關于等精度頻率測量

頻率、時間的應用與人們日常生活息息相關，而在當代高科技中顯得尤為重要。例如,郵電通訊，大地測量，地震預報，人造衛星、宇宙飛船、航天飛機的導航定位控制等都與頻率、時間密切相關，因此準確測量時間和頻率是十分重要的。第1章數字頻率計的設計第2頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

頻率測量的方法（1）諧振法：利用LC回路的諧振特性進行測頻(如諧振式波長表可測無源LC回路的固有諧振頻率）,測頻范圍為0.5~1500MHz。（2）外差法：改變標準信號頻率，使它與被測信號混合，取其差頻，當差頻為零時讀取頻率。這種外差式頻率計可測高達3000MHz的微弱信號的頻率，測頻精確度為10-6左右。（3）示波法：在示波器上根據李沙育圖形或信號波形的周期個數進行測頻。這種方法的測量頻率范圍從音頻到高頻信號皆可。（4）電子計數器法：直接計數單位時間內被測信號的脈沖數，然后以數字形式顯示頻率值。這種方法測量精確度高、快速，適合不同頻率、不同精確度測頻的需要。

第3頁,共36頁，2024年2月25日，星期天1.1頻率測量數字頻率計是用于測量信號頻率的電路。測量信號的頻率參數是最常用的測量方法之一。實現頻率測量的方法比較多，在此我們主要介紹三種常用的方法：時間門限測量法、標準頻率比較測量法、等精度測量法。

1.1.1時間門限測量法

(1)直接頻率測量在一定的時間門限T內，如果測得輸入信號的脈沖數為N，設待測信號的頻率為fx，則該信號的頻率為第4頁,共36頁，2024年2月25日，星期天第5頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

改變時間T，則可改變測量頻率范圍。例如，當T=1s,則fx=N(Hz)；T=1ms，則fx=N(kHz)。此方法的原理框圖如圖所示，時序波形圖如圖所示。

測頻原理框圖第6頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

測頻時序波形圖第7頁,共36頁，2024年2月25日，星期天1）量化誤差如圖所示，雖然閘門開啟時間都為T，但因為閘門開啟時刻不一樣，計數值一個為9，另一個卻為8，兩個計數值相差1。第8頁,共36頁，2024年2月25日，星期天量化誤差的相對誤差為:不管計數N是多少，ΔN的最大值都為±1。因此，為了減少最大計數誤差對測量精度的影響，儀器使用中采取的技術措施是：盡量使計數值N大。使ΔN／N誤差相應減少。例如在測頻時，應盡量選用大的閘門時間；第9頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

2).標準頻率誤差標準頻率誤差在測頻時取決于閘門時間的準確度。由于閘門時間和時標均由晶體振蕩器多次倍頻或分頻獲得，因此，通用計數器有關功能的標準頻率誤差就是指通用計數器內（或外部接入）的晶體振蕩器的準確度Δf0/f0。通過上述分析，可得頻率測量誤差表達式如下：第10頁,共36頁，2024年2月25日，星期天（2）直接周期測量當被測信號的頻率較低時，采用直接測頻方法由量化誤差引起的測頻誤差太大，為提高測低頻時的準確度，應先測周期Tx，然后計算fx=1/Tx。第11頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

TX=NT0/k

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以上分析可見，頻率計測周期的基本原理正好與測頻相反，即被測信號用來控制閘電路的開通與關閉，標準時基信號作為計數脈沖。

數字頻率計測周期的原理框圖如圖所示。被測信號經放大整形電路變成方波，加到門控電路產生閘門信號，如Tx=10ms，則閘門打開的時間也為10ms，在此期間內，周期為Ts的標準脈沖通過閘門進入計數器計數。若TS＝1uS，則計數器計得的脈沖N=TX/TS=10000個。若以毫秒(ms)為單位，則顯示器上的讀數為10.000。第13頁,共36頁，2024年2月25日，星期天測周誤差測周誤差包括測周量化誤差和觸發誤差。1)測周量化誤差。測周量化誤差為第14頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

