1、1 電子計(jì)數(shù)法測量頻率電子計(jì)數(shù)法測量頻率 1.1 電子計(jì)數(shù)法測頻原理電子計(jì)數(shù)法測頻原理1.基本原理基本原理根據(jù)頻率的定義，若某一信號在根據(jù)頻率的定義，若某一信號在T秒時間內(nèi)重復(fù)變化了秒時間內(nèi)重復(fù)變化了N次，則次，則該信號的頻率為：該信號的頻率為： TNfx（4.2） 門電路復(fù)習(xí)：門電路復(fù)習(xí)： 與門與門A A1/01/0B B1 1/ /0 0c c1/01/0同理同理“或或”門、與非、或非門等也有類似功能。門、與非、或非門等也有類似功能。A A0 00 01 11 1B B0 01 10 01 1C C0 00 00 01 1由圖可見：由圖可見：TNTx因此因此TNfx實(shí)現(xiàn)了測頻實(shí)現(xiàn)了測頻原理

2、原理：“定時計(jì)數(shù)定時計(jì)數(shù)”實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)：比較法比較法 圖圖4.3 4.3 測頻的原理測頻的原理與與門門A AB BT T1s1sT TN NT Tx xC C1s1s重點(diǎn)掌握2組成框圖組成框圖 圖圖4.4是計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測頻的框圖。它主要由下列四部分組成。是計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測頻的框圖。它主要由下列四部分組成。t t0 0B BC C0 00 0t tt tT TT Tx xDDE E0 0t tT Tx xN N0 0A At tT Tx x 時基電路時基電路計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)一一 輸入電路輸入電路 分分 頻頻 顯示顯示 晶晶 振振 門門 控控 主主門門控制電路控制電路 A AB BC CD DE E1)時基（時

3、基（T）電路）電路兩個兩個特點(diǎn)特點(diǎn)：(1)標(biāo)準(zhǔn)性標(biāo)準(zhǔn)性 閘門時間準(zhǔn)確度應(yīng)比被測頻率高一數(shù)量級以上，故閘門時間準(zhǔn)確度應(yīng)比被測頻率高一數(shù)量級以上，故通常通常晶振晶振頻率穩(wěn)定度要求達(dá)頻率穩(wěn)定度要求達(dá)10-610-10。（。（恒溫糟恒溫糟）(2)多值性多值性 閘門時間閘門時間T不一定為不一定為1秒，應(yīng)讓用戶根據(jù)測頻精度和秒，應(yīng)讓用戶根據(jù)測頻精度和速度的不同要求自由選擇。例如：速度的不同要求自由選擇。例如： 1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10 ms 0.1s、 1s、 10s 等。等。 門控（雙穩(wěn)）電路：門控（雙穩(wěn)）電路： TT2)輸入電路輸入電路 由放大整形電路和主門電路

4、組成。由放大整形電路和主門電路組成。 被測輸入周期信號（頻率為被測輸入周期信號（頻率為fx，周期為周期為Tx）經(jīng)放大、整形、微分）經(jīng)放大、整形、微分得周期得周期Tx的窄脈沖，送主門的一的窄脈沖，送主門的一個輸入端。個輸入端。 圖圖4.5 4.5 輸入電路工作波形圖輸入電路工作波形圖u us st tt tt tt t0 00 00 00 0A A輸入輸入( (T T0 0或或F Fx x ) )放大放大整形整形微分微分3)計(jì)數(shù)顯示電路計(jì)數(shù)顯示電路 這部分電路的作用，簡單地說，就是這部分電路的作用，簡單地說，就是計(jì)數(shù)被測周期信號重復(fù)的次數(shù)，顯示計(jì)數(shù)被測周期信號重復(fù)的次數(shù)，顯示被測信號的頻率。它一

