电子计数法测量频率原理附误差分析报告
电子频率计报告详解
数字频率计一丶设计基本要求：（1）能够测试外部输入频率10~2000HZ范围的方波信号（2）将测试的数据在显示终端上进行显示（3）可以设定检测频率值，当输入的频率符合设定值可以出现声光提示（4）要求精度在0.2HZ二、方案设计与论证方案一：本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的技术并且利用单片机的动态扫描法把测出的数据送到数字显示电路显示。
其原理框图如图1.1所示：图1.1 原理框图根据所要实现的功能，先在Proteus软件上仿真。
根据所选用的硬件可以将整个软件设计分为若干子程序，有初始化、查询时间、发送指令、读取数据、显示温度等构成，可将以上子程序分别设计，实现各自的功能，再在子程序中调用，就可以实现预期的目标。
在Proteus软件里画出相应的电路图，将编写好的程序的编译后的文件下载到Proteus电路图的单片机里，进行仿真，对频率计设置不同的参数，看是否达到了我们设计所要求的目标，如果不符合要求，需要检查程序算法和硬件连接是否有误。
若仿真成功，就按照电路图焊接硬件。
方案二：本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。
其原理框图如图2.2所示：图2.2 方案二原理框图方案的论证：方案一：本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。
编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。
方案二：本方案使用大量的数字器件，被测信号经放大整形电路编程计数器所要求的脉冲信号，其高电平持续时间1s，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束闸门关闭，停止计数。
若在闸门时间1s内计数器件的脉冲个数为N。
则被测信号频率Fx=NHz。
逻辑控制电路的作用有两个：一是产生脉冲，是显示器上的数字稳定：二十产生轻灵脉冲，是计数器每次测量从零开始技术。
频率计实验报告
频率计实验报告一、实验目的本次实验的目的是通过设计和搭建频率计电路，掌握频率测量的基本原理和方法，熟悉相关电子元器件的使用，提高电路设计和调试的能力，并深入理解数字电路中计数器、定时器等模块的工作原理。
二、实验原理频率是指周期性信号在单位时间内重复的次数。
频率计的基本原理是通过对输入信号的周期进行测量，并将其转换为频率值进行显示。
常见的频率测量方法有直接测频法和间接测频法。
直接测频法是在给定的闸门时间内，对输入信号的脉冲个数进行计数，从而得到信号的频率。
间接测频法则是先测量信号的周期，然后通过倒数计算出频率。
在本次实验中，我们采用直接测频法。
使用计数器对输入信号的脉冲进行计数，同时使用定时器产生固定的闸门时间。
在闸门时间结束后，读取计数器的值，并通过计算得到输入信号的频率。
三、实验设备与器材1、数字电路实验箱2、示波器3、函数信号发生器4、集成电路芯片（如计数器芯片、定时器芯片等）5、电阻、电容、导线等若干四、实验步骤1、设计电路原理图根据实验要求和原理，选择合适的计数器芯片和定时器芯片，并设计出相应的电路连接图。
确定芯片的引脚连接方式，以及与外部输入输出信号的连接关系。
2、搭建实验电路在数字电路实验箱上，按照设计好的电路原理图，插入相应的芯片和元器件，并使用导线进行连接。
仔细检查电路连接是否正确，确保无短路和断路现象。
3、调试电路接通实验箱电源，使用示波器观察输入信号和输出信号的波形，检查电路是否正常工作。
调整函数信号发生器的输出频率和幅度，观察频率计的测量结果是否准确。
4、记录实验数据在不同的输入信号频率下，记录频率计的测量值，并与函数信号发生器的设定值进行比较。
分析测量误差产生的原因，并尝试采取相应的措施进行改进。
五、实验数据与分析以下是在实验中记录的部分数据：｜输入信号频率（Hz）｜测量值（Hz）｜误差（％）｜｜｜｜｜｜100|98|2|｜500|495|1|｜1000|990|1|｜2000|1980|1|从数据中可以看出，测量值与输入信号的实际频率存在一定的误差。
频率计测频原理
1.1 电子计数法测频原理
1.基本原理
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：
（4.2）
门电路复习：
与门
A 1/0
B 1/0
c 1/0
同理“或”门、与非、或非门等也有类似功能。
A 0011
B 0101
C 0001
由图可见：
因此
显示
晶 振
门 控
主 门
控制电路
A
B
C
D
E
1)时基（T）电路
T
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：
=100MHz为例，可查知
=10kHz。
100MHz
图4.14 测频量化误差与测周量化误差
1Hz
1KHz
1MHz
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
10S
T=1S
