多周期同步等精度频率测量计
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2013届本科毕业设计
（一号黑体居中）
多周期同步等精度频率测量计
（二号黑体中)
院 （系） 名 称
物理与电子信息学院（小三号黑体）
专 业 名 称
电子信息科学与技术（小三号黑体）
学 生 姓 名
张三丰（小三号黑体）
学 号
090524111（小三号Times New Roman）
指 导 教 师
何大壮教授（小三号黑体）
闸门时间误差，对式（1.1）进行积累与合成运算，可以得到计数式直接测频误差的计算公式如下：
= - =±（ + ）式（1.2）
上式右边第一项为量化误差的相对值，其中 ；第二项为闸门时间的相对误差，数值上等于晶体振荡器基准频率的相对不确定度 。
由（1.2）式可知△fX/fX与 、fX以及 的关系，即在fX一定时，闸门时间 选得越长，测量准确度就越高。而当 选定后，fX选得越高，由于±1误差对测试结果的影响减小，测量准确度就越高。但是随着±1误差影响的减小，闸门时间（也即基准频率）自身的准确度对测量结果的影响不可忽略，这时认为 是计数式直接测频率准确度的极限。
本设计中在开始对各种实现方案进行比较后，在最终确定实现方案的基础上，对各子系统模块电路都进行了详细的介绍，如主要由模拟电路组成的输入通道子系统；由数字硬件电路实现的多周期同步等精度测量控制及功能切换子系统；单片机及其外围部件子系统，在本设计中对该三部分的组成与原理都作了详细的介绍与论述。同时也给出了个子系统的电路原理图，以及软件部分的实现流程图。
完 成 时 间
2013年5月8日（小三号黑体）
绪论
在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一，因此数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。本设计的多周期同步等精度测量频率计在硬件方面是基于AT89C51单片机，外加一些模拟硬件和数字硬件电路和大规模可编程逻辑器件实现的，整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。在不更改硬件电路的基础上，对系统进行各种改进还可以进一步提高系统的性能。该数字频率计具有同步、等精度、高速、精确、可靠、抗干扰性强和现场可编程等优点。本设计的数字频率计以AT89C51为核心，在软件编程中采用的是C51语言，测量时所有频段均采用了多周期同步测量法，它避免了直接测频法在低频段误差大与直接测周期在高频段误差大对精度的不足，同时消除了直接与间接相结合方法，需对被测信号的频率与中界频率的关系进行判断带来的不便，能实现较高的等精度频率和周期的测量。在设计中，采用了门控信号和被测信号对计数器的使能端进行双重控制，提高了测量的精确度；在运算单元上采用了AT89C51单片机，其本身就还有丰富的逻辑功能，也包含有本设计所需要的除法功能，不仅提高了运算速度，而且减小了资源消耗。
事实上频率和时间的测量已越来越受到重视，长度、电压等参数也可以转化为与频率测量有关的技术来确定。本文通过对传统的多周期同步法进行探讨，提出了多周期同步等精度测量方法。最简单的测量频率的方法是直接测频法，直接测频法就是在给定的闸门信号中填入脉冲，通过必要的计数电路，得到填充脉冲的个数，从而算出待测信号的频率或周期。在直接测频的基础上发展的多周期同步测量方法，在目前的测频系统中得到越来越广泛的应用。多周期同步法测频技术的实际闸门时间不是固定的值，而是被测信号的整周期倍，即与被测信号同步，因此消除了对被测信号计数时产生的±1个字误差，测量精度大大提高，而且达到了在整个测量频段的等精度测量，测量分辨率与被测频率的大小无关，仅与取样时间及时基频率有关，可以实现被测频带内的等精度测量。取样时间越长，时基频率越高，分辨率越高。多周期同步法与传统的计数法测频比较，测量精度明显提高。
