉方法就是为了高速、高精度地测量100 kHz的信号，因此这项误差可以很小，基本忽略。
　　Δt/t误差取决于晶体振荡器的稳定度，而设计的开发板采用无源晶振，为了消除这种误差，根据测试结果，补偿一个双精度常数1?000 055 303 058 259 121 729 431 637 569 6。
2 软件流程
2.1 主程序流程
　　主程序主要完成键盘、LED显示、系统时基、定时器2、定时器4的测频模块的初始化。在主函数死循环中完成取消息任务，判断消息是否分拣处理好：是则继续取新的消息，否则说明消息没处理好，继续投递消息到消息队列的尾部去。图5给出了主程序流程图。
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps65C.tmp.png
图5 主程序流程图
　　由于查询或中断直接处理任务而影响了其他事件的服务。本次设计中引入了消息驱动机制[5]，在STM32单片机软件体系中，使用任务调度的方法。这种方法不仅有清晰的体系层次结构，而且有科学的写作风格，使今后的很多工作易于被升华和升级。通过建立动态连接库[6]，中断源通过消息投递函数PostMessage（）将消息投递到消息队列尾部之后转而去执行其他任务，不会将时间消耗在某一个任务上，中断函数处理迅速。具体的工作则是由主函数中消息循环中的拾取消息函数GetMessage()来获得新的消息，通过分拣函数DispatchMessage()来指向某一个具体的处理函数，再返回处理结果。
2.2 中断服务函数
　　定时器2更新中断和比较中断共用定时器2的中断服务函数，更新中断是定时器2通过外部触发引脚TIM2_ETR对外部被测信号进行计数，当计数到0xffff时（因为定时器2主计数器是16位）发生溢出，产生更新中断。由于定时器2计数器只有16位，测量频率范围太窄，需要扩展成32位计数器。为了扩展计数器，这里设置了一个32位的扩展计数器FreqExtCounter，每当发生更新中断时，FreqExtCounter则加上0x10000。
　　比较中断发生在定时器4输出溢出触发脉冲时，当溢出1 Hz脉冲的上升沿时，比较中断产生，TIM2_CNT的值锁存到TIM2_CCR1。捕捉标志位为1时，当TIM2_CCR1为0xffff且更新中断标志位为1时，则表明发生了更新中断，但未执行更新中断操作，FreqExtCounter没加上0x10000。当执行完TIM2比较中断，再执行更新中断时会加上0x10000，因此这里频率Frequency等于FreqExtCounter。其他情况则是频率Frequency等于FreqExtCounter加上捕捉寄存器TIM2_CCR1的值再加上1。中断程序流程如图6所示。比较中断1 s发生一次，发生时频率Frequency更新一次，更新后将频率送到频率缓冲区，等待主函数通过GetMessage()取得ISR (中断服务程序)发出的消息，送到DispatchMessage()处理。
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps66C.tmp.png
图6 中断程序流程图
　　LED动态扫描通过系统定时器SysTick发生中断时更新，1 ms刷新一次LED显示。
　　上述测频采用了定时器对内部时钟CK_INT计数到1 s， 输出溢出触发复位定时器2， 定时器2对外部信号进行计数，此次对外部频率进行了4分频，而内部时钟为72 MHz。根据采样定理，最大频率可以测到72 MHz×4/2=144 MHz，由于实验室条件所限，只有120 MHz的信号发生器，经过测量可准确无误地显示120 MHz，最低可以测到4 Hz。若设置为最大分频数是8，则最大频率可以测到72 MHz×8/2=288 MHz。
　　本文的创新点：利用了触发捕捉方法测量输入信号的频率，用同一个脉冲捕捉并初始化计数器，可以提高采样速率，减少中断服务函数的执行时间，实现了高速测频。将16位的定时计数器扩展成了32位的定时计数器，这样最大的测频范围可以达到288 MHz。通过对晶振的双精度补偿，能实现测量基本无误差，实现了高精度。用消息驱动的方式，中断服务函数不再去执行消耗大量时间的中断处理函数，而是将中断处理函数地址和参数投递到消息队列，等待用户级函数去获取消息，分拣处理消息，这样做每个中断处理时间缩短了，处理器可以及时地响应多个中断。参考文献
[1] 王选民,黄利君.应用SPCE061A单片机实现高精度测频[J].微计算机信息,2006（11）:103104.
[2] 黄春平,万其明 ,贺贵腾. 直接数字频率合成信号发生器的设计[J].压电与声光,0845.
[3] 黄春平,黄晓林,贺贵腾. 三相共补复合开关的研制[J].山西电子技术,74.
[4] 朱欣华.智能仪器原理与设计[M].北京：中国计量出版社，2002.
[5] 文闻，门爱东，蒋飞. 基于消息驱动的嵌入式数字电视系统研究[J].电视技术,13.
[6] 王恒,王中训,杜思良. 基于ARM9的USB摄像头图像采集压缩及无线传输[J].电视技术,2011,35（3）.
黄春平（硕士），研究方向为智能仪器。
11:09:23　　
288M?&&等待功能实现!!!
13:45:40　　
现在弄好了吗，我也在研究这篇文章，看到消息的话，能否加个QQ:
11:00:05　　
题主是准备用stm32来做信号测量类题目吗？请问哪里有相关资源分享呢？题主这篇文是哪找的呢？我们最近也准备用32来做信号测量的题目，求题主帮忙
16:54:08　　
现在弄好了吗，我也在研究这篇文章，看到消息的话，能否加个QQ:
你研究的怎么样了？交流一下吧‘
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