2).觸發誤差當進行周期等功能的測量時，門控雙穩的門控信號由通過B通道的被測信號所控制。當無噪聲干擾時，主門開啟時間剛好等于一個被測信號的周期Tx。如果被測信號受到干擾，當信號通過B通道時，將會使整形電路（施密特觸發器）出現超前或滯后觸發，致使整形后波形的周期與實際被測信號的周期發生偏離ΔTx，引起所謂的觸發誤差（或轉換誤差）。

經推導，

觸發誤差ΔTx/Tx的大小為

第15頁,共36頁，2024年2月25日，星期天周期測量誤差表達式如下第16頁,共36頁，2024年2月25日，星期天(3)中界頻率測頻誤差及測周誤差與被測信號頻率的關系如圖示，圖中測頻和測周兩條誤差曲線交點所對應的頻率稱中界頻率fxm

。第17頁,共36頁，2024年2月25日，星期天但是，還存在兩個問題：①、該方法不能直接讀出被測信號的頻率值或周期值；②、在中界頻率附近，仍不能達到較高的測量精度。若采用多周期同步測量方法，便可解決上述問題。很顯然，當被測信號頻率fx＞fxm時，宜采用測頻的方法，當被測信號的頻率fx＜fxm時，宜采用測周的方法。第18頁,共36頁，2024年2月25日，星期天1.1.2標準頻率比較測量法用兩組計數器在相同的時間門限內同時計數，測得待測信號的脈沖個數為N1、已知的標準頻率信號的脈沖個數為N2，設待測信號的頻率為fx,已知的標準頻率信號的頻率為f0；由于測量時間相同，則可得到如下等式：從上式可得出待測信號的頻率公式為第19頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

標準頻率比較測量法對測量時產生的時間門限的精度要求不高，對標準頻率信號的頻率準確度和頻率的穩定度要求較高，標準信號的頻率越高，測量的精度就比較高。該方法的測量時間誤差與時間門限測量法的相同，可能的最大誤差為正負一個待測信號周期，即Δt=±1/fx。測量時可能產生的誤差時序波形如圖所示。第20頁,共36頁，2024年2月25日，星期天一般測量時可能產生的誤差時序波形圖第21頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

等精度測量法的機理是在標準頻率比較測量法的基礎上改變計數器的計數開始和結束與閘門門限的上升沿和下降沿的嚴格關系。當閘門門限的上升沿到來時，如果待測量信號的上升沿未到時兩組計數器也不計數，只有在待測量信號的上升沿到來時，兩組計數器才開始計數；當閘門門限的下降沿到來時，如果待測量信號的一個周期未結束時兩組計數器也不停止計數，只有在待測量信號的一個周期結束時兩組計數器才停止計數。這樣就克服了待測量信號的脈沖周期不完整的問題，其誤差只由標準頻率信號產生，與待測量信號的頻率無關。最大誤差為正負一個標準頻率周期，即Δt=±1/f0。由于一般標準信號頻率都在幾十兆赫茲以上，因此誤差小于10-6。1.1.3等精度測頻法第22頁,共36頁，2024年2月25日，星期天等精度測量法的時序波形圖第23頁,共36頁，2024年2月25日，星期天預置閘門時間產生電路產生預置的閘門時間TP，TP經同步電路產生與被測信號（fx）同步的實際閘門時間T。主門Ⅰ與主門Ⅱ在時間T內被同時打開，于是計數器Ⅰ和計數器Ⅱ便分別對被測信號（fx）和時鐘信號（f0）的周期數進行累計。第24頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

