頻率的測量講座

1、C題 等精度頻率計的設(shè)計 1基本要求(1) 頻率測量范圍：1Hz10MHz（7位數(shù)字顯示）；(2) 周期測量范圍：0.01s1s；(3) 信號及信號幅度：矩形波，TTL電平；(4) 測量誤差10-6（僅考慮計數(shù)誤差）；(5) 預置閘門時間：1s 2發(fā)揮部分(1) 信號靈敏度：0.1V（有效值）；(2) 輸入衰減：1，20（可程序預置）(3) 波形適應性:正弦波、脈沖波、三角波(4) 耦合方式： AC耦合(5) 為了能適應任意占空比脈沖信號的測量，設(shè)置手動觸發(fā)調(diào)節(jié)、程序預置觸發(fā)調(diào)節(jié)、自動觸發(fā)調(diào)節(jié)多種觸發(fā)方式。（選作）1 頻率測量范圍：1Hz10MHz（7位數(shù)字顯示）； 測量誤差10-6（僅考慮計

2、數(shù)誤差，預置閘門時間：1s ）部分關(guān)鍵技術(shù)指標的理解： 等精度：在1Hz10MHz范圍內(nèi)，均可達到10-6的測量精度。 例如，若 fx=1.12345678Hz，則應該顯示1.123456 Hz（允許的范圍為1.123454 1.123457 ） 為了達到以上指標，設(shè)計的頻率計應該具有7位數(shù)字顯示，且最高顯示位必須為非“0”的數(shù)字.（實際精度范圍達10-6 10-7 ) 若 fx=11.2345678Hz，則應該顯示11.23456Hz。即小數(shù)點及單位應該能自動設(shè)置。（為簡化，本題允許單位固定為Hz ）常識：在7位數(shù)字儀器中，最高頻率10MHz是指9.999999MHz2一、頻率測量的原理及實

3、現(xiàn)二、等精度頻率測量的原理三、等精度頻率計的設(shè)計頻率的測量3一、頻率測量的原理及實現(xiàn)基本原理 根據(jù)頻率的定義，若某信號在T秒時間內(nèi)重復變化了N次，則該信號的頻率為： 基本實現(xiàn)原理閘門時間被測信號 若取T=1秒，該信號在1秒內(nèi)重復了N次，則該信號的頻率為：fx = N/T = N（Hz） 計數(shù)N即為被測頻率稱閘門或主門4數(shù)字頻率計原理框圖頻率為fx的被測信號經(jīng)A通道放大整形后輸往主門(閘門)。同時，晶體振蕩器輸出信號經(jīng)分頻器可獲得各種時間標準（稱時標），閘門時間選擇開關(guān)將所選時標信號加到門控雙穩(wěn)，再經(jīng)門控雙穩(wěn)形成控制主門啟閉的作用閘門時間T。則在所選T內(nèi)主門開啟，被測信號通過主門進入計數(shù)器計數(shù)。

4、若計數(shù)器計數(shù)值為N，則被測信號的頻率fx為： fx N/T 5頻率測量誤差 由頻率的定義 及誤差合成公式可得 頻率測量誤差由二種類型誤差合成。 1 ：計數(shù)誤差（1誤差）2 ：標準頻率誤差 6計數(shù)誤差（1誤差）主門的開啟時刻與計數(shù)脈沖的時間關(guān)系是不相關(guān)的，即同一被測信號在相同的主門開啟時間內(nèi)兩次測量所記錄的脈沖數(shù)N可能是不一樣的 。計數(shù)誤差示意圖如下：對于一次計數(shù)過程，其結(jié)果可能為N，也可能為N1或N1。即最大計數(shù)誤差為N1。該項誤差將使儀器最后的顯示結(jié)果會有一個字的閃動。計數(shù)誤差相對誤差的形式為7計數(shù)誤差（1誤差） 這是由于量化而帶來的誤差，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計數(shù)誤差（1誤差）最大計數(shù)誤差的特點是：不管計數(shù)N是多少，N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N N 誤差相應減少。 例如在測頻時，應盡量選用大的閘門時間；9標準頻率誤差閘門時間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)定會引起閘門時間不穩(wěn)定，造成測頻誤差。造成主門啟閉時間或長或短，從而產(chǎn)生測頻誤差。 設(shè)晶振輸出的頻率為 fC（周期為TC），分頻系數(shù)為m，則有 對上式微分，得 ?？紤]相對誤差定義中使用的是增量符號，上式改寫為 上式表明，該

