等精度频率测量

1、 频率、时间的应用与人们日常生活息息相关，频率、时间的应用与人们日常生活息息相关，而在当代高科技中显得尤为重要。例如而在当代高科技中显得尤为重要。例如,邮电通讯，邮电通讯，大地测量，地震预报，人造卫星、宇宙飞船、航天大地测量，地震预报，人造卫星、宇宙飞船、航天飞机的导航定位控制等都与频率、时间密切相关，飞机的导航定位控制等都与频率、时间密切相关，因此准确测量时间和频率是十分重要的。因此准确测量时间和频率是十分重要的。Tf1第第1章章 数字频率计的设计数字频率计的设计 频率测量的方法频率测量的方法 （1） 谐振法：谐振法： 利用利用LC回路的谐振特性进行测频回路的谐振特性进行测频(如谐振如谐振式

2、波长表可测无源式波长表可测无源LC回路的固有谐振频率）回路的固有谐振频率）, 测频范围为测频范围为0.51500 MHz。 （2） 外差法：外差法： 改变标准信号频率，使它与被测信号混改变标准信号频率，使它与被测信号混合，取其差频，当差频为零时读取频率。这种外差式频率计可合，取其差频，当差频为零时读取频率。这种外差式频率计可测高达测高达3000 MHz的微弱信号的频率，测频精确度为的微弱信号的频率，测频精确度为10-6左右。左右。 （3） 示波法：示波法： 在示波器上根据李沙育图形或信号波形在示波器上根据李沙育图形或信号波形的周期个数进行测频。这种方法的测量频率范围从音频到高频的周期个数进行测

3、频。这种方法的测量频率范围从音频到高频信号皆可。信号皆可。 （4） 电子计数器法：电子计数器法： 直接计数单位时间内被测信号直接计数单位时间内被测信号的脉冲数，然后以数字形式显示频率值。这种方法测量精确度的脉冲数，然后以数字形式显示频率值。这种方法测量精确度高、快速，适合不同频率、不同精确度测频的需要。高、快速，适合不同频率、不同精确度测频的需要。 1. 1 频率测量频率测量 数字频率计是用于测量信号频率的电路。测量信号的频数字频率计是用于测量信号频率的电路。测量信号的频率参数是最常用的测量方法之一。实现频率测量的方法比较率参数是最常用的测量方法之一。实现频率测量的方法比较多，多， 在此我们主

4、要介绍三种常用的方法：在此我们主要介绍三种常用的方法： 时间门限测量法、时间门限测量法、标准频率比较测量法、等精度测量法。标准频率比较测量法、等精度测量法。 1.1.1 时间门限测量法时间门限测量法 (1) 直接频率测量直接频率测量在一定的时间门限在一定的时间门限T内，如果测得输入信号的脉冲数为内，如果测得输入信号的脉冲数为N， 设待测信号的频率为设待测信号的频率为fx，则该信号的频率为，则该信号的频率为 TNfx&T至 计 数 器T计 数 (脉 冲 )信 号门 控 信 号 改变时间T，则可改变测量频率范围。例如，当T=1s, 则fx=N(Hz)；T=1ms，则fx=N(kHz)。此方法的原理

5、框图如图 所示，时序波形图如图所示。 测频原理框图测频原理框图 测频时序波形图测频时序波形图 1） 量化误差量化误差计数脉冲闸门开启时间T脉冲数N9闸门开启时间T脉冲数N8如图所示，虽然闸门开启时间都为如图所示，虽然闸门开启时间都为T，但，但因为闸门开启时刻不一样，计数值一个因为闸门开启时刻不一样，计数值一个为为9，另一个却为，另一个却为8，两个计数值相差，两个计数值相差1。%1001%1001%100 xCNTfNNN量化误差的相对误差为量化误差的相对误差为:不管计数不管计数N是多少，是多少，N的最大值都为的最大值都为1。因此，为了减少最大计数误差对测量精度的影响，因此，为了减少最大计数误差

6、对测量精度的影响，仪器使用中采取的技术措施是：尽量使计数值仪器使用中采取的技术措施是：尽量使计数值N大。使大。使N N 误差相应减少。例如在测频时，误差相应减少。例如在测频时，应尽量选用大的闸门时间；应尽量选用大的闸门时间；2). 2). 标准频率误差标准频率误差标准频率误差在测频时取决于闸门时间的标准频率误差在测频时取决于闸门时间的准确度。由于闸门时间和时标均由晶体振荡器准确度。由于闸门时间和时标均由晶体振荡器多次倍频或分频获得，因此，通用计数器有关多次倍频或分频获得，因此，通用计数器有关功能的标准频率误差就是指通用计数器内（或功能的标准频率误差就是指通用计数器内（或外部接入）的晶体振荡器的