0.1S
fc=10MHz
fc=1GHz
fc=100MHz
测频的量化误差
测周的量化误差
f
100MHz
因此，当
02
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。
2.测量低频时，由于±1误
2 电子计数法测量时间
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。
电子测量实验-频率测量及其误差分析
实验三频率测量及其误差分析一、实验目的1 掌握数字式频率计的工作原理；2 熟悉并掌握各种频率测量方法；3 理解频率测量误差的成因和减小测量误差的方法。
二、实验内容1用示波器测量信号频率，分析测量误差；2用虚拟频率计测量频率。
三、实验仪器及器材1信号发生器 1台2 虚拟频率计 1台3 示波器 1台4 UT39E型数字万用表 1块四、实验要求1 查阅有关频率测量的方法及其原理；2 理解示波器测量频率的方法，了解示波器各旋钮的作用；3 了解虚拟频率计测量的原理；4 比较示波器测频和虚拟频率计测频的区别。
五．实验步骤1 用示波器测量信号频率用信号发生器输出Vp-p=1V、频率为100Hz—1MHz的正弦波加到示波器，适当调节示波器各旋钮，读取波形周期，填表3-1，并以信号源指示的频率为准，计算频率测量的相对误差。
表3-1“周期法”测量信号频率信号Vp-p 1V 采集方式峰值检测显示方式YT输入通道CH1 输入藕合方式直流垂直刻度系数（粗）200 mV垂直刻度系数（细）40mV触发源CH1 触发极性上升触发耦合直流信号频率水平刻度系数周期读数（格或cm）细测得频率频率测量相对误差100Hz 2.50 ms 20.0 100.000 Hz 01kHz 250 us 20.2 990.100 Hz 0.99% 10kHz 25.0us 20.2 9.901 KHz 0.99%100kHz 2.50 us 20.2 99.010 KHz 0.99% 1MHz 250 ns 20.0 1.000 MHz 0 5MHz 50.0 ns 20.2 4.950 MHz 1.00%2 用虚拟频率计测量频率用标准信号发生器输出正弦信号作为被测信号，送到DSO2902的CH-A1通道，按表3-2进行实验。
并以信号发生器指示的频率为准，计算测频误差。
表3-2虚拟计数器测频实验序号被测信号频率（Vp-p=1V）读数测得值相对误差单位(细) 数值(格)1 100Hz 0.2ms/div 50.1 99.800Hz 0.2%2 1000Hz 25us/div 40.0 1000.000Hz 03 10kHz 2us/div 50.3 9.940KHz 0.6%4 100kHz 0.25us/div 40.0 100.000KHz 05 1MHz 50ns/div 20.0 1.000MHz 06 5MHz 10ns/div 19.8 4.975MHz 0.5%3 用UT39E型数字万用表测量频率用标准信号发生器输出正弦信号作为被测信号，用UT39E型数字万用表测量频率，按表3-3进行实验。
知识笔记-3.3 电子计数法测量周期
第三章 频率和时间测量技术§3.3电子计数法测量周期一、电子计数法测量周期的原理测周则是由晶振产生可以计数的窄脉冲N ，由被测信号产生闸门T ，具有Tx =NT c 的关系。
二、误差分析1、测周误差可以表示为：由误差曲线可以看出：被测信号频率越低，正负壹误差对测周精确度的影响就越小；基准频率fc 越高，测周的误差越小。
2、触发误差测周时闸门信号是由被测信号产生的，而被测信号有干扰，会导致时基闸门T 的不准确。
如图：U B 是触发电平，若没有干扰时闸门时间为T x ，若有干扰存在，闸门开启时间就会提前，会带来ΔT 1的误差。
11()()=()x c c c c x c x c x c cT f T f f T N f T f T f f ∆∆∆∆=±+=±+±+3、多周期测量进一步分析可知，多周期测量可以减小转换误差和± 1误差。
对于触发误差，周期倍乘K 倍后，由图可以看出，相邻周期产生的误差ΔT 是相互抵消的，只有第一个周期和最后一个周期产生的误差会存在，因此周期倍乘K 倍之后产生的总的触发误差和一个周期产生的触发误差一样，这就使得周期倍乘之后产生的触发相对误差减少为原来的1/K 倍。
4、测周总误差=±++⋅∆∆πk T kT f f u T f u x x c c mx c n 2()11 结论：1)用计数器直接测周的误差主要有三项，即量化误差、触发误差以及标准频率误差。
2)采用多周期测量即周期倍乘可提高测量准确度；有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）3)提高标准频率，可以提高测周分辨力；4)测量过程中尽可能提高信噪比Um ／Un 。
三、中界频率对某信号使用测频法和测周法测量频率，两者引起的误差相等，则该信号的频率定义为~。
若测频时扩大闸门时间n 倍，测周时周期倍乘k 倍：c M kf f nT。
电子信号频率测量方法的误差分析
门时间 ｍ 成反比； 如果预置闸门的下降沿超前较多 ， 且 待 测 信 号 的频 率 较 低， ｍ 则 较 大 ， ＝ 一
