频率计测频原理

t T
B
晶振 时基电路 分频
C D Tx Tx
0
Tx
t t
N t
0
0
E
1)时基（T）电路 两个特点： (1)标准性 闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故 通常晶振频率稳定度要求达10-6～10-10。（恒温糟）
(2)多值性 闸门时间T不一定为1秒，应让用户根据测频精度和 速度的不同要求自由选择。例如： 1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10 ms 0.1s、 1s、 10s 等。 门控（双稳）电路：
测量期 （开门，计数）
1.2 误差分析计算
由第二章误差传递公式（2.45）
f y x j j 1 x j
m
可对式（4.2）
N fx T
求得
f x N T fx N T
计数误差 时基误差
（4.3）
1.量化误差——计数误差、±1误差 在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相 关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，既 便在相同的主门开启时间T，计数器所计得的数却不一定相同。 可能多1个或少1个的±1误差，这是频率量化时带来的误差故 称量化误差，又称脉冲计数误差或±1误差。
1.3 结论
1.计数器直接测频的误差 主要有两项 即±1误差和标准频率误 差一般总误差可采用分项 误差绝对值合成，即
f x f c 1 ( )（4.9） fx f xT fc
2.测量低频时，由于±1误 差产生的测频误差大得惊人
例如，fx= 10Hz，T=1s，则由±1误差引起的测频误差可达10％， 所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。
Tx A B T
1s 图4.3 测频的原理 与 门
C
……
N
Fra Baidu bibliotekT 1s
由图可见： 因此
NTx T
N fx T
实现了测频原理：“定时计数” 实质：比较法
重点掌握
2．组成框图
图4.4是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。
A
计 数 一 显示 0
A 输入电路
D C
主 门
E
t
B
0
门控
控制电路
闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测 频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc （周期为Tc），则有
f c T =1×10-7~1×10-10 T fc
石英振荡器的输出 频率准确度决定
石英晶体性能和切割方式----生产厂
温度的影响---单、双层恒温糟
振荡电路的质量----电路优化设计
测周的量化误差
fc=10MHz fc=100MH
z
fc=1GHz
100MHz
1KHz
fM
1MHz
100MHz
f
图4.14 测频量化误差与测周量化误差
图4.14中给出了不同闸门时间：0.1s、1s、10s和不同标准频 率：10MHz、100MHz、1000MHz三种情况的交叉曲线。现以 f c =100MHz为例，可查知 f M =10kHz。 T=1s，
Tc t
2.2 电子计数器测量周期的误差分析 1.量化误差和基准频率误差 与分析电子计数器测频时的误差类似，这里 Tx NTc ，根据 误差传递公式可得
Tx N Tc Tx N Tc
根据图4.10所示的测周原理，由式（4.10）可得
（4.11）
Tx N Tx f c , 而ΔN=±1 Tc
2.误差分析
设在一次实际闸门时间t中计数器对被测信号的计数值为Nx，对标准信号 的计数值为Ns。标准信号的频率为fs，则被测信号的频率如式(2-1): fx=(Nx/Ns)·fs (2-1) 由式1-1可知，若忽略标频fs的误差，则等精度测频可能产生的相对误差如 式(2-2): δ=(|fxe-fx|/fxe)×100% (2-2) 其中fxe为被测信号频率的准确值。 在测量中，由于fx计数的起停时间都是由该信号的上升沿触发的，在闸门 时间t内对fx的计数Nx无误差(t=NxTx)；对fs的计数Ns最多相差一个数的 误差，即|ΔNs|≤1,其测量频率如式(2-3): fxe=[Nx/(Ns+ΔNs)]·fs (2-3) 将式(2-1)和(2-3)代入式(2-2)，并整理如式(2-4)： δ=|ΔNs|/Ns≤1/Ns=1/(t·fs) (2-4) 由上式可以看出，测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关，仅与 闸门时间和标准信号频率有关，即实现了整个测试频段的等精度测量。闸 门时间越长，标准频率越高，测频的相对误差就越小。标准频率可由稳定 度好、精度高的高频率晶体振荡器产生，在保证测量精度不变的前提下， 提高标准信号频率，可使闸门时间缩短，即提高测试速度[5]。