7、准确度外部接入）的晶体振荡器的准确度f f0 0/ /f f0 0。 00001fffTffNNffxgxx通过上述分析，可得频率测量误差表达式如下：通过上述分析，可得频率测量误差表达式如下：%1001%100NNNN当被测信号的频率较低时，采用直接测当被测信号的频率较低时，采用直接测频方法频方法 由量化误差引起的测频误差太大，由量化误差引起的测频误差太大，为提高测低频时的准确度，应先测周期为提高测低频时的准确度，应先测周期Tx，然后计算，然后计算fx=1/Tx。 TX = N T0 / k 以上分析可见，频率计测周期的基本原以上分析可见，频率计测周期的基本原理正理正 好与测频相反，即被测信号

8、用来控制好与测频相反，即被测信号用来控制闸电路的开闸电路的开 通与关闭，标准时基信号作为通与关闭，标准时基信号作为计数脉冲。计数脉冲。 数字频率计测周期的原理框图如图所示。被测数字频率计测周期的原理框图如图所示。被测信号经放大整形电路变成方波，加到门控电路产信号经放大整形电路变成方波，加到门控电路产 生闸门信号，如生闸门信号，如Tx=10ms，则闸门打开的时间，则闸门打开的时间 也为也为10ms，在此期间内，周期为，在此期间内，周期为Ts的标准脉冲的标准脉冲 通过闸门进入计数器计数。若通过闸门进入计数器计数。若TS1uS，则计数，则计数 器计得的脉冲器计得的脉冲N=TX/TS=10000个。若

9、以毫秒个。若以毫秒 (ms)为单位，则显示器上的读数为为单位，则显示器上的读数为10.000。测周误差测周误差包括测周量化误差和触发误差。1) 测周量化误差。测周量化误差为%1001%1001%100 xCxTfNNNTT2). 2). 触发误差触发误差当进行周期等功能的测量时，门控双稳的门控信号由通过当进行周期等功能的测量时，门控双稳的门控信号由通过B B通道的被测信号所控制。当无噪声干扰时，主门开启时间刚通道的被测信号所控制。当无噪声干扰时，主门开启时间刚好等于一个被测信号的周期好等于一个被测信号的周期T Tx x。如果被测信号受到干扰，当信。如果被测信号受到干扰，当信号通过号通过B B通

10、道时，将会使整形电路（施密特触发器）出现超前通道时，将会使整形电路（施密特触发器）出现超前或滞后触发，致使整形后波形的周期与实际被测信号的周期发或滞后触发，致使整形后波形的周期与实际被测信号的周期发生偏离生偏离T Tx x，引起所谓的触发误差（或转换误差）。，引起所谓的触发误差（或转换误差）。 经推导，经推导， 触发误差触发误差Tx/Tx的大小为的大小为 mnxx21UUTT周期测量误差表达式如下周期测量误差表达式如下1011021031041051061071081 Hz1 kHz1 MHz100 MHz被测频率 fx测频量化误差测周量化误差闸门 T0.1 s1 s10 s10 ns0.1

11、s时标1 nsNN(3)中界频率中界频率测频误差及测周测频误差及测周误差与被测信号频率误差与被测信号频率的关系如图示，图中的关系如图示，图中测频和测周两条误差测频和测周两条误差曲线交点所对应的频曲线交点所对应的频率称中界频率率称中界频率f fxmxm。 但是，还存在两个问题：但是，还存在两个问题：、该方法不能直接读出被测信号的频率值或周期值；、该方法不能直接读出被测信号的频率值或周期值；、在中界频率附近，仍不能达到较高的测量精度。、在中界频率附近，仍不能达到较高的测量精度。若采用多周期同步测量方法，便可解决上述问题。若采用多周期同步测量方法，便可解决上述问题。 很显然，当被测信号频率很显然，当

12、被测信号频率fxfxm时，宜采用测频的方法，时，宜采用测频的方法，当被测信号的频率当被测信号的频率fxfxm时，时，宜采用测周的方法。宜采用测周的方法。 1.1.2 标准频率比较测量法标准频率比较测量法 用两组计数器在相同的时间门限内同时计数，测用两组计数器在相同的时间门限内同时计数，测得待测信号的脉冲个数为得待测信号的脉冲个数为N1、已知的标准频率信号的、已知的标准频率信号的脉冲个数为脉冲个数为N2，设待测信号的频率为，设待测信号的频率为fx, 已知的标准已知的标准频率信号的频率为频率信号的频率为f0；由于测量时间相同，则可得到；由于测量时间相同，则可得到如下等式：如下等式： 021fNfN