— —
ｍｐ＋Ｊ ｏＪ ｎ ／ 柏
，
有增加 。
在 图 ２中 ，。 ， ｍ Ｊｏ则 ｎ ＝１故 。＝ ｌ ｔ
；
ＬＬＬＬＬＬ － － ｊ ｊ＿ ＿ Ｊ Ｊ Ｊ Ｊ
ｉ
Ｉ
ｌ
｛
基 准频 率信 号 的标 定 频 率 与 实 际 频 率 分 别 为 √－； 册
电子计数器对待测信号的计数值和精确值分别 为 凡 、 凡； 。电子计数器对基准频率信号的计数值及精确值分
别 为 ｍ、 。 ｍ 。则待测 信 号 的精 确值 为
厶 ＝ （） １
厂 － 门 ． ＿ １ ］ｒ
图 １ 直 接 测 频 法
如图 １ 所示 ， 直接 测 频法 就 是 在 标 准 闸 门时 间 内 通 过 计数 器记 录待 测信 号 的脉 冲个 数 以获 得 其 频 率 。
而 实际计 算待 测信 号频 率时 ， 只能采 用下 式 ：
方法。
关键词 ： 频率测量 ； 误差分析 ； 闸门测频法 变
１ 引言
频率 源不 稳 定 造 成 的 。基 准 频 率 源 一 般 由 晶体 振 荡
电子信 号频率 的测量 目前多 采 用 数 字法 ， 即通过 电子 计数器 的输入 通道 对信 号 进行 放大 （ 减 ） 滤波 衰 、
Ａ＝ 这 样 就形成 了测 量误 差 。 （） ２
因为标准闸门时间由计数器对 基准频率信号计数获 得， 因此保证 了 ｍ值计数的准确性 ， ｍ＝ 。而待测 即 ｍ， 信 号 的计数 存在 ±１的量化 误差 。由式 （ ） ６ 可得
频率计——电子电路实验报告
电子电路实验报告学院（系）电子与信息工程学院专业电子信息工程（中意）学生姓名秦翰学号11523032013 年8 月2日一、数字频率计的原理频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号。
因此数字频率计实际是一个脉冲计数器，即在单位时间里所统计的脉冲个数，所以我们课题研究的主要内容放在计数脉冲电路。
实际应用中测量频率和周期的方法一般可分为无源测频法、有源测频法及计数器法等方法。
计数器法，又分为直接测频法和间接测频法。
（1）直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数。
用一标准闸门信号（闸门宽度为T c ）对被测信号的重复周期进行计数，计数结果为N x 时，其待测频率为时间T c 为标准闸门宽度（s ），N x 为计数器计出的脉冲个数（重复周期数），测量的精度主要取决于计数N x 的误差。
其特点在于：测量方法简单；待测信号频率越高，精度越高；测量时间越长，误差越小；但当待测信号频率较低时，误差较大。
（2）间接测频法，如周期测频法。
此法是在待测信号的一个周期T x 内，记录标准频率信号变化次数N 0。
这种方法测出的频率是x F =0N /x T （公式2-2） 此法的特点是低频检测时精度高，但高频检测时误差很大。
为了提高T 法高频测量时的精度可通过A 分频使待测信号的周期扩大A 倍。
数字频率计作为数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。
随着复杂可编程逻辑器件的广泛应用，以EDA 工具作为开发手段，运用VHDL 语言。
将使整个系统大大简化。
提高整体的性能和可靠性。
1.电路的组成及工作原理(1) 电路的组成数字频率计一般都由振荡器、分频器、三级CMOS 反相器、控制器、计数译码器、LED 显示器这几部分组成。
首先晶振信号由振荡器的振荡电路产生一个标准频率信号，经分频器分频得到2Hz 的控制脉冲。
电子计数法测量频率原理及误差分析
电子计数法测量频率原理及误差分析
摘要：频率是电信号的基本特性之一. 在各种对频率的测量方法中 , 电子计数法测频具有测量精度高 , 读数直观 , 测量迅速 , 以及便于实现测量过程自动化等优点.电子计数法测频的基本方法有两种 , 即直接测频和通过测周期得到频率.
测频原理
直接测频的原理是依照频率的定义 :若某一信号在 T 秒时间内重复变化 N 次 ,
则（注意： 适用于测量较高的频率）
基于此原理的测量框图如图. 脉冲形
成电路 闸门 门控电路
时基信号发生器
2 3 4
5 十进制 计数器
电子计数器测频原理方框图
T N f x
误差分析：
设主门的开启时间为T , 被测信号周期为Tx , 主门开启时刻至下一个计数脉冲的前沿为Δt1 , 主门关闭时刻至下一个计数脉冲的前沿为Δt2 , 如图2 所示.
由图2
由式得到, 被测频率越高, 闸门时间越长, 则量化误差越小. 但闸门时间太长, 则降低测量速度, 且受到显示位数的限制.
式中第二项为闸门时间相对误差
f c 为石英晶体振荡器的频率. 闸门时间误差大小主要取决于晶体振荡器的频率误差. 由此得到计数法测频的最大相对误差为
结论：由以上分折, 基本计数法测频的误差除忽略由高稳定度的晶振引起的频率误差外, 主要是量化误差, 为了提高测频的精度可采取如下措施:
(1) 提高晶振频率的准确度以减小闸门的时间误差.
(2) 被测频率较高时采用直接测频法, 并可在计数显示不溢出的条件下扩大闸门时间或倍频被测
信号以减小量化误差.
