頻率的測(cè)量講座

1、C題 等精度頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 1基本要求(1) 頻率測(cè)量范圍：1Hz10MHz（7位數(shù)字顯示）；(2) 周期測(cè)量范圍：0.01s1s；(3) 信號(hào)及信號(hào)幅度：矩形波，TTL電平；(4) 測(cè)量誤差10-6（僅考慮計(jì)數(shù)誤差）；(5) 預(yù)置閘門(mén)時(shí)間：1s 2發(fā)揮部分(1) 信號(hào)靈敏度：0.1V（有效值）；(2) 輸入衰減：1，20（可程序預(yù)置）(3) 波形適應(yīng)性:正弦波、脈沖波、三角波(4) 耦合方式： AC耦合(5) 為了能適應(yīng)任意占空比脈沖信號(hào)的測(cè)量，設(shè)置手動(dòng)觸發(fā)調(diào)節(jié)、程序預(yù)置觸發(fā)調(diào)節(jié)、自動(dòng)觸發(fā)調(diào)節(jié)多種觸發(fā)方式。（選作）1 頻率測(cè)量范圍：1Hz10MHz（7位數(shù)字顯示）； 測(cè)量誤差10-6（僅考慮計(jì)

2、數(shù)誤差，預(yù)置閘門(mén)時(shí)間：1s ）部分關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的理解： 等精度：在1Hz10MHz范圍內(nèi)，均可達(dá)到10-6的測(cè)量精度。 例如，若 fx=1.12345678Hz，則應(yīng)該顯示1.123456 Hz（允許的范圍為1.123454 1.123457 ） 為了達(dá)到以上指標(biāo)，設(shè)計(jì)的頻率計(jì)應(yīng)該具有7位數(shù)字顯示，且最高顯示位必須為非“0”的數(shù)字.（實(shí)際精度范圍達(dá)10-6 10-7 ) 若 fx=11.2345678Hz，則應(yīng)該顯示11.23456Hz。即小數(shù)點(diǎn)及單位應(yīng)該能自動(dòng)設(shè)置。（為簡(jiǎn)化，本題允許單位固定為Hz ）常識(shí)：在7位數(shù)字儀器中，最高頻率10MHz是指9.999999MHz2一、頻率測(cè)量的原理及實(shí)

3、現(xiàn)二、等精度頻率測(cè)量的原理三、等精度頻率計(jì)的設(shè)計(jì)頻率的測(cè)量3一、頻率測(cè)量的原理及實(shí)現(xiàn)基本原理 根據(jù)頻率的定義，若某信號(hào)在T秒時(shí)間內(nèi)重復(fù)變化了N次，則該信號(hào)的頻率為： 基本實(shí)現(xiàn)原理閘門(mén)時(shí)間被測(cè)信號(hào) 若取T=1秒，該信號(hào)在1秒內(nèi)重復(fù)了N次，則該信號(hào)的頻率為：fx = N/T = N（Hz） 計(jì)數(shù)N即為被測(cè)頻率稱閘門(mén)或主門(mén)4數(shù)字頻率計(jì)原理框圖頻率為fx的被測(cè)信號(hào)經(jīng)A通道放大整形后輸往主門(mén)(閘門(mén))。同時(shí)，晶體振蕩器輸出信號(hào)經(jīng)分頻器可獲得各種時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)（稱時(shí)標(biāo)），閘門(mén)時(shí)間選擇開(kāi)關(guān)將所選時(shí)標(biāo)信號(hào)加到門(mén)控雙穩(wěn)，再經(jīng)門(mén)控雙穩(wěn)形成控制主門(mén)啟閉的作用閘門(mén)時(shí)間T。則在所選T內(nèi)主門(mén)開(kāi)啟，被測(cè)信號(hào)通過(guò)主門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。

4、若計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為N，則被測(cè)信號(hào)的頻率fx為： fx N/T 5頻率測(cè)量誤差 由頻率的定義 及誤差合成公式可得 頻率測(cè)量誤差由二種類型誤差合成。 1 ：計(jì)數(shù)誤差（1誤差）2 ：標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 6計(jì)數(shù)誤差（1誤差）主門(mén)的開(kāi)啟時(shí)刻與計(jì)數(shù)脈沖的時(shí)間關(guān)系是不相關(guān)的，即同一被測(cè)信號(hào)在相同的主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間內(nèi)兩次測(cè)量所記錄的脈沖數(shù)N可能是不一樣的 。計(jì)數(shù)誤差示意圖如下：對(duì)于一次計(jì)數(shù)過(guò)程，其結(jié)果可能為N，也可能為N1或N1。即最大計(jì)數(shù)誤差為N1。該項(xiàng)誤差將使儀器最后的顯示結(jié)果會(huì)有一個(gè)字的閃動(dòng)。計(jì)數(shù)誤差相對(duì)誤差的形式為7計(jì)數(shù)誤差（1誤差） 這是由于量化而帶來(lái)的誤差，故又稱量化誤差。 量化誤差是不可避免的， 即N =1