ΔN=±1
T
黑门进 8个脉 冲 红门进 7个脉 冲
N 1 1 N N f xT
N=fxT
1 2 3 4 5 6 78
(1)
1 2 3 4 5 6 78 (2)
(a) 图4.7 量化误差
2.闸门时间误差（时基误差、标准时间误差）
误差合成定理
f x N T fx N T
dfc dT T fc
f x Tx fx Tx
令
1 fx fM Tx
fM fc T
1 1 故 f xT Tx f c
则
式中，f M 为中界频率，f c 为标准频率，T为闸门时间。
1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 1Hz
测频的量化误差 T=1S 10S 0.1S
因此，当 f x f M 宜测频； 当 f x f M ，宜测周。 这给使用带来不便，要查知所用状态下的中界频率，是当前 通用计数器的缺点，下面将介绍采用双路计数器的方法， 对测频或测周都能实现等精度测量。
4 等精度测频 1.原理 等精度测频方法是在直接测频方法的基础上发展起来的。 它的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍， 即与被测信号同步，因此，避除了对被测信号计数所产生 ±1个字误差，并且达到了在整个测试频段的等精度测量。 其测频原理如下图2.1所示。 在测量过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号 同时计数。首先给出闸门开启信号(预置闸门上升沿)， 此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到 来时，计数器才真正开始计数。然后预置闸门关闭信号 (下降沿)到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测 信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。 可以看出，实际闸门时间t与预置闸门时间t1并不严格相等， 但差值不超过被测信号的一个周期
1
1.基本原理
电子计数法测量频率
1.1 电子计数法测频原理
根据频率的定义，若某一信号在T秒时间内重复变化了N次，则 该信号的频率为： N （4.2） fx
门电路复习：
A
1/0 与门
T
A c
1/0 0 0 1 1
B
0 1 0 1
C
0 0 0 1
B
1/0
同理“或”门、与非、或非门等也有类似功能。
……
T
T
2)输入电路 由放大整形电路和主门电路组成。 被测输入周期信号（频率为fx， 周期为Tx）经放大、整形、微分 得周期Tx的窄脉冲，送主门的一 个输入端。
us t
A输入 0 (T0或Fx )
放大
0
t
整形 0
t
微分
0 图4.5 输入电路工作波形图
t
3)计数显示电路 这部分电路的作用，简单地说，就是 计数被测周期信号重复的次数，显示 被测信号的频率。它一般由计数电路、 逻辑控制电路、译码器和显示器组成。
等精度测频原理波形图
• 等精度测频的实现方法可简化为图所示。CNT1和 CNT2是两个可控计数器，标准频率信号从CNT1的时 钟输入端CLK输入；经整形后的被测信号从CNT2的 时钟输入端CLK输入。当预置门控信号为高电平时， 经整形后的被测信号的上升沿通过D触发器的Q端同 时启动CNT1和CNT2。CNT1、CNT2同时对标准频 率信号和经整形后的被测信号进行计数，分别为NS与 NX。当预置门信号为低电平的时候，后而来的被测信 号的上升沿将使两个计数器同时关闭，所测得的频率 为(FS/NS)*NX。则等精度测量方法测量精度与预置门 宽度的标准频率有关，与被测信号的频率无关。在预 置门时间和常规测频闸门时间相同而被测信号频率不 同的情况下，等精度测量法的测量精度不变。
准备期 （复零，等待）
4)控制电路
控制电路的作用是产生各种控制信号， 去控制各电路单元的工作，使整机按 一定的工作程序完成自动测量的任务。 显示期 在控制电路的统一指挥下，电子计数 （关门，停止计数） 器的工作按照“复零一测量—显示”的 程序自动地进行，其工作流程如图4.6 图4.6 电子计数器的工作流程图 所示。
本节介绍时间量的测量主要是指与频率对应的周期、相位及时 间间隔等时间参数，重点讨论周期的测量。 2.1 电子计数法测量周期的原理
输入电路A D 主 门
B
0
2
电子计数法测量时间
E
Tx Tx Tx Tx t t
Tx ux
倍频
输入电路B
B
C
门控 分频
C
0
晶振
D Tc N
E
0
0
t
由右图可得
N Tx NTc fc
Tx Tc f c 1 1 Tx Tx f c Tc Tx f c fc
（4.12）
2.触发转换误差 测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。
3 中界频率 研究量化误差（±1误差）对测频和测周的影响。 测频、测周误差相等的频率称为中界频率。 将两个 因 量化误差表达式联立可得