(3) 被测频率较低时采用测周期的方法测频, 并选择较高频率的时标信号或分频被测信号以减小量化误差. 但增大时标信号频率受到计数器计数速度的限制.。
实验报告电子测量
一、实验目的1. 熟悉电子测量仪器的基本原理和使用方法。
2. 掌握常用电子测量仪器的操作技巧。
3. 提高电子测量实验技能，培养严谨的科学态度。
二、实验原理电子测量是指利用电子技术和电子仪器对各种物理量进行测量。
本实验主要涉及以下测量原理：1. 电压测量：利用电压表直接测量电路中的电压值。
2. 电流测量：利用电流表直接测量电路中的电流值。
3. 电阻测量：利用欧姆定律，通过测量电压和电流，计算出电阻值。
4. 频率测量：利用频率计测量信号源的频率值。
5. 信号发生器：产生各种频率、幅度和波形的标准信号。
三、实验仪器1. 双踪示波器2. 数字万用表3. 欧姆表4. 频率计5. 信号发生器6. 滑动变阻器7. 电容8. 电感9. 电源四、实验内容1. 示波器使用方法（1）观察正弦波（2）观察矩形波（3）观察三角波（4）观察李萨如图形2. 电压测量（1）测量直流电压（2）测量交流电压3. 电流测量（1）测量直流电流（2）测量交流电流4. 电阻测量（1）测量固定电阻（2）测量可变电阻5. 频率测量（1）测量正弦波频率（2）测量矩形波频率6. 信号发生器使用（1）产生正弦波（2）产生矩形波（3）产生三角波五、实验步骤1. 示波器使用方法（1）打开示波器电源，调整亮度、对比度等参数。
（2）将示波器探头连接到待测电路，调整探头衰减倍数。
（3）观察波形，调整示波器参数，使波形清晰可见。
2. 电压测量（1）将电压表的正极探头连接到电路中待测电压点，负极探头接地。
（2）选择合适的量程，读取电压值。
3. 电流测量（1）将电流表串联接入电路中待测电流点。
（2）选择合适的量程，读取电流值。
4. 电阻测量（1）将待测电阻接入电路。
（2）选择合适的量程，读取电阻值。
5. 频率测量（1）将频率计探头连接到待测信号源。
（2）选择合适的量程，读取频率值。
6. 信号发生器使用（1）将信号发生器输出端连接到待测电路。
（2）调整信号发生器参数，产生所需波形。
第三章 时间频率计量
3.1 概述
一、基本概念 时间是一个基本的物理量，单位是秒（s）。 在单位时间内周期运动重复、循环、振动的 次数称为频率，单位是赫兹（Hz）。 时间间隔是连续流逝的时间中两个瞬时之间 的间隔，可用时间坐标轴上的线段来表示。 作为线段中任何一点的瞬间称为时刻。 时标是能给各个事件赋予时刻的时间参考标 尺的简称。
二、时标的沿革 （1）世界时 以地球的自转运动为基础。 时间单位是平太阳秒，等于一个平太阳日的 1/86400。 （2）历书时 以地球绕太阳的公转运动周期为基础。 时间单位是历书秒，它是从1899年12月31 日12时起始的回归年的1/31556925.9747。
（3）国际原子时 时间单位是原子秒，等于铯-133原子基态的 两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的 9192631770个周期的持续时间。 国际原子时与世界时之差，正以每年大约1s 的速度不断扩大。 （4）协调世界时 其时刻尽量和世界时一致，时间间隔秒与原 子秒保持严格一致。通过增减一整秒（闰秒） 的办法进行协调。
所以测量低频时不宜采用直接测频方法，宜采用测 周期的方法，再换算成被测信号的频率，从而提高 测量的精确度
fc/fc=5*10-9
由右图知： fx一定时，闸门 时间越大，测量 精确度越高； T 一定时， fx越 大，测量精确度 越高；但以标准 频率误差为极限
T=0.1s
五、外差法扩大频率测量范围
一、时间基准的产生 频率是每秒内信号变化的次数。要准确测量频率必须 首先要确定一个准确的时间间隔。一般选用高稳定度 石英晶体谐振器来产生时间基准。 设石英晶体振荡器产生的 脉冲周期为T0，经过一系 列分频后可得到基准标准 的时基，如10ms, 0.1s, 1s, 10s等。如图所示，T＝ N0T0，N0是时基T内含有 晶振本身振荡周期的整数 倍数。
电子计数器测频和测周的原理
电子计数器测频和测周的原理一、实验目的1. 了解频率测量的基本原理。
2. 了解电子计数器测频/测周的基本功能。
3. 熟悉电子计数器的使用方法。
二、实验内容1. 频率测量，并了解测频方式下：闸门时间与测量分辨率关系。
2. 周期测量，并了解测周方式下：时标、周期倍增与测量分辨率关系。
三、实验器材1. SJ-8002B 电子测量实验箱1台 2．双踪示波器（20MHz 模拟或数字示波器） 1台3．函数信号发生器（1Hz ～1MHz ） 1台 4．计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力) 1台四、实验原理1.测频原理所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间变化的次数。
电子计数器是严格按照/f N T =的定义进行测频，其对应的测频原理方框图和工作时间波形如图1 所示。