6、誤差在數(shù)值上等于晶振輸出頻率的相對誤差。10標準頻率誤差 閘門時間由晶體振蕩器多次倍頻或分頻獲得，所以，標準頻率誤差就是頻率計中晶體振蕩器的準確度 。 為了使標準頻率誤差對測量結(jié)果產(chǎn)生影響足夠小，應認真選擇晶振的準確度。一般說來，頻率計顯示器的位數(shù)愈多，所選擇的內(nèi)部晶振準確度就應愈高。例如七位數(shù)字的通用計數(shù)器一般采用準確度優(yōu)于107數(shù)量級的晶體振蕩器。這樣，在任何測量條件下，由標準頻率誤差引起的測量誤差，都不大于由1誤差所引起的測量誤差。 因此，當頻率計精度要求不高，且設(shè)計中采用了晶體振蕩器時，可忽略該項誤差。11 1基本要求1）頻率測量 a測量范圍 信號：脈沖信號；幅度：大于2.5V；頻率：

7、0Hz9999Hz b測量誤差2%（頻率為100Hz以上）2）顯示 四位數(shù)碼管、十進制數(shù)字顯示測量數(shù)據(jù)。 2發(fā)揮部分 1）輸入信號幅度不大于0.5V。 2）溢出顯示。被測信號頻率若大于9999Hz，有溢出顯示武漢大學珞珈學院2010年電子設(shè)計競賽B題 數(shù)字頻率計12鎖存信號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數(shù)千位計數(shù)百位計數(shù)十位秒脈沖信號發(fā)生器門電路信號調(diào)理電路計數(shù)個位單穩(wěn)態(tài)1單穩(wěn)態(tài)2被測信號置零信號四位數(shù)字頻率計典型設(shè)計方案之一置零信號的作用：使計數(shù)器復零，從而使每次計數(shù)都從零開始鎖存信號的作用：將計數(shù)值鎖存、譯碼，并送顯示；由于每次計數(shù)完成后才產(chǎn)生鎖存信號，避免顯示器顯示計

8、數(shù)工程。ABCDE頻率計時序圖?13鎖存信號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數(shù)千位計數(shù)百位計數(shù)十位秒脈沖信號發(fā)生器門電路信號調(diào)理電路計數(shù)個位單穩(wěn)態(tài)1單穩(wěn)態(tài)2被測信號置零信號四位數(shù)字頻率計典型設(shè)計方案之一 當被測信號為 9999 Hz時，計數(shù)誤差約為1/10000，即10-4 ，達到2%的要求 當信號為100Hz時，計數(shù)誤差為1/100，也達到2%的要求ABCDE14周期為Tx的被測信號經(jīng)B通道處理后再經(jīng)門控雙穩(wěn)輸出作為主門啟閉的控制信號，使主門僅在被測周期Tx時間內(nèi)開啟。同時，晶體振蕩器輸出經(jīng)倍頻和分頻得到了一系列的時標信號，通過時標選擇開關(guān)，所選時標即經(jīng)A通道送往主門。在主

9、門開啟時間內(nèi)，時標進入計數(shù)器計數(shù)。若所選時標為T0，計數(shù)器計數(shù)值為N，則被測信號的周期為： Tx NT0周期測量原理15周期測量原理 與分析頻率測量誤差方法類似，根據(jù)周期的定義Tx=NT0與誤差合成公式，可得 實際周期測量誤差表達式由三種類型誤差合成。1計數(shù)誤差（1誤差）2標準頻率誤差 3觸發(fā)誤差 16如果被測周期較短，可以采用多周期測量的方法來提高測量精度，即在B通道和門控雙穩(wěn)之間插入十進分頻器，這樣使被測周期得到倍乘即主門的開啟時間得到了倍乘。若周期倍乘開關(guān)選為10n，則計數(shù)器所計脈沖個數(shù)將擴展10n倍，所以被測信號的周期為 Tx N T0 10n17典型通用計數(shù)器的組成18一、頻率測量的