5、般由計(jì)數(shù)電路、被測信號的頻率。它一般由計(jì)數(shù)電路、邏輯控制電路、譯碼器和顯示器組成。邏輯控制電路、譯碼器和顯示器組成。 4)控制電路控制電路 控制電路的作用是產(chǎn)生各種控制信號，控制電路的作用是產(chǎn)生各種控制信號，去控制各電路單元的工作，使整機(jī)按去控制各電路單元的工作，使整機(jī)按一定的工作程序完成自動測量的任務(wù)。一定的工作程序完成自動測量的任務(wù)。在控制電路的統(tǒng)一指揮下，電子計(jì)數(shù)在控制電路的統(tǒng)一指揮下，電子計(jì)數(shù)器的工作按照器的工作按照“復(fù)零一測量復(fù)零一測量顯示顯示”的的程序自動地進(jìn)行，其工作流程如圖程序自動地進(jìn)行，其工作流程如圖4.6所示。所示。 準(zhǔn)備準(zhǔn)備期期（復(fù)零，等待）（復(fù)零，等待）顯示顯示期期（關(guān)

6、門，停止計(jì)數(shù)）（關(guān)門，停止計(jì)數(shù)）測量測量期期（開門，計(jì)數(shù)）（開門，計(jì)數(shù)）圖圖4.6 4.6 電子計(jì)數(shù)器的工作流程圖電子計(jì)數(shù)器的工作流程圖1.2 誤差分析計(jì)算誤差分析計(jì)算由第二章誤差傳遞公式（由第二章誤差傳遞公式（2.45）jmjjxxfy1可對式（可對式（4.2） TNfx求得求得 TTNNffxx（4.3） 計(jì)數(shù)誤差時基誤差1.量化誤差量化誤差計(jì)數(shù)誤差、計(jì)數(shù)誤差、1誤差誤差在測頻時，在測頻時，主門的開啟時刻與計(jì)數(shù)脈沖之間的時間關(guān)系是不相主門的開啟時刻與計(jì)數(shù)脈沖之間的時間關(guān)系是不相關(guān)的，即是說它們在時間軸上的相對位置是隨機(jī)的。關(guān)的，即是說它們在時間軸上的相對位置是隨機(jī)的。這樣，既這樣，既便在相

7、同的主門開啟時間便在相同的主門開啟時間T，計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)卻不一定相同。，計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)卻不一定相同。可能多可能多1個或少個或少1個的個的1誤差，這是頻率量化時帶來的誤差故誤差，這是頻率量化時帶來的誤差故稱量化誤差，又稱脈沖稱量化誤差，又稱脈沖計(jì)數(shù)誤差或計(jì)數(shù)誤差或1誤差誤差。 TfNNNx11 N N= =1 1 N=f N=fx xT T圖圖4.7 4.7 量化誤差量化誤差3 3 4 46 6 7 75 52 21 18 83 3 4 46 6 7 75 52 21 18 8 T T( (a a) )(1)(1)(2)(2)黑門進(jìn)8個脈沖紅門進(jìn)7個脈沖誤差合成定理誤差合成定理2.閘門時間誤

8、差（時基誤差、標(biāo)準(zhǔn)時間誤差）閘門時間誤差（時基誤差、標(biāo)準(zhǔn)時間誤差） TTNNffxxccfdfTdT 閘門時間不準(zhǔn)，造成主門啟閉時間或長或短，顯然要產(chǎn)生測閘門時間不準(zhǔn)，造成主門啟閉時間或長或短，顯然要產(chǎn)生測 頻誤差。閘門信號頻誤差。閘門信號T是由晶振信號分頻而得。設(shè)晶振頻率為是由晶振信號分頻而得。設(shè)晶振頻率為fc（周期為（周期為Tc），則有），則有 ccfTTf =110-7110-10 石英晶體性能和切割方式石英晶體性能和切割方式-生產(chǎn)廠生產(chǎn)廠 石英振蕩器的輸出石英振蕩器的輸出頻率準(zhǔn)確度決定頻率準(zhǔn)確度決定 溫度的影響溫度的影響-單、雙層恒溫糟單、雙層恒溫糟 振蕩電路的質(zhì)量振蕩電路的質(zhì)量-電路

