频率的测量讲座.ppt

频率测量范围 1Hz 10MHz 7位数字显示 测量误差 10 6 仅考虑计数误差 预置闸门时间 1s 部分关键技术指标的理解 等精度 在1Hz 10MHz范围内 均可达到 10 6的测量精度 例如 若fx 1 12345678 Hz 则应该显示1 123456Hz 允许的范围为1 123454 1 123457 为了达到以上指标 设计的频率计应该具有7位数字显示 且最高显示位必须为非 0 的数字 实际精度范围达10 6 10 7 若fx 11 2345678 Hz 则应该显示11 23456Hz 即小数点及单位应该能自动设置 为简化 本题允许单位固定为Hz 常识 在7位数字仪器中 最高频率10MHz是指9 999999MHz 一 频率测量的原理及实现二 等精度频率测量的原理三 等精度频率计的设计 频率的测量 一 频率测量的原理及实现 基本原理 根据频率的定义 若某信号在T秒时间内重复变化了N次 则该信号的频率为 基本实现原理 闸门时间 被测信号 若取T 1秒 该信号在1秒内重复了N次 则该信号的频率为 fx N T N Hz 计数N即为被测频率 称闸门或主门 数字频率计原理框图 频率为fx的被测信号经A通道放大整形后输往主门 闸门 同时 晶体振荡器输出信号经分频器可获得各种时间标准 称时标 闸门时间选择开关将所选时标信号加到门控双稳 再经门控双稳形成控制主门启闭的作用闸门时间T 则在所选T内主门开启 被测信号通过主门进入计数器计数 若计数器计数值为N 则被测信号的频率fx为 fx N T 频率测量误差 由频率的定义及误差合成公式可得 频率测量误差由二种类型误差合成 1 计数误差 1误差 2 标准频率误差 计数误差 1误差 主门的开启时刻与计数脉冲的时间关系是不相关的 即同一被测信号在相同的主门开启时间内两次测量所记录的脉冲数N可能是不一样的 计数误差示意图如下 对于一次计数过程 其结果可能为N 也可能为N 1或N 1 即最大计数误差为 N 1 该项误差将使仪器最后的显示结果会有一个字的闪动 计数误差相对误差的形式为 计数误差 1误差 这是由于量化而带来的误差 故又称量化误差 量化误差是不可避免的 即 N 1误差总是存在 但是 我们可以设法减少 1误差的影响 即使尽量小 计数误差 1误差 最大计数误差的特点是 不管计数N是多少 N的最大值都为 1 因此 为了减少最大计数误差对测量精度的影响 仪器使用中采取的技术措施是 尽量使计数值N大 使 N N误差相应减少 例如在测频时 应尽量选用大的闸门时间 标准频率误差 闸门时间T是由晶振输出的频率分频而得到的 显然 晶振输出频率的不稳定会引起闸门时间不稳定 造成测频误差 造成主门启闭时间或长或短 从而产生测频误差 设晶振输出的频率为fC 周期为TC 分频系数为m 则有对上式微分 得 考虑相对误差定义中使用的是增量符号 上式改写为上式表明 该误差在数值上等于晶振输出频率的相对误差 标准频率误差 闸门时间由晶体振荡器多次倍频或分频获得 所以 标准频率误差就是频率计中晶体振荡器的准确度 为了使标准频率误差对测量结果产生影响足够小 应认真选择晶振的准确度 一般说来 频率计显示器的位数愈多 所选择的内部晶振准确度就应愈高 例如七位数字的通用计数器一般采用准确度优于10 7数量级的晶体振荡器 这样 在任何测量条件下 由标准频率误差引起的测量误差 都不大于由 1误差所引起的测量误差 因此 当频率计精度要求不高 且设计中采用了晶体振荡器时 可忽略该项误差 1 基本要求1 频率测量a 测量范围信号 脉冲信号 幅度 大于2 5V 频率 0Hz 9999Hzb 测量误差 2 频率为100Hz以上 2 显示四位数码管 十进制数字显示测量数据 2 发挥部分1 输入信号幅度不大于0 5V 2 溢出显示 被测信号频率若大于9999Hz 有溢出显示 武汉大学珞珈学院2010年电子设计竞赛B题数字频率计 四位数字频率计典型设计方案之一 置零信号的作用 使计数器复零 从而使每次计数都从零开始锁存信号的作用 将计数值锁存 译码 并送显示 由于每次计数完成后才产生锁存信号 避免显示器显示计数工程 