等精度頻率測量

關(guān)于等精度頻率測量第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日

頻率、時間的應(yīng)用與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，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(yù)報，人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機的導(dǎo)航定位控制等都與頻率、時間密切相關(guān)，因此準確測量時間和頻率是十分重要的。第1章數(shù)字頻率計的設(shè)計第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日

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(jù)李沙育圖形或信號波形的周期個數(shù)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(shù)器法：直接計數(shù)單位時間內(nèi)被測信號的脈沖數(shù)，然后以數(shù)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。第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日1.1頻率測量數(shù)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(shù)是最常用的測量方法之一。實現(xiàn)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(nèi)，如果測得輸入信號的脈沖數(shù)為N，設(shè)待測信號的頻率為fx，則該信號的頻率為第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日

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。

測頻原理框圖第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日

測頻時序波形圖第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日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(shù)值一個為9，另一個卻為8，兩個計數(shù)值相差1。第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日量化誤差的相對誤差為:不管計數(shù)N是多少，ΔN的最大值都為±1。因此，為了減少最大計數(shù)誤差對測量精度的影響，儀器使用中采取的技術(shù)措施是：盡量使計數(shù)值N大。使ΔN／N誤差相應(yīng)減少。例如在測頻時，應(yīng)盡量選用大的閘門時間；第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日

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(shù)器有關(guān)功能的標準頻率誤差就是指通用計數(shù)器內(nèi)（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：第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日（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(yīng)先測周期Tx，然后計算fx=1/Tx。第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日

TX=NT0/k

第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日

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(guān)閉，標準時基信號作為計數(shù)脈沖。

數(shù)字頻率計測周期的原理框圖如圖所示。被測信號經(jīng)放大整形電路變成方波，加到門控電路產(chǎn)生閘門信號，如Tx=10ms，則閘門打開的時間也為10ms，在此期間內(nèi)，周期為Ts的標準脈沖通過閘門進入計數(shù)器計數(shù)。若TS＝1uS，則計數(shù)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(shù)為10.000。第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日測周誤差測周誤差包括測周量化誤差和觸發(fā)誤差。1)測周量化誤差。測周量化誤差為第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日

2).觸發(fā)誤差當進行周期等功能的測量時，門控雙穩(wěn)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(fā)器）出現(xiàn)超前或滯后觸發(fā)，致使整形后波形的周期與實際被測信號的周期發(fā)生偏離ΔTx，引起所謂的觸發(fā)誤差（或轉(zhuǎn)換誤差）。

經(jīng)推導(dǎo)，

觸發(fā)誤差ΔTx/Tx的大小為

第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日周期測量誤差表達式如下第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日(3)中界頻率測頻誤差及測周誤差與被測信號頻率的關(guān)系如圖示，圖中測頻和測周兩條誤差曲線交點所對應(yīng)的頻率稱中界頻率fxm。第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日但是，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。第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日1.1.2標準頻率比較測量法用兩組計數(shù)器在相同的時間門限內(nèi)同時計數(shù)，測得待測信號的脈沖個數(shù)為N1、已知的標準頻率信號的脈沖個數(shù)為N2，設(shè)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十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日

標準頻率比較測量法對測量時產(chǎn)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(wěn)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(chǎn)生的誤差時序波形如圖所示。第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日一般測量時可能產(chǎn)生的誤差時序波形圖第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日

等精度測量法的機理是在標準頻率比較測量法的基礎(chǔ)上改變計數(shù)器的計數(shù)開始和結(jié)束與閘門門限的上升沿和下降沿的嚴格關(guān)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(shù)器也不計數(shù)，只有在待測量信號的上升沿到來時，兩組計數(shù)器才開始計數(shù)；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(jié)束時兩組計數(shù)器也不停止計數(shù)，只有在待測量信號的一個周期結(jié)束時兩組計數(shù)器才停止計數(shù)。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(chǎn)生，與待測量信號的頻率無關(guān)。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等精度測頻法第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日等精度測量法的時序波形圖第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日預(yù)置閘門時間產(chǎn)生電路產(chǎn)生預(yù)置的閘門時間TP，TP經(jīng)同步電路產(chǎn)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(nèi)被同時打開，于是計數(shù)器Ⅰ和計數(shù)器Ⅱ便分別對被測信號（fx）和時鐘信號（f0）的周期數(shù)進行累計。第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日