13、x从上式可得出待测信号的频率公式为从上式可得出待测信号的频率公式为 021fNNfx 标准频率比较测量法对测量时产生的时间门限的精度标准频率比较测量法对测量时产生的时间门限的精度要求不高，对标准频率信号的频率准确度和频率的稳定度要求不高，对标准频率信号的频率准确度和频率的稳定度要求较高，标准信号的频率越高，测量的精度就比较高。要求较高，标准信号的频率越高，测量的精度就比较高。该方法的测量时间误差与时间门限测量法的相同，可能的该方法的测量时间误差与时间门限测量法的相同，可能的最大误差为正负一个待测信号周期，即最大误差为正负一个待测信号周期，即t=1/fx。测量时。测量时可能产生的误差时序波形如图

14、可能产生的误差时序波形如图 所示。所示。 一般测量时可能产生的误差时序波形图一般测量时可能产生的误差时序波形图 等精度测量法的机理是在标准频率比较测量法的基础上改等精度测量法的机理是在标准频率比较测量法的基础上改变计数器的计数开始和结束与闸门门限的上升沿和下降沿的严变计数器的计数开始和结束与闸门门限的上升沿和下降沿的严格关系。当闸门门限的上升沿到来时，如果待测量信号的上升格关系。当闸门门限的上升沿到来时，如果待测量信号的上升沿未到时两组计数器也不计数，只有在待测量信号的上升沿到沿未到时两组计数器也不计数，只有在待测量信号的上升沿到来时，两组计数器才开始计数；当闸门门限的下降沿到来时，来时，两组

15、计数器才开始计数；当闸门门限的下降沿到来时，如果待测量信号的一个周期未结束时两组计数器也不停止计数，如果待测量信号的一个周期未结束时两组计数器也不停止计数，只有在待测量信号的一个周期结束时两组计数器才停止计数。只有在待测量信号的一个周期结束时两组计数器才停止计数。这样就克服了待测量信号的这样就克服了待测量信号的脉冲周期不完整脉冲周期不完整的问题，其误差只的问题，其误差只由标准频率信号产生，由标准频率信号产生， 与待测量信号的频率无关。最大误差为与待测量信号的频率无关。最大误差为正负一个标准频率周期，即正负一个标准频率周期，即t=1/f0。由于一般标准信号频率。由于一般标准信号频率都在几十兆赫兹

16、以上，因此误差小于都在几十兆赫兹以上，因此误差小于 10-6。 1.1.3 等精度测频法等精度测频法等精度测量法的时序波形图等精度测量法的时序波形图 预置闸门时间产生电路产生预置的闸门时间预置闸门时间产生电路产生预置的闸门时间TP，TP经同经同步电路产生与被测信号（步电路产生与被测信号（fx）同步的实际闸门时间）同步的实际闸门时间T。主门主门与主门与主门在时间在时间T内被同时打开，于是计数器内被同时打开，于是计数器和计数器和计数器便分别对被测信号便分别对被测信号 （fx）和时钟信号（）和时钟信号（f0）的周）的周期数进行累计。期数进行累计。在在T内，计数器内，计数器的累计数的累计数NAfxT；

17、计数器；计数器的累计数的累计数NBf0T。再由运算部件计算得出即为被测频率。再由运算部件计算得出即为被测频率。计数器计数器记录了被测信号的周期数，所以通常称事件计数器。由于闸门的记录了被测信号的周期数，所以通常称事件计数器。由于闸门的开和关与被测信号同步，因而实际的闸门时间开和关与被测信号同步，因而实际的闸门时间T已不等于预置的闸门时间已不等于预置的闸门时间TP，且，且大小也不是固定的，为此设置了计数器大小也不是固定的，为此设置了计数器，用以在，用以在T内对标准时钟信号进行计数内对标准时钟信号进行计数来确定实际开门的闸门时间来确定实际开门的闸门时间T的大小，所以计数器的大小，所以计数器通常称为

18、时间计数器。通常称为时间计数器。 由图（b）所示的工作波形图中可以看出，由于D触发器的同步作用，计数器所记录的NA值已不存在1误差的影响。 由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，计数器所记录的NB的值仍存在1误差的影响，但是，由于时钟频率f0很高，1误差的影响很小，且在全频段的测量精度是均衡的, 测量精度已与被测信号的频率无关。 等精度频率计的设计实例等精度频率计的设计实例 该等精度频率计主要由五部分组成：单片机控制部分、该等精度频率计主要由五部分组成：单片机控制部分、通道部分、同步电路部分、计数器部分、键盘与显示部分。通道部分、同步电路部分、计数器部分、键盘与显示部分。 一、一、 等精