5、誤差總是存在。 但是，我們可以設(shè)法減少1誤差的影響，即使 盡量小。8計(jì)數(shù)誤差（1誤差）最大計(jì)數(shù)誤差的特點(diǎn)是：不管計(jì)數(shù)N是多少，N的最大值都為1。因此，為了減少最大計(jì)數(shù)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響，儀器使用中采取的技術(shù)措施是：盡量使計(jì)數(shù)值N大。使N N 誤差相應(yīng)減少。 例如在測(cè)頻時(shí)，應(yīng)盡量選用大的閘門(mén)時(shí)間；9標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差閘門(mén)時(shí)間T是由晶振輸出的頻率分頻而得到的，顯然，晶振輸出頻率的不穩(wěn)定會(huì)引起閘門(mén)時(shí)間不穩(wěn)定，造成測(cè)頻誤差。造成主門(mén)啟閉時(shí)間或長(zhǎng)或短，從而產(chǎn)生測(cè)頻誤差。 設(shè)晶振輸出的頻率為 fC（周期為T(mén)C），分頻系數(shù)為m，則有 對(duì)上式微分，得 ?？紤]相對(duì)誤差定義中使用的是增量符號(hào)，上式改寫(xiě)為 上式表明，該

6、誤差在數(shù)值上等于晶振輸出頻率的相對(duì)誤差。10標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 閘門(mén)時(shí)間由晶體振蕩器多次倍頻或分頻獲得，所以，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差就是頻率計(jì)中晶體振蕩器的準(zhǔn)確度 。 為了使標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響足夠小，應(yīng)認(rèn)真選擇晶振的準(zhǔn)確度。一般說(shuō)來(lái)，頻率計(jì)顯示器的位數(shù)愈多，所選擇的內(nèi)部晶振準(zhǔn)確度就應(yīng)愈高。例如七位數(shù)字的通用計(jì)數(shù)器一般采用準(zhǔn)確度優(yōu)于107數(shù)量級(jí)的晶體振蕩器。這樣，在任何測(cè)量條件下，由標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差引起的測(cè)量誤差，都不大于由1誤差所引起的測(cè)量誤差。 因此，當(dāng)頻率計(jì)精度要求不高，且設(shè)計(jì)中采用了晶體振蕩器時(shí)，可忽略該項(xiàng)誤差。11 1基本要求1）頻率測(cè)量 a測(cè)量范圍 信號(hào)：脈沖信號(hào)；幅度：大于2.5V；頻率：

7、0Hz9999Hz b測(cè)量誤差2%（頻率為100Hz以上）2）顯示 四位數(shù)碼管、十進(jìn)制數(shù)字顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。 2發(fā)揮部分 1）輸入信號(hào)幅度不大于0.5V。 2）溢出顯示。被測(cè)信號(hào)頻率若大于9999Hz，有溢出顯示武漢大學(xué)珞珈學(xué)院2010年電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽B題 數(shù)字頻率計(jì)12鎖存信號(hào)顯示譯碼鎖存譯碼鎖存譯碼鎖存譯碼鎖存顯示顯示顯示計(jì)數(shù)千位計(jì)數(shù)百位計(jì)數(shù)十位秒脈沖信號(hào)發(fā)生器門(mén)電路信號(hào)調(diào)理電路計(jì)數(shù)個(gè)位單穩(wěn)態(tài)1單穩(wěn)態(tài)2被測(cè)信號(hào)置零信號(hào)四位數(shù)字頻率計(jì)典型設(shè)計(jì)方案之一置零信號(hào)的作用：使計(jì)數(shù)器復(fù)零，從而使每次計(jì)數(shù)都從零開(kāi)始鎖存信號(hào)的作用：將計(jì)數(shù)值鎖存、譯碼，并送顯示；由于每次計(jì)數(shù)完成后才產(chǎn)生鎖存信號(hào)，避免顯示器顯示計(jì)