在T內，計數器Ⅰ的累計數NA＝fx×T；計數器Ⅱ的累計數NB＝f0×T。再由運算部件計算得出即為被測頻率。計數器Ⅰ記錄了被測信號的周期數，所以通常稱事件計數器。由于閘門的開和關與被測信號同步，因而實際的閘門時間T已不等于預置的閘門時間TP，且大小也不是固定的，為此設置了計數器Ⅱ，用以在T內對標準時鐘信號進行計數來確定實際開門的閘門時間T的大小，所以計數器Ⅱ通常稱為時間計數器。第25頁,共36頁，2024年2月25日，星期天由圖（b）所示的工作波形圖中可以看出，由于D觸發器的同步作用，計數器Ⅰ所記錄的NA值已不存在±1誤差的影響。由于時鐘信號與閘門的開和關無確定的相位關系，計數器Ⅱ所記錄的NB的值仍存在±1誤差的影響，但是，由于時鐘頻率f0很高，±1誤差的影響很小，且在全頻段的測量精度是均衡的,測量精度已與被測信號的頻率無關。第26頁,共36頁，2024年2月25日，星期天等精度頻率計的設計實例

該等精度頻率計主要由五部分組成：單片機控制部分、通道部分、同步電路部分、計數器部分、鍵盤與顯示部分。

一、等精度頻率計的組成第27頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

任務：通過P1口與P3口進行整機測量過程的控制、故障的自動檢測以及測量結果的處理與顯示等。

P1.0作預置閘門時間控制線；P1.1作同步門控制電路的復位信號線；1．8031單片機及其接口部分P1.2作查詢實際閘門時間的狀態線；P1.3作計數器復位信號線；P1.4～P1.7用做控制儀器鍵盤燈；P3.0，P3.1作為通道部分的控制線。

8031單片機內部的兩個16位定時／計數器作兩個主計數器的一部分，并通過T0，T1分別與外部的事件計數器和時間計數器的進位端相接。外部的事件計數器和時間計數器的測量結果分別通過擴展輸入口與P０口相連。

8155作為8031的擴展I／0口，用來與鍵盤和顯示電路接口，其內部的14位計數器被用來作為本機預置閘門時間的定時器，定時器的輸入信號取自8031的ALE端，定時器的輸出與8031的INT1端相接，作為中斷申請信號。第28頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

主要由放大、整形和一個十分頻的預分頻電路組成。本機設計測頻范圍為20Hz～100MHz，當被測頻率大于10MHz時，需先經預分頻電路分頻后再送入計數器電路。2．通道部分由主門Ⅰ、Ⅱ及同步控制電路組成。主門Ⅰ控制被測信號fx的通過，主門Ⅱ控制時鐘信號fO的通過，兩門的啟閉都由同步控制電路控制。3．同步電路

計數器包括事件計數器和時間計數器兩組完全相同的計數電路，分別由前后兩級組成。前級電路由高速的TTL計數器74LS393構成八位二進制計數器，電路如圖7-26示，計數前由P1.3發計數器清零信號，計數后通過4LS244緩沖器將測量結果讀入內存；后級由8031單片機內的定時/計數定數器構成。4．計數器電路第29頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

鍵盤與顯示部分的電路如圖所示，這是一個較為典型的采用8155并行口組成的鍵盤顯示電路。七位LED顯示采用了動態顯示軟件譯碼工作方式。段碼由8155的PB口提供，位選碼由PA口提供。鍵盤共設置了4個按鍵，采用逐列掃描查詢工作方式，其列輸出由PA口提供，列輸入由PC口提供。由于鍵盤與顯示做成一個接口電路，因此軟件中合并考慮鍵盤查詢與動態顯示。為了使顯示器的動態掃描不出現斷續，鍵盤防抖的延時子程序用顯示子程序替代。5．鍵盤與顯示部分第30頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

1．測量準備

P1.3發出復位信號，使計數器清零；同時P1.1也發復位信號，使同步D觸發器的Q端為低電平，則主門Ⅰ和主門Ⅱ關閉。這時P1.0的初狀態為“1”，使D觸發器的D端為高電平。同步門可靠關閉。

2．測量開始

P1.0從高電平跳到低電平，使D觸發器的D端為“0”，這時被測信號一旦到達CK端，觸發器Q立即由“0”→“1”，同步門被打開，被測信號和時間信號分別進入相應的計數器進行計數。的P1.0從高電平跳到低電平的同時，也啟動了計時系統開始計量閘門時間。

3．測量結束

當預定的測量時間(1s或0.1