19、度频率计的组成等精度频率计的组成 任务： 通过P1口与P3口进行整机测量过程的控制、故障的自动检测以及测量结果的处理与显示等。 P1.0作预置闸门时间控制线；P1.1作同步门控制电路的复位信号线；18031单片机及其接口部分单片机及其接口部分P1.2作查询实际闸门时间的状态线；P1.3作计数器复位信号线；P1.4P1.7用做控制仪器键盘灯；P3.0，P3.1作为通道部分的控制线。8031单片机内部的两个16位定时计数器作两个主计数器的一部分，并通过T0，T1分别与外部的事件计数器和时间计数器的进位端相接。外部的事件计数器和时间计数器的测量结果分别通过扩展输入口与P口相连。8155作为8031的

20、扩展I0口，用来与键盘和显示电路接口，其内部的14位计数器被用来作为本机预置闸门时间的定时器，定时器的输入信号取自8031的ALE端，定时器的输出与8031的INT 1 端相接，作为中断申请信号。 主要由放大、整形和一个十分频的预分频电路组成。本机设计测频范围为20Hz100MHz，当被测频率大于10MHz时，需先经预分频电路分频后再送入计数器电路。 2通道部分通道部分由主门、及同步控制电路组成。主门控制被测信号fx的通过，主门控制时钟信号fO的通过，两门的启闭都由同步控制电路控制。 3同步电路同步电路 计数器包括事件计数器和时间计数器两组完全相同的计数电路，分别由前后两级组成。前级电路由高速

21、的TTL计数器74LS393构成八位二进制计数器，电路如图7-26示，计数前由P1.3发计数器清零信号，计数后通过4LS244缓冲器将测量结果读入内存；后级由8031单片机内的定时/计数定数器构成。4计数器电路计数器电路 键盘与显示部分的电路如图所示，这是一个较为典型的采用8155并行口组成的键盘显示电路。七位LED显示采用了动态显示软件译码工作方式。段码由8155的PB口提供，位选码由PA口提供。键盘共设置了4个按键，采用逐列扫描查询工作方式，其列输出由PA口提供，列输入由PC口提供。由于键盘与显示做成一个接口电路，因此软件中合并考虑键盘查询与动态显示。为了使显示器的动态扫描不出现断续，键盘

22、防抖的延时子程序用显示子程序替代。5键盘与显示部分键盘与显示部分1测量准备测量准备P1.3发出复位信号，使计数器清零；同时P1.1也发复位信号，使同步D触发器的Q 端为低电平，则主门和主门关闭。这时P1.0的初状态为“1”，使D触发器的D端为高电平。同步门可靠关闭。2测量开始测量开始P1.0从高电平跳到低电平，使D触发器的D端为“0”，这时被测信号一旦到达CK端，触发器Q立即由“0”“1”，同步门被打开，被测信号和时间信号分别进入相应的计数器进行计数。的P1.0从高电平跳到低电平的同时，也启动了计时系统开始计量闸门时间。3测量结束测量结束 当预定的测量时间(1s或0.1s)结束时，INT1 端

23、便测到时间信号，此时令P1.0从低电平恢复到高电平，随后紧跟而来的被测信号再次触发D触发器，使之翻转，Q 端由高电平转为低电平，使同步门关闭，计数器停止计数。4数据处理数据处理当查询到P1.2的状态为低电平时，单片机就进行读数、运算、数据处理等工作，并将结果输出显示。然后又重复上述过程进行下一次测量。 二、二、 等精度频率计的测量过程等精度频率计的测量过程三、等精度频率计软件系统三、等精度频率计软件系统测量原理参测量原理参见见7.1.2节的分析节的分析 预置信号和被测信号的同步是由预置信号和被测信号的同步是由D D触发器完成的。被触发器完成的。被测信号从测信号从D D触发器的触发器的CPCP脉

24、冲端输入，预置信号由单片脉冲端输入，预置信号由单片机产生，从机产生，从D D触发器触发器D D端输入。端输入。 在在D D触发器的输出触发器的输出Q Q便得到与输入信号同步的闸门信便得到与输入信号同步的闸门信号，闸门信号再输入单片机号，闸门信号再输入单片机INT0INT0和和INT1INT1端，用于控端，用于控制单片机的计数制单片机的计数T0T0、T1T1的计数。标准信号和被测信的计数。标准信号和被测信号分别输入计数器号分别输入计数器T0T0和和T1T1计数。计数。双计数器多周期同步法频率测量的单片机实双计数器多周期同步法频率测量的单片机实现电路结构图现电路结构图2.1.2 时间间隔的数字测量时间间隔的数字测量时间间隔的测量方案和周期测量的基本相同，所不同的仅是此处的门控电路不再采用计数触发方式，而是要求根据测量时间间隔，给出起始计数和终止计数两个触发信号。 若时间间隔即门控信号的宽度(闸门时间)为tx，选用时标周期为Tc(图中Tc=1s，10s，