8、數(shù)工程。ABCDE頻率計(jì)時(shí)序圖?13鎖存信號(hào)顯示譯碼鎖存譯碼鎖存譯碼鎖存譯碼鎖存顯示顯示顯示計(jì)數(shù)千位計(jì)數(shù)百位計(jì)數(shù)十位秒脈沖信號(hào)發(fā)生器門(mén)電路信號(hào)調(diào)理電路計(jì)數(shù)個(gè)位單穩(wěn)態(tài)1單穩(wěn)態(tài)2被測(cè)信號(hào)置零信號(hào)四位數(shù)字頻率計(jì)典型設(shè)計(jì)方案之一 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為 9999 Hz時(shí)，計(jì)數(shù)誤差約為1/10000，即10-4 ，達(dá)到2%的要求 當(dāng)信號(hào)為100Hz時(shí)，計(jì)數(shù)誤差為1/100，也達(dá)到2%的要求ABCDE14周期為T(mén)x的被測(cè)信號(hào)經(jīng)B通道處理后再經(jīng)門(mén)控雙穩(wěn)輸出作為主門(mén)啟閉的控制信號(hào)，使主門(mén)僅在被測(cè)周期Tx時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟。同時(shí)，晶體振蕩器輸出經(jīng)倍頻和分頻得到了一系列的時(shí)標(biāo)信號(hào)，通過(guò)時(shí)標(biāo)選擇開(kāi)關(guān)，所選時(shí)標(biāo)即經(jīng)A通道送往主門(mén)。在主

9、門(mén)開(kāi)啟時(shí)間內(nèi)，時(shí)標(biāo)進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。若所選時(shí)標(biāo)為T(mén)0，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為N，則被測(cè)信號(hào)的周期為： Tx NT0周期測(cè)量原理15周期測(cè)量原理 與分析頻率測(cè)量誤差方法類似，根據(jù)周期的定義Tx=NT0與誤差合成公式，可得 實(shí)際周期測(cè)量誤差表達(dá)式由三種類型誤差合成。1計(jì)數(shù)誤差（1誤差）2標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 3觸發(fā)誤差 16如果被測(cè)周期較短，可以采用多周期測(cè)量的方法來(lái)提高測(cè)量精度，即在B通道和門(mén)控雙穩(wěn)之間插入十進(jìn)分頻器，這樣使被測(cè)周期得到倍乘即主門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間得到了倍乘。若周期倍乘開(kāi)關(guān)選為10n，則計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖個(gè)數(shù)將擴(kuò)展10n倍，所以被測(cè)信號(hào)的周期為 Tx N T0 10n17典型通用計(jì)數(shù)器的組成18一、頻率測(cè)量的

10、原理及實(shí)現(xiàn)二、等精度頻率測(cè)量的原理三、等精度頻率計(jì)的設(shè)計(jì)頻率的測(cè)量19問(wèn)題的提出 在測(cè)量頻率時(shí)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率很低時(shí)，由1誤差而引起的測(cè)量誤差將大到不能允許的程度，例如，fx1Hz，閘門(mén)時(shí)間為1s時(shí)，由1誤差而引起測(cè)量誤差高達(dá)100%。因此，為提高低頻測(cè)量精度，通常將電子計(jì)數(shù)器的功能轉(zhuǎn)為測(cè)周期，然后再利用頻率與周期互為倒數(shù)的關(guān)系來(lái)?yè)Q算其頻率值。但在測(cè)量周期時(shí)，當(dāng)被測(cè)周期很小時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生同樣的問(wèn)題并且存在同樣的解決辦法。即在被測(cè)信號(hào)的周期很小時(shí)，宜先測(cè)頻率，再換算出周期。二、等精度頻率測(cè)量的原理20但是，還存在兩個(gè)問(wèn)題：、該方法不能直接讀出被測(cè)信號(hào)的頻率值或周期值；、在中界頻率附近，仍不能達(dá)到較

11、高的測(cè)量精度。若采用多周期同步測(cè)量方法，便可解決上述問(wèn)題。 測(cè)頻誤差及測(cè)周誤差與被測(cè)信號(hào)頻率的關(guān)系如圖示，圖中測(cè)頻和測(cè)周兩條誤差曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率稱中界頻率fxm。 很顯然，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率fxfxm時(shí)，宜采用測(cè)頻的方法，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率fxfxm時(shí)，宜采用測(cè)周的方法。 21測(cè)量原理 等精度頻率和周期的測(cè)量原理與傳統(tǒng)頻率和周期測(cè)量原理完全不同。 二、等精度頻率測(cè)量的原理22同步原理 由于 D 觸發(fā)器的同步作用，計(jì)數(shù)器所記錄的 NA 已不存在1誤差的影響。 但是，閘門(mén)時(shí)間T已不等于預(yù)置的閘門(mén)時(shí)間TP，且大小也不是固定的， D觸發(fā)器的功能：對(duì)應(yīng)CK端上升沿，D端的信號(hào)傳送到端。 23 由于實(shí)際閘門(mén)