从图中可以看出测量过程：输入待测信号经过脉冲形成电路形成计数的窄脉冲，时基信号发生器产生计数闸门信号，待测信号通过闸门进入计数器计数，即可得到其频率。
若闸门开启时间为T 、待测信号频率为xf ，在闸门时间Ｔ内计数器计数值为N ，则待测频率为/x f N T = (1)若假设闸门时间为1s ，计数器的值为1000，则待测信号频率应为1000Hz 或1.000kHz ，此时，测频分辨力为1Hz 。
图1 测频原理框图和时间波形2.测周原理由于周期和频率互为倒数，因此在测频的原理中对换一下待测信号和时基信号的输入通道就能完成周期的测量。
其原理如图2所示。
图2 测周原理图待测信号Tx 通过脉冲形成电路取出一个周期方波信号加到门控电路，若时基信号(亦称为时标信号)周期为0T ，电子计数器读数为N ，则待测信号周期的表达式为x N T MT ⨯=（2） 例如：x f = 50Hz ，则主门打开1/50Hz （= 20ms ）。
若选择时基频率为0f = 10MHz ，时基0T ＝0.1us ，周期倍乘选1，则计数器计得的脉冲个数为0x N T T == 200000 个，如以ms 为单位，则计数器可读得20.0000(ms) ，此时，测周分辨力为0.1us 。
实验3 频率测量及其误差分析实验报告
电子测量实验报告实验三频率测量及其误差分析院系：信息工程学院班级：08电子信息工程一班学号：**********姓名：***实验三频率测量及其误差分析一、实验目的1 掌握数字式频率计的工作原理；2 熟悉并掌握各种频率测量方法；3 理解频率测量误差的成因和减小测量误差的方法。
二、实验内容1用示波器测量信号频率，分析测量误差；2用虚拟频率计测量频率。
三、实验仪器及器材1信号发生器 1台2 虚拟频率计 1台3 示波器 1台4 UT39E型数字万用表 1块四、实验要求1 查阅有关频率测量的方法及其原理；2 理解示波器测量频率的方法，了解示波器各旋钮的作用；3 了解虚拟频率计测量的原理；4 比较示波器测频和虚拟频率计测频的区别。
五．实验步骤1 用示波器测量信号频率用信号发生器输出Vp-p=1V、频率为100Hz—1MHz的正弦波加到示波器，适当调节示波器各旋钮，读取波形周期，填表3-1，并以信号源指示的频率为准，计算频率测量的相对误差。
操作步骤：1、将信号发生器与示波器用线连接好。
其中CH1为输出通信，设置信号发生器为正弦波，输出Vp-p=1V，起始频率为2Hz，观察并记录各个信号的频率，周期和测量误差。
2、保持幅度不变，改变输出频率，最好设置为2Hz—100MHz之间，同样计算并记录频率，周期，和测量误差。
如下表：表3-1“周期法”测量信号频率分析结果：如上表，我们发现，当频率从2Hz—100MHz之间变化时，其相对误差的大小会发生变化。
当频率为特别小或者特别大时，误差相对会比较大一些。
如上表的2Hz和100MHz。
原因在于，当频率特别小的时候，受到的外界干扰信号影响对其比较大，相当于把原信号给淹没了。
当频率特别大的时候，高频干扰同样会对它产生比较大的影响。
2 用虚拟频率计测量频率用标准信号发生器输出正弦信号作为被测信号，送到DSO2902的CH-A1通道，按表3-2进行实验。
并以信号发生器指示的频率为准，计算测频误差。
2.3 电子计数器原理及测量小结
倍乘器
C输入
S
倍乘器
C通道
门控 电路
时间 闸门 1s 10s
电子 计数器 10s
– K2
石英 振荡器
时基分频器
与测周类似，被测信号加到B、C两通道， 整形以后共同控制门控电路和时间闸门， 在闸门开通期间，对时标信号进行计数， 测出的时间间隔可表示为
T NTs
㈡ 测量方法
⒈ 测量两个信号之间的时间间隔（基本模式）
例如测量两个同频信号之间的相位差所对应的时间t1。这 时应把开关S断开，把B、C两通道的触发电平调到零， 触发极性均放在“+”或者均放在“–”，放在“+”时，测 出的是图中的t1，放在“-”时，测出的是图中的t2。如图 所示。
v1
v2
t2
t
t1
⑵ 闸门时间误差
闸门时间误差主要由时标信号产生电路的石英晶体 振荡器的频率准确度决定，用T/T表示。
f c T T fc
一般，T/T的值远小于N/N的值。 综上所叙，计数器测频时的主要误差有两项，即计数 误差和闸门时间误差（标准频率误差），可用绝对值 合成法表示如下：
1 f x f c Tf fx f c x
3 4 5 6 7 8 9 10
fx
由图可见，它以标准频率误差为下限，主要由闸门时 间误差决定，即与闸门时间T和被测频率fx成反比。
3. 计数器测周原理
Ts
石英 振荡器
1 k
时间 闸门
电子 计数器
B 通 道
Tx
脉冲形 成电路 门控 电路
Tx
？
用被测信号周期形成的门控脉冲控制闸门，对时标 信号进行计数。
电子计数器误差