9、優(yōu)化設(shè)計(jì)電路優(yōu)化設(shè)計(jì) 1.3 結(jié)論結(jié)論1.計(jì)數(shù)器直接測頻的誤差計(jì)數(shù)器直接測頻的誤差主要有兩項(xiàng)主要有兩項(xiàng) 即即1誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差一般總誤差可采用分項(xiàng)差一般總誤差可采用分項(xiàng)誤差絕對值合成，即誤差絕對值合成，即 )1(ccxxxffTfff（4.9） 2.測量低頻時，由于測量低頻時，由于1誤誤差產(chǎn)生的測頻誤差大得驚人差產(chǎn)生的測頻誤差大得驚人例如，例如，fx= 10Hz，T=1s，則由，則由1誤差引起的測頻誤差可達(dá)誤差引起的測頻誤差可達(dá)10，所以，測量低頻時不宜采用直接測頻方法。所以，測量低頻時不宜采用直接測頻方法。2 電子計(jì)數(shù)法測量時間電子計(jì)數(shù)法測量時間本節(jié)介紹時間量的測量主要是指

10、與頻率對應(yīng)的周期、相位及時本節(jié)介紹時間量的測量主要是指與頻率對應(yīng)的周期、相位及時間間隔等時間參數(shù)，重點(diǎn)討論周期的測量。間間隔等時間參數(shù)，重點(diǎn)討論周期的測量。 2.1 電子計(jì)數(shù)法測量周期的原理電子計(jì)數(shù)法測量周期的原理 t t0 0B BC C0 00 0t tt tT Tx xT Tx xDDE E0 0t tT Tc cT Tc cN NT Tx xT Tx x由右圖可得由右圖可得ccxfNNTT輸入電路輸入電路A A 分分 頻頻 門門 控控 主主門門倍倍 頻頻 晶晶 振振 輸入電路輸入電路B B T Tx xu ux xB BC CDDE E2.2 電子計(jì)數(shù)器測量周期的誤差分析電子計(jì)數(shù)器測量

11、周期的誤差分析1.量化誤差和基準(zhǔn)頻率誤差量化誤差和基準(zhǔn)頻率誤差與分析電子計(jì)數(shù)器測頻時的誤差類似，這里與分析電子計(jì)數(shù)器測頻時的誤差類似，這里 cxNTT ，根據(jù)，根據(jù)誤差傳遞公式可得誤差傳遞公式可得 ccxxTTNNTT（4.11） 根據(jù)圖根據(jù)圖4.10所示的測周原理，由式（所示的測周原理，由式（4.10）可得）可得 ,cxcxfTTTN而而N=1 cccxcccxxxfffTTTfTTT11（4.12） 2.觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差測周時，還有一項(xiàng)觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差必須考慮。測周時，還有一項(xiàng)觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差必須考慮。 3 3 中界頻率中界頻率研究研究量化誤差（量化誤差（1誤差）對測頻和測周的影響誤差）對

12、測頻和測周的影響。測頻、測周誤差相等的頻率稱為中界頻率。測頻、測周誤差相等的頻率稱為中界頻率。將兩個將兩個量化誤差表達(dá)式聯(lián)立可得量化誤差表達(dá)式聯(lián)立可得 式中，式中， Mf為中界頻率，為中界頻率， cf為標(biāo)準(zhǔn)頻率，為標(biāo)準(zhǔn)頻率，T為閘門時間。為閘門時間。 MxxfTf1TffcM令令 則則 xxxxTTffcxxfTTf11因因 故故 圖圖4.14中給出了不同閘門時間：中給出了不同閘門時間：0.1s、1s、10s和不同標(biāo)準(zhǔn)頻和不同標(biāo)準(zhǔn)頻率：率：10MHz、100MHz、1000MHz三種情況的交叉曲線。現(xiàn)以三種情況的交叉曲線。現(xiàn)以T=1s， cf=100MHz為例，可查知為例，可查知 Mf=10k