在T內(nèi)，計數(shù)器Ⅰ的累計數(shù)NA＝fx×T；計數(shù)器Ⅱ的累計數(shù)NB＝f0×T。再由運算部件計算得出即為被測頻率。計數(shù)器Ⅰ記錄了被測信號的周期數(shù)，所以通常稱事件計數(shù)器。由于閘門的開和關(guān)與被測信號同步，因而實際的閘門時間T已不等于預(yù)置的閘門時間TP，且大小也不是固定的，為此設(shè)置了計數(shù)器Ⅱ，用以在T內(nèi)對標準時鐘信號進行計數(shù)來確定實際開門的閘門時間T的大小，所以計數(shù)器Ⅱ通常稱為時間計數(shù)器。第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日由圖（b）所示的工作波形圖中可以看出，由于D觸發(fā)器的同步作用，計數(shù)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(guān)無確定的相位關(guān)系，計數(shù)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(guān)。第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日等精度頻率計的設(shè)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(shù)器部分、鍵盤與顯示部分。

一、等精度頻率計的組成第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日

任務(wù)：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(jié)果的處理與顯示等。

P1.0作預(yù)置閘門時間控制線；P1.1作同步門控制電路的復(fù)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(tài)線；P1.3作計數(shù)器復(fù)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(nèi)部的兩個16位定時／計數(shù)器作兩個主計數(shù)器的一部分，并通過T0，T1分別與外部的事件計數(shù)器和時間計數(shù)器的進位端相接。外部的事件計數(shù)器和時間計數(shù)器的測量結(jié)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(nèi)部的14位計數(shù)器被用來作為本機預(yù)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。第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日

主要由放大、整形和一個十分頻的預(yù)分頻電路組成。本機設(shè)計測頻范圍為20Hz～100MHz，當被測頻率大于10MHz時，需先經(jīng)預(yù)分頻電路分頻后再送入計數(shù)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(shù)器包括事件計數(shù)器和時間計數(shù)器兩組完全相同的計數(shù)電路，分別由前后兩級組成。前級電路由高速的TTL計數(shù)器74LS393構(gòu)成八位二進制計數(shù)器，電路如圖7-26示，計數(shù)前由P1.3發(fā)計數(shù)器清零信號，計數(shù)后通過4LS244緩沖器將測量結(jié)果讀入內(nèi)存；后級由8031單片機內(nèi)的定時/計數(shù)定數(shù)器構(gòu)成。4．計數(shù)器電路第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日

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(tài)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(shè)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(tài)顯示。為了使顯示器的動態(tài)掃描不出現(xiàn)斷續(xù)，鍵盤防抖的延時子程序用顯示子程序替代。5．鍵盤與顯示部分第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日

1．測量準備

P1.3發(fā)出復(fù)位信號，使計數(shù)器清零；同時P1.1也發(fā)復(fù)位信號，使同步D觸發(fā)器的Q端為低電平，則主門Ⅰ和主門Ⅱ關(guān)閉。這時P1.0的初狀態(tài)為“1”，使D觸發(fā)器的D端為高電平。同步門可靠關(guān)閉。

2．測量開始

P1.0從高電平跳到低電平，使D觸發(fā)器的D端為“0”，這時被測信號一旦到達CK端，觸發(fā)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(yīng)的計數(shù)器進行計數(shù)。的P1.0從高電平跳到低電平的同時，也啟動了計時系統(tǒng)開始計量閘門時間。