等精度数字频率计的设计

1 绪论

1 绪论

测量频率是电子测量技术中最常见的测量之一。不少物理量的测量, 如时

间、速度等都涉及到或本身可转化为频率的测量。目前, 市场上有各种多功能、高精度、高频率的数字频率计, 但价格不菲。而在实际工程中, 并不是对所有信号的频率测量都要求达到非常高的精度。

目前, 有三种常用的数字频率的测量方法: 直接测量法(以下称M法) 、周期测量法(以下称T法) 和综合测量法(以下称M /T法) 。M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数, 进行换算得出被测信号的频率。T法是通过测量被测信号一个周期时间计时信号的脉冲个数, 然后换算出被测信号的频率。这两种测量法的精度都与被测信号有关, 因而它们属于非等精度测量法。而M /T法它通过测量被测信号数个周期的时间, 然后换算得出被测信号的频率, 克服了测量精度对被测信号的依赖性。M /T法的核心思想是通过闸门信号与被测信号同步, 将闸门时间τ控制为被测信号周期长度的整数倍。测量时, 先打开预置闸门, 当检测到被测信号脉冲沿到达时, 标准信号时钟开始计数。预置闸门关闭时, 标准信号并不立即停止计数, 而是等检测到被测信号脉冲沿到达时才停止, 完成被测信号整数周期的测量。测量的实际闸门时间与预置闸门时间可能不完全相同, 但最大差值不超过被测信号的一个周期。

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2 系统设计方案

2.1系统设计方案的选择

根据频率计的设计要求，我们可将整个电路系统划分为几个模块，频率测量模块，周期测量模块，脉宽测量模块，和占空比测量模块。标准频率发生电路采用高频率稳定度和高精度的晶镇作为标准频率发生器。如图所示。各模块的实现均有几种不同的设计方案。

前置放大电路被测信号输入波形整形电路频率、周期测量电路脉冲信号处理电路预置门控信号占空比测量电路控制与数据处理电路脉冲宽度测量电路标准频率信号发生电路显示电路稳压电源 图2.1 频率计组成模块框图

13.1 频率计组成模块框图2.1.1 频率测量模块

①直接测频法：把被测频率信号经脉冲整形电路处理后加到闸门的一个出入端，只有在闸门开通时间T（以秒计）内，被计数的脉冲送到十进制计数器进行计数；设计数器的值为N，则可得到被测信号频率为f=N/T，经分析，本测量在低频率的相对测量误差较大，即在低频段不能满足本设计的要求。

②组合测频法：这种方法可以在一定程度上弥补方法（1）中的不足，但是难以确定最佳分测点，且电路实现较复杂。

③倍频法：是指把频率测量范围分成多个频段，使用倍频技术，根据频段设置倍频系数，将经整形的低频信号进行倍频后在进行测量，对高频段则直接进行

2 系统设计方案

测量。倍频法较难实现。

④等精度测频法：其实现方式可用图2.2来说明。图中，预置门控信号是宽度为TPR的一个脉冲，CNT1和CNT2是两个可控计数器。标准频率信号从CNT1的时钟输出端CLK输入，其频率为fs，经整形后的被测信号从CNT2的时钟输入端CLK输入，设其实际频率为