13、Hz。 100MHz100MHz圖圖4.14 4.14 測頻量化誤差與測周量化誤差測頻量化誤差與測周量化誤差1Hz1Hz1KHz1KHz1MHz1MHz1010-8-81010-7-71010-6-61010-5-51010-4-41010-3-31010-2-21010-1-11 110S10ST=1ST=1S0.1S0.1Sf fc c=10MHz=10MHzf fc c=1GHz=1GHzf fc c=100MH=100MHz z測頻的量化誤差測頻的量化誤差測周的量化誤差測周的量化誤差Mff f100MHz100MHz因此，當(dāng)因此，當(dāng) xMff 宜測頻；宜測頻； 當(dāng)當(dāng) xMff，宜測周。

14、，宜測周。 這給使用帶來不便，要查知所用狀態(tài)下的中界頻率，是當(dāng)前這給使用帶來不便，要查知所用狀態(tài)下的中界頻率，是當(dāng)前通用計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)，下面將介紹采用雙路計(jì)數(shù)器的方法，通用計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)，下面將介紹采用雙路計(jì)數(shù)器的方法，對測頻或測周都能實(shí)現(xiàn)等精度測量。對測頻或測周都能實(shí)現(xiàn)等精度測量。4 4 等精度測頻 等精度測頻方法是在直接測頻方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它的閘門時間不是固定的值，而是被測信號周期的整數(shù)倍，即與被測信號同步，因此，避除了對被測信號計(jì)數(shù)所產(chǎn)生1個字誤差，并且達(dá)到了在整個測試頻段的等精度測量。其測頻原理如下圖2.1所示。在測量過程中，有兩個計(jì)數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)信號和被測信號同時計(jì)數(shù)。首先給出閘

15、門開啟信號(預(yù)置閘門上升沿)，此時計(jì)數(shù)器并不開始計(jì)數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時，計(jì)數(shù)器才真正開始計(jì)數(shù)。然后預(yù)置閘門關(guān)閉信號(下降沿)到時，計(jì)數(shù)器并不立即停止計(jì)數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時才結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測量過程。可以看出，實(shí)際閘門時間t與預(yù)置閘門時間t1并不嚴(yán)格相等，但差值不超過被測信號的一個周期1.1.原理原理等精度測頻原理波形圖 等精度測頻的實(shí)現(xiàn)方法可簡化為圖所示。CNT1和CNT2是兩個可控計(jì)數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號從CNT1的時鐘輸入端CLK輸入；經(jīng)整形后的被測信號從CNT2的時鐘輸入端CLK輸入。當(dāng)預(yù)置門控信號為高電平時，經(jīng)整形后的被測信號的上升沿通過D觸發(fā)器的Q端同時啟動

16、CNT1和CNT2。CNT1、CNT2同時對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號和經(jīng)整形后的被測信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，分別為NS與NX。當(dāng)預(yù)置門信號為低電平的時候，后而來的被測信號的上升沿將使兩個計(jì)數(shù)器同時關(guān)閉，所測得的頻率為(FS/NS)*NX。則等精度測量方法測量精度與預(yù)置門寬度的標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測信號的頻率無關(guān)。在預(yù)置門時間和常規(guī)測頻閘門時間相同而被測信號頻率不同的情況下，等精度測量法的測量精度不變。2.2.誤差分析誤差分析設(shè)在一次實(shí)際閘門時間t中計(jì)數(shù)器對被測信號的計(jì)數(shù)值為Nx，對標(biāo)準(zhǔn)信號的計(jì)數(shù)值為Ns。標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率為fs，則被測信號的頻率如式(2-1): fx=(Nx/Ns)fs (2-1)由式1-1可知，若忽略標(biāo)頻fs的誤差，則等精度測頻可能產(chǎn)生的相對誤差如式(2-2): =(|fxe-fx|/fxe)100% (2-2)其中fxe為被測信號頻率的準(zhǔn)確值。在測量中，由于fx計(jì)數(shù)的起停時間都是由該信號的上升沿觸發(fā)的，在閘門時間t內(nèi)對fx的計(jì)數(shù)Nx無誤差(t=NxTx)；對fs的計(jì)數(shù)Ns最多相差一個數(shù)的誤