4.5 电子计数器的测量误差本节要求：（1）掌握量化误差、触发误差、标准频率误差的概念及来源;（2）掌握频率测量误差的组成及分析方法,并能用来解决实际问题;（3）掌握周期测量误差的组成及分析方法,并能用来解决实际问题;（4）掌握减小频率及周期测量中误差的方法;4.5.1 测量误差的来源1.量化误差所谓量化误差就是指在进行频率的数字化测量时,被测量与标准单位不是正好为整数倍,因此在量化过程中有一部分时间零头没有被计算在内而造成的误差,再加之闸门开启和关闭的时间和被测信号不同步随机的,使电子计数器出现±1误差;2.触发误差所谓触发误差就是指在门控脉冲在干扰信号的作用下使触发提前或滞后所带来的误差;3.标准频率误差标准频率误差是指由于电子计数器所采用的频率基准如晶振等受外界环境或自身结构性能等因素的影响产生漂移而给测量结果引入的误差;4.5.2 频率测量误差分析计数器直接测频的误差主要由两项组成：即±1量化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.1.量化误差在测频时,由于闸门开启时间和被计数脉冲周期不成整数倍,在开始和结束时产生零头时间Δt1和Δt2,由于Δt1和Δt2在0～T x之间任意取值,则可能有下列情况：①当t1＝t2时,N＝0②当t1＝0,t2＝T x时,N＝－1③当t1＝T x,t2＝0时,N＝＋1即最大计数误差为±1个数,故电子计数器的量化误差又称为±1误差;x s f T N N N 11±=±=∆ 4-102. 标准频率误差由于晶振输出频率不稳定引起闸门时间的不稳定,造成测频误差;所以： s c sc T fT f ∆∆=-3.减小测频误差方法的分析根据式4-9所表示的测频误差△f x /f x 与±1误差和标频误差△f c /f c 的关系,可画出如图4－15所示的误差曲线;图4－15 计数器测频时的误差曲线从图中可以看出：当在f x 一定时,增加闸门时间T s 可以提高测频分辨力和准确度;当闸门时间一定时,输入信号频率f x 越高则测量准确度越高;在这种情况下,随着±1误差减小到cc f f /∆以下时,c c f f /∆的影响不可忽略;这时,可以认为cc ff /∆是计数器测频的准确度的极限;例4.1 设f x ＝20MHz,选闸门时间T s ＝0.1s,则由于±1误差而产生的测频误差为：若T s 增加为1s,则测频误差为±5×10－8,精度提高10倍,但测量时间是原来的10倍; 1. 误差表达式由式T x ＝N T 0 可得 00T T N N T T xx ∆+∆=∆因为： 0x x TN T f T == ,所以： 0011()c c xx c x c T f T T T f T T f f ∆∆∆=±±=±+4-11 2. 减小测量周期误差的方法根据式4－11我们可以得到下图所示的测周期的误差曲线图,由图中可以看出：110-1 10-210-310-410-510-310-710-810-910-10110 102103 10K 102K 103K 10M 102M 103Mf x Hz闸门时间T s =0.1s 1s 10sss图4－16测周误差曲线图 周期测量时信号的频率越低,测周的误差越小；周期倍乘的值越大,误差越小；另外可以通过对更高频率的时基信号进行计数来减小量化误差的影响; 3. 中界频率当直接测频和直接测周的量化误差误差相等时,就确定了一个测频和测周的分界点, 这个分界点的频率称为中界频率;00s xm xm xm F T f f T f == 4-12xmf = 4-13 根据中界频率,我们可以选择合适的测量方法来减小测量误差;既：当f x > f xm 时,应使用测频的方法；当f x < f xm 时,适宜用测周的方法; 4. 触发误差在测量周期时,被测信号通过触发器转换为门控信号,其触发电平波动以及噪声的影响等,在测周时,闸门信号宽度应准确等于一个输入信号周期;闸门方波是输入信号经施密特触发器整形得到的;在没有噪声干扰的时候,主门开启时间刚好等于一个被测周期T x ;当被测信号受到干扰时如图4-17所示,干扰为尖峰脉冲V n ,V B 为施密特电路触发电平施密特电路本来应在A 1点触发,现在提前在A 1’处触发,于是形成的门方波周期为T ’x ,由此产生的误差1T ∆称为“触发误差”;可利用图4-17b 来近似分析和计算1T ∆;如图中直线ab 为A 1点的正弦波切线,则接通电平处正弦波曲线的斜率为tg α; 由图可得：αtg v T n=∆1 4-14式中,v n ——干扰和噪声幅度;将上式代入式4-14,,即V B ＝0,可得：式中,V m 为信号振幅;同样,在正弦信号下一个上升沿上图中A 2点附近也可能存在干扰,即也可能产生触发误差2T ∆,由于干扰或噪声都是随机的,所以1T ∆和2T ∆都属于随机误差,可按2221)()(T T T n ∆+∆=∆5. 多周期同步法多周期测量减小转换误差的原理如图4－18所示;因为闸门信号是和被测信号同步后产生的,所以对周期个数的计数值不存在量化误差;而两相邻周期触发误差所产生的ΔT 是相互抵消的,思考题：1.分析通用计数器测量频率和周期的误差,以及减小误差的方法;2. 用电子计数式频率机测量1KHz 的信号,当闸门时间分别为1秒和0.1秒时,试比较两种方法由±1误差引起的相对误差;3. 