A B C D E 频率计时序图 四位数字频率计典型设计方案之一 当被测信号为9999Hz时 计数误差约为1 10000 即10 4 达到 2 的要求当信号为100Hz时 计数误差为1 100 也达到 2 的要求 A B C D E 周期为Tx的被测信号经B通道处理后再经门控双稳输出作为主门启闭的控制信号 使主门仅在被测周期Tx时间内开启 同时 晶体振荡器输出经倍频和分频得到了一系列的时标信号 通过时标选择开关 所选时标即经A通道送往主门 在主门开启时间内 时标进入计数器计数 若所选时标为T0 计数器计数值为N 则被测信号的周期为 Tx N T0 周期测量原理 周期测量原理 与分析频率测量误差方法类似 根据周期的定义Tx NT0与误差合成公式 可得 实际周期测量误差表达式由三种类型误差合成 1 计数误差 1误差 2 标准频率误差3 触发误差 如果被测周期较短 可以采用多周期测量的方法来提高测量精度 即在B通道和门控双稳之间插入十进分频器 这样使被测周期得到倍乘即主门的开启时间得到了倍乘 若周期倍乘开关选为 10n 则计数器所计脉冲个数将扩展10n倍 所以被测信号的周期为Tx N T0 10n 典型通用计数器的组成 一 频率测量的原理及实现二 等精度频率测量的原理三 等精度频率计的设计 频率的测量 问题的提出 在测量频率时 当被测信号频率很低时 由 1误差而引起的测量误差将大到不能允许的程度 例如 fx 1Hz 闸门时间为1s时 由 1误差而引起测量误差高达100 因此 为提高低频测量精度 通常将电子计数器的功能转为测周期 然后再利用频率与周期互为倒数的关系来换算其频率值 但在测量周期时 当被测周期很小时 也会产生同样的问题并且存在同样的解决办法 即在被测信号的周期很小时 宜先测频率 再换算出周期 二 等精度频率测量的原理 但是 还存在两个问题 该方法不能直接读出被测信号的频率值或周期值 在中界频率附近 仍不能达到较高的测量精度 若采用多周期同步测量方法 便可解决上述问题 测频误差及测周误差与被测信号频率的关系如图示 图中测频和测周两条误差曲线交点所对应的频率称中界频率fxm 很显然 当被测信号频率fx fxm时 宜采用测频的方法 当被测信号的频率fx fxm时 宜采用测周的方法 测量原理 等精度频率和周期的测量原理与传统频率和周期测量原理完全不同 二 等精度频率测量的原理 同步原理 由于D触发器的同步作用 计数器 所记录的NA已不存在 1误差的影响 但是 闸门时间T已不等于预置的闸门时间TP 且大小也不是固定的 D触发器的功能 对应CK端上升沿 D端的信号传送到端 由于实际闸门时间T已不等于预置的闸门时间TP 且大小也不固定 为此设置了计数器 用标准时钟信号进行计数来确定实际闸门时间T的大小 计数器 通常称为时间计数器 计数器 记录的N 值仍存在 1误差的影响 但由于时钟频率很高 1误差的影响很小 取时钟频率f0 10MHz 则由 1引起的相对误差为10 7 该误差与被测信号的频率无关 且在全频段的测量精度是均衡的 计数器 的累计数NA fx T T NA fx计数器 的累计数NB f0 T T NB f0联立上两式 得 由图可以看出 NB实际是NA个被测信号周期的时钟脉冲的个数 即由运算部件计算值为信号fx多个周期测量的平均值 所以把这种测量方法称为多周期同步测量 多周期同步测量电路需要计算电路且要有两个计数器 因而电路的实现比传统的测量电路复杂 但若使用微处理器可使测量电路大大简化 等精度测量原理 该等精度频率计主要由五部分组成 单片机控制部分 通道部分 同步电路部分 计数器部分 键盘与显示部分 三 等精度频率计的设计 被测信号 89C52 89C52单片机内部的两个16位定时 计数器T0 T1作两个主计数器的一部分 并分别与外部的事件计数器和时间计数器的进位端相接 外部的事件计数器和时间计数器的测量结果分别通过扩展输入口与P0口相连 89C52单片机内部的定时 计数器T2用来作为本机预置闸门时间的定时器 并通过P1 0作预置闸门时间控制线 P1 1作同步门复位控制线 P1 2作查询实际闸门时间的状态线 P1 3作计