12、時(shí)間T已不等于預(yù)置的閘門(mén)時(shí)間TP，且大小也不固定，為此設(shè)置了計(jì)數(shù)器，用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)確定實(shí)際閘門(mén)時(shí)間T的大小。計(jì)數(shù)器通常稱為時(shí)間計(jì)數(shù)器。 計(jì)數(shù)器記錄的N值仍存在1誤差的影響，但由于時(shí)鐘頻率很高，1誤差的影響很小。 取時(shí)鐘頻率f0= 10MHz，則由1引起的相對(duì)誤差為10-7。該誤差與被測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)，且在全頻段的測(cè)量精度是均衡的。計(jì)數(shù)器的累計(jì)數(shù) NAfxT；T= NA / fx計(jì)數(shù)器的累計(jì)數(shù) NBf0T；T= NB / f0聯(lián)立上兩式，得2425 由圖可以看出，NB實(shí)際是NA個(gè)被測(cè)信號(hào)周期的時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，即由運(yùn)算部件計(jì)算值為信號(hào) fx 多個(gè)周期測(cè)量的平均值， 所以把這種測(cè)量方法稱為

13、多周期同步測(cè)量。 多周期同步測(cè)量電路需要計(jì)算電路且要有兩個(gè)計(jì)數(shù)器，因而電路的實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)的測(cè)量電路復(fù)雜，但若使用微處理器可使測(cè)量電路大大簡(jiǎn)化。 等精度測(cè)量原理26 該等精度頻率計(jì)主要由五部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制部分、通道部分、同步電路部分、計(jì)數(shù)器部分、鍵盤(pán)與顯示部分。三、等精度頻率計(jì)的設(shè)計(jì)被測(cè)信號(hào)89C522789C52單片機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器T0，T1作兩個(gè)主計(jì)數(shù)器的一部分，并分別與外部的事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端相接。外部的事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的測(cè)量結(jié)果分別通過(guò)擴(kuò)展輸入口與P0口相連。 89C52單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)計(jì)數(shù)器T2用來(lái)作為本機(jī)預(yù)置閘門(mén)時(shí)間的定時(shí)器， 并通過(guò)P1.0作預(yù)置閘門(mén)

14、時(shí)間控制線；P1.1作同步門(mén)復(fù)位控制線； P1.2作查詢實(shí)際閘門(mén)時(shí)間的狀態(tài)線；P1.3作計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)線；P1.4P1.7用做控制儀器鍵盤(pán)燈；P3.0，P3.1作通道部分的控制線。28 計(jì)數(shù)器包括事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器兩組完全相同的計(jì)數(shù)電路，分別由前后兩級(jí)組成。前級(jí)電路由高速的TTL計(jì)數(shù)器74LS393構(gòu)成八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，電路，計(jì)數(shù)前由P1.3發(fā)計(jì)數(shù)器清零信號(hào)，計(jì)數(shù)后通過(guò)4LS244緩沖器將測(cè)量結(jié)果讀入內(nèi)存；后級(jí)由8031單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)/計(jì)數(shù)定數(shù)器構(gòu)成。291測(cè)量準(zhǔn)備P1.3發(fā)出復(fù)位信號(hào)，使計(jì)數(shù)器清零；同時(shí)P1.1也發(fā)復(fù)位信號(hào)，使同步D觸發(fā)器的Q 端為低電平，則主門(mén)和主門(mén)關(guān)閉。這時(shí)P1.0的初狀態(tài)為“1”，使D觸發(fā)器的D端為高電平。同步門(mén)可靠關(guān)閉。2測(cè)量開(kāi)始P1.0從高電平跳到低電平，使D觸發(fā)器的D端為“0”，這時(shí)被測(cè)信號(hào)一旦到達(dá)CK端，觸發(fā)器Q立即由“0”“1”，同步門(mén)被打開(kāi)，被測(cè)信號(hào)和時(shí)間信號(hào)分別進(jìn)入相應(yīng)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。的P1.0從高電平跳到低電平的同時(shí)，也啟動(dòng)了計(jì)