10、原理及實現(xiàn)二、等精度頻率測量的原理三、等精度頻率計的設(shè)計頻率的測量19問題的提出 在測量頻率時，當被測信號頻率很低時，由1誤差而引起的測量誤差將大到不能允許的程度，例如，fx1Hz，閘門時間為1s時，由1誤差而引起測量誤差高達100%。因此，為提高低頻測量精度，通常將電子計數(shù)器的功能轉(zhuǎn)為測周期，然后再利用頻率與周期互為倒數(shù)的關(guān)系來換算其頻率值。但在測量周期時，當被測周期很小時，也會產(chǎn)生同樣的問題并且存在同樣的解決辦法。即在被測信號的周期很小時，宜先測頻率，再換算出周期。二、等精度頻率測量的原理20但是，還存在兩個問題：、該方法不能直接讀出被測信號的頻率值或周期值；、在中界頻率附近，仍不能達到較

11、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。 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的頻率稱中界頻率fxm。 很顯然，當被測信號頻率fxfxm時，宜采用測頻的方法，當被測信號的頻率fxfxm時，宜采用測周的方法。 21測量原理 等精度頻率和周期的測量原理與傳統(tǒng)頻率和周期測量原理完全不同。 二、等精度頻率測量的原理22同步原理 由于 D 觸發(fā)器的同步作用，計數(shù)器所記錄的 NA 已不存在1誤差的影響。 但是，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， D觸發(fā)器的功能：對應CK端上升沿，D端的信號傳送到端。 23 由于實際閘門

12、時間T已不等于預置的閘門時間TP，且大小也不固定，為此設(shè)置了計數(shù)器，用標準時鐘信號進行計數(shù)來確定實際閘門時間T的大小。計數(shù)器通常稱為時間計數(shù)器。 計數(shù)器記錄的N值仍存在1誤差的影響，但由于時鐘頻率很高，1誤差的影響很小。 取時鐘頻率f0= 10MHz，則由1引起的相對誤差為10-7。該誤差與被測信號的頻率無關(guān)，且在全頻段的測量精度是均衡的。計數(shù)器的累計數(shù) NAfxT；T= NA / fx計數(shù)器的累計數(shù) NBf0T；T= NB / f0聯(lián)立上兩式，得2425 由圖可以看出，NB實際是NA個被測信號周期的時鐘脈沖的個數(shù)，即由運算部件計算值為信號 fx 多個周期測量的平均值， 所以把這種測量方法稱為

13、多周期同步測量。 多周期同步測量電路需要計算電路且要有兩個計數(shù)器，因而電路的實現(xiàn)比傳統(tǒng)的測量電路復雜，但若使用微處理器可使測量電路大大簡化。 等精度測量原理26 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。三、等精度頻率計的設(shè)計被測信號89C522789C52單片機內(nèi)部的兩個16位定時計數(shù)器T0，T1作兩個主計數(shù)器的一部分，并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。 89C52單片機內(nèi)部的定時計數(shù)器T2用來作為本機預置閘門時間的定時器， 并通過P1.0作預置閘門

14、時間控制線；P1.1作同步門復位控制線； P1.2作查詢實際閘門時間的狀態(tài)線；P1.3作計數(shù)器復位信號線；P1.4P1.7用做控制儀器鍵盤燈；P3.0，P3.1作通道部分的控制線。28 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，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。291測量準備P1.3發(fā)出復位信號，使計數(shù)器清零；同時P1.1也發(fā)復位信號，使同步D觸發(fā)器的Q 端為低電平，則主門和主門關(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