同时本设计也对一些基本实用的原理进行简单的介绍：如数字化直接测量频率的原理，数字化直接测量周期的原理，数字化直接测量时间间隔的原理，以及中界频率的测定和多周期同步测量法（倒数计数器）原理的介绍，在对比之后选择了多周期同步测量法来实现本设计。因为在本设计中从分析可知较为合理的测量方法直接测量和间接测量相结合的方法，而采用此方法是还需要对被测信号的频率与中界频率的关系进行判断，以确定是采用测频还是测周期法。而多周期同步测量法不需要这一步，并能实现高的等精度频率和周期的测量。
fX=N/TS式（1.1）
由上式可知，当闸门时间为为1s时，N值就是被测信号的频率。因为各个闸门时间之间为10的倍数关系，所以当N以十进制数显示时，对TS的取值不为1S时，只要移动小数点的位置就能直接显示出所测信号的频率的值。该测频方法由于主门的开启时间与被测信号之间不同步，而使计数值N带有±1的测量误差；且被测信号频率越低时，该量化误差的影响就越大。若再考虑有晶体振荡器引起的
1.1.2数字化直接测量周期的原理
第1章测量原理与测量方法的分析
1.1测量原理
1.1.1数字化直接测量频率的原理
图1.1计数式测频的原理方框图
无论频率、周期还是时间间隔的测量，均是基于主门加计数器的结构而实现的，图1.1示出了这种计数式直接测频的原理框图。其中主门具有“与门”的逻辑功能。主门的一个输入端送入的是频率为fX窄脉冲，它是由被测信号经A通道放大整形后得到的。主门的另一个输入端送入的是来自门控双稳的闸门时间信号TS。因为门控双稳是受时基（标准频率）信号控制的，所以TS既准确又稳定。设计时通过晶体振荡器和分频器的配合，可以获得10s、1s、0.1s等闸门时间，由于主门的“与”功能,它的输出只有在闸门信号TS有效期间才有频率为fX的脉冲输出，并送到计数器去计数，计数值为N=TS =TS·fX，它与被测信号的频率fX成正比，有此可得：
（一号黑体居中）
多周期同步等精度频率测量计
（二号黑体中)
院 （系） 名 称
物理与电子信息学院（小三号黑体）
专 业 名 称
电子信息科学与技术（小三号黑体）
学 生 姓 名
张三丰（小三号黑体）
学 号
090524111（小三号Times New Roman）
指 导 教 师
何大壮教授（小三号黑体）
闸门时间误差，对式（1.1）进行积累与合成运算，可以得到计数式直接测频误差的计算公式如下：
= - =±（ + ）式（1.2）
上式右边第一项为量化误差的相对值，其中 ；第二项为闸门时间的相对误差，数值上等于晶体振荡器基准频率的相对不确定度 。
由（1.2）式可知△fX/fX与 、fX以及 的关系，即在fX一定时，闸门时间 选得越长，测量准确度就越高。而当 选定后，fX选得越高，由于±1误差对测试结果的影响减小，测量准确度就越高。但是随着±1误差影响的减小，闸门时间（也即基准频率）自身的准确度对测量结果的影响不可忽略，这时认为 是计数式直接测频率准确度的极限。
本设计中在开始对各种实现方案进行比较后，在最终确定实现方案的基础上，对各子系统模块电路都进行了详细的介绍，如主要由模拟电路组成的输入通道子系统；由数字硬件电路实现的多周期同步等精度测量控制及功能切换子系统；单片机及其外围部件子系统，在本设计中对该三部分的组成与原理都作了详细的介绍与论述。同时也给出了个子系统的电路原理图，以及软件部分的实现流程图。
完 成 时 间
2013年5月8日（小三号黑体）
绪论