利用计数器测频,已知内部晶振频率f c ＝1MHz,Δf c /f c ＝±1×10－7,被测频率f x ＝100KHz,若要求“±1”误差对测频的影响比标准频率误差低一个量级即为±1×10－6,则闸门时间应取多大 若被测频率f x ＝1KHz,且闸门时间保持不变,上述要求能否满足 4.6 高分辩率时间和频率测量技术 本节要求：（1） 掌握多周期同步法的原理;（2） 掌握模拟内插法和游标法的原理并能用来解决实际问题; （3） 了解模拟内插法的校准技术; （4） 掌握平均法的原理;倒数计数器采用多周期同步测量的原理,即测量输入信号的多个整数个周期值,再进行倒数运算而求得频率;图4－19 倒数计数原理图f x 为输入信号频率,f 0为时钟脉冲的频率;A 、B 两个计数器在同一闸门时间T 内分别对f x和f 0进行计数,计数器A 的计数值N A =f x T,计数器B 的计数值N B =f 0T 0,由于： 则被测频率f x 为：A x BN f f N =⋅ 4－18 4.6.2 模拟内插法1. 内插法原理内插法是把图4－14中的小于量化单位的时间零头Δt 1和Δt 2加以放大,再对放大后的时间进行数字化测量;图4－20 内插法示意图内插法要对三段时间进行测量：即要分别测出T s 、T 1、T 2如图4－20所示;图4－21 内插时间扩展示意图在Δt 1期S 1闭合,恒流源I 1对电容C 充电;Δt 1期结束,S 1断开,S 2接通,恒流源I 2＝I 1/1000对电容C 放电,直到起始电平位置,然后保持此电平;例如,在测量Δt 1的过程中,可得到如下的公式;从公式中可以看出：虽然在测T 1、T 2时依然存在±1字的误差,但其相对大小可缩小1000倍,使计数器的分辨率提高了三个数量级; 1. 游标法的原理游标法使用了两种频率非常接进的时钟信号;两个信号开始计数的时刻不同,其差值就 是被测的时间间隔Δt 1,如图4－22所示;图4－22 游标法原理图因为F 01> F 02,且非常接近,故以后的每个周期两时钟之间的间隔都将减少T 02-T 01,当Δt 1＝N T 02-T 01时,经过N我们定义扩展系数K由上式得：则式4－19可写成由上式可见,游标法把测时分辨率从直接法的T 01提高到了T 01/K;1. 平均法原理在普通的计数器中,由于闸门开启和被测信号脉冲时间关系的随机性,单次测量结果的相对误差在－1/N ～1/N范围内出现;某一个误差值的出现对于所有的单次测量来说是服从均匀分布的;因而,在多次测量的情况下其平均值必然随着测量次数的无限增多而趋于零;以有限次n 的测量来逼近理想情况可得：可见随着测量次数的增加,;思考题：1.在模拟内插法的测量中还存在量化误差吗它对最后测量结果的影响有什么变化2.提高模拟内插法分辨率的措施有哪些3.提高游标法分辨率的措施有哪些本章小结时间与频率是最基本的一个参量;本章首先给出时间和频率的基本概念以及时间和频率标准的建立; 时间和频率的测量技术经历了一个从模拟到数字的发展过程,从早期的电桥法、谐振法、拍频法等到现在的计数法,测量的精度和范围都有巨大的提高;电子计数器是应用最为广泛的数字化仪器,也是最重要的电子测量仪器之一; 本章介绍了采用电子计数器测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数及仪器自校等几种工作模式的原理,并着重讨论了测频和测时这两种基本测量方法的误差;这一部分是本章的基本内容,也是要重点掌握的部分;深入分析误差产生的原因及研究解决方法是本章的另一个重点;在理论分析的基础上,我们讨论了减小误差的方法,比如采用高精度频率源来减小标准频率误差；采用多周期测量方法减小触发误差；采用内插法和游标法减小量化误差等;频率准确度和频率稳定度是标准频率源的两项主要指标;对标准频率源的测量属于频率精密测量的内容,这种测量是通过两个不同精度等级的频率源之间进行比对来实现的;由于一个频率源的准确度是由它的频率稳定度来保证的,因此,检定一个频率源的主要内容是测量它的频率稳定度;本章在阐述频率稳定度的基本概念、频率稳定度的表征的基础上,对频率稳定度的测量方法——阿仑方差的测量进行了介绍;调制域测量是电子测量发展的一个新方向,对它的了解能够扩展对本领域了解的范围,并把握最新的动态;。
电子科技大学现代电子综合实验频率计实验报告讲解
实验报告学生：学院：专业：学号：指导老师：目录一、实验名称： (3)二、实验目的： (3)三、实验任务： (3)四、实验原理： (3)1.分频器： (4)①功能 (4)②实现： (4)2.闸门选择 (5)①功能 (5)②实现 (5)3.门控电路： (6)①功能： (6)②实现 (7)4.计数器： (8)①功能 (8)②实现 (8)5.锁存器： (9)①功能 (9)②实现 (9)6.扫面显示 (9)①功能 (9)②实现 (9)7.top顶层文件 (10)①功能： (10)②实现： (10)8.管脚的配置： (11)六、误差分析： (13)1. 原因 (13)2.减小误差 (13)七、实验结论： (14)八、程序附录： (14)1.分频器： (14)2.闸门选择： (15)3.门控电路： (16)4.计数器： (17)5.锁存器： (19)6.扫面显示： (20)7.top程序： (21)一、实验名称：基于FPGA的数字频率计的设计二、实验目的：学习VHDL语言并使用它完成频率计的设计，使学生不断的加深对VHDL描述语言的掌握，以及不断总结由软件来实现硬件的特点，学会程序与芯片的对接，为以后的工作和更进一步的学习学习打好基础。
三、实验任务：基于FPGA采用硬件描述语言VHDL，在软件开发平台ISE上设计出一个数字频率计，使用ModelSim仿真软件对VHDL程序做仿真并下载到芯片完成实际测量。
要求：其频率测量范围为10Hz～10MHz，测量结果用6只数码管显示。
有三个带锁按键开关(任何时候都只能有一个被按下)被用来选择1S、0.1S和0.01S三个闸门时间中的一个。
有两只LED，一只用来显示闸门的开与闭，另一只当计数器溢出时做溢出指示。
四、实验原理：频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟（本实验采用50MHz的石英振荡器作为基准时钟），对比测量其他信号的频率。
通常情况下计数每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1S，闸门时间也可以大于或小于1S。
电子信号频率测量方法误差分析
电子信号频率测量方法误差分析现阶段在电子信号频率的测量上大多是采用数字方法进行，其基本原理是利用电子计数的输入通道对信号进行放大、分析、处理，然后再结合具体数据输出符合技术要求的脉冲信号，然后再通过定时器对采样时间间隔加以控制。
一般来说，在该时间段内对电子信号与基准频率信号进行计算能够通过计算机分析得出具体的频率值。
当前在电子信号频率的测量上主要有变闸门测频法、测周期法与直接测频发三种，对此就通过采用定量分析的方法对三种测量方法进行具体分析，并提出一些可用参考的意见与措施。
标签：电子信号；数字方法；电子计数器；采样1电子信号频率测量原理与误差分析设待测电子信号的频率实际测量值、精确值分别为fx、fx0；电子信号的基准频率的标定频率与实际测量频率分别为fR、fR0；电子计数器对待测电子信号的计数值和精确值分别为n、n0；电子计数器对基准频率信号的计数值及精确值分别为m、m0。
然后通过计算，得出电子信号待测精确值为fx0=m01m0fR0（1）而实际计算待测电子信号频率公式为：fx=n1mfR（2）从公式（1）与公式（2）就可以明显看出电子信号的实际测量值与理论计算值存在有不同，因此必然会造成电子信号频率的测量误差。
如果设定公式（2）中的四个变量的绝对误差分别为，则可以推出以下两个计算公式：Δfx=dfx=fx1ndn+fx1fRdfR+fx1mdm（3）Δfx≈fR1mΔn+n1nΔfR-n1m2fRΔm（4）如果设定公式（2）中的四个变量的相对误差分别为，则可以把公式（4）中的绝对误差量用相对误差量替代得到公式（5）：δfx=m01m*fR1fR0δn+m01m*n1n0δfR-n1n0*m201m2*fR1fR0δm（5）公式（5）中所产生的误差主要是因为电子计数器基准频率源不稳定所导致的，当前有很多电子技术其基准频率源是由于振荡器晶体震荡频率信号分频所获取到的，因此其稳定性同传统电子技术器相比较强，这样就可以忽略误差项，就可以把公式（5）简化为下式：δfx=m01m*δn-n1n0*m201m2*δm（6）因此由公式（6）可以得出，误差项是难以利用某一方法加以消除，不仅如此，由于在电子技术其的技术时间间隔当中也会产生一定的计数误差，而且在计数间隔中很难保证计数始终为整，加上电子计数器其最小技术单位为1，因此在计数过程中所产生的量化误差同样不可消除。
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电子计数法测量频率原理及误差分析
摘要：频率是电信号的基本特性之一. 在各种对频率的测量方法中 , 电子计数法测频具有测量精度高 , 读数直观 , 测量迅速 , 以及便于实现测量过程自动化等优点.电子计数法测频的基本方法有两种 , 即直接测频和通过测周期得到频率.
测频原理
直接测频的原理是依照频率的定义 :若某一信号在 T 秒时间内重复变化 N 次 , 则（注意： 适用于测量较高的频率）
基于此原理的测量框图如图
.
电子计数器测频原理方框图
T N f x
误差分析：
设主门的开启时间为T , 被测信号周期为Tx , 主门开启时刻至下一个计数脉冲的前沿为Δt1 , 主门关闭时刻至下一个计数脉冲的前沿为Δt2 , 如图2 所示.
由图2
由式得到, 被测频率越高, 闸门时间越长, 则量化误差越小. 但闸门时间太长, 则降低测量速度, 且受到显示位数的限制.
式中第二项为闸门时间相对误差
f c 为石英晶体振荡器的频率. 闸门时间误差大小主要取决于晶体振荡器的频率误差. 由此得到计数法测频的最大相对误差为
结论：由以上分折, 基本计数法测频的误差除忽略由高稳定度的晶振引起的频率误差外, 主要是量化误差, 为了提高测频的精度可采取如下措施:
(1) 提高晶振频率的准确度以减小闸门的时间误差.
(2) 被测频率较高时采用直接测频法, 并可在计数显示不溢出的条件下扩大闸门时间或倍频被测
信号以减小量化误差.
(3) 被测频率较低时采用测周期的方法测频, 并选择较高频率的时标信号或分频被测信号以减小量化误差. 但增大时标信号频率受到计数器计数速度的限制.。