在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一，因此数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。本设计的多周期同步等精度测量频率计在硬件方面是基于AT89C51单片机，外加一些模拟硬件和数字硬件电路和大规模可编程逻辑器件实现的，整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。在不更改硬件电路的基础上，对系统进行各种改进还可以进一步提高系统的性能。该数字频率计具有同步、等精度、高速、精确、可靠、抗干扰性强和现场可编程等优点。本设计的数字频率计以AT89C51为核心，在软件编程中采用的是C51语言，测量时所有频段均采用了多周期同步测量法，它避免了直接测频法在低频段误差大与直接测周期在高频段误差大对精度的不足，同时消除了直接与间接相结合方法，需对被测信号的频率与中界频率的关系进行判断带来的不便，能实现较高的等精度频率和周期的测量。在设计中，采用了门控信号和被测信号对计数器的使能端进行双重控制，提高了测量的精确度；在运算单元上采用了AT89C51单片机，其本身就还有丰富的逻辑功能，也包含有本设计所需要的除法功能，不仅提高了运算速度，而且减小了资源消耗。
事实上频率和时间的测量已越来越受到重视，长度、电压等参数也可以转化为与频率测量有关的技术来确定。本文通过对传统的多周期同步法进行探讨，提出了多周期同步等精度测量方法。最简单的测量频率的方法是直接测频法，直接测频法就是在给定的闸门信号中填入脉冲，通过必要的计数电路，得到填充脉冲的个数，从而算出待测信号的频率或周期。在直接测频的基础上发展的多周期同步测量方法，在目前的测频系统中得到越来越广泛的应用。多周期同步法测频技术的实际闸门时间不是固定的值，而是被测信号的整周期倍，即与被测信号同步，因此消除了对被测信号计数时产生的±1个字误差，测量精度大大提高，而且达到了在整个测量频段的等精度测量，测量分辨率与被测频率的大小无关，仅与取样时间及时基频率有关，可以实现被测频带内的等精度测量。取样时间越长，时基频率越高，分辨率越高。多周期同步法与传统的计数法测频比较，测量精度明显提高。
同时本设计也对一些基本实用的原理进行简单的介绍：如数字化直接测量频率的原理，数字化直接测量周期的原理，数字化直接测量时间间隔的原理，以及中界频率的测定和多周期同步测量法（倒数计数器）原理的介绍，在对比之后选择了多周期同步测量法来实现本设计。因为在本设计中从分析可知较为合理的测量方法直接测量和间接测量相结合的方法，而采用此方法是还需要对被测信号的频率与中界频率的关系进行判断，以确定是采用测频还是测周期法。而多周期同步测量法不需要这一步，并能实现高的等精度频率和周期的测量。
fX=N/TS式（1.1）
由上式可知，当闸门时间为为1s时，N值就是被测信号的频率。因为各个闸门时间之间为10的倍数关系，所以当N以十进制数显示时，对TS的取值不为1S时，只要移动小数点的位置就能直接显示出所测信号的频率的值。该测频方法由于主门的开启时间与被测信号之间不同步，而使计数值N带有±1的测量误差；且被测信号频率越低时，该量化误差的影响就越大。若再考虑有晶体振荡器引起的
1.1.2数字化直接测量周期的原理
第1章测量原理与测量方法的分析
1.1测量原理
1.1.1数字化直接测量频率的原理
图1.1计数式测频的原理方框图
无论频率、周期还是时间间隔的测量，均是基于主门加计数器的结构而实现的，图1.1示出了这种计数式直接测频的原理框图。其中主门具有“与门”的逻辑功能。主门的一个输入端送入的是频率为fX窄脉冲，它是由被测信号经A通道放大整形后得到的。主门的另一个输入端送入的是来自门控双稳的闸门时间信号TS。因为门控双稳是受时基（标准频率）信号控制的，所以TS既准确又稳定。设计时通过晶体振荡器和分频器的配合，可以获得10s、1s、0.1s等闸门时间，由于主门的“与”功能,它的输出只有在闸门信号TS有效期间才有频率为fX的脉冲输出，并送到计数器去计数，计数值为N=TS =TS·fX，它与被测信号的频率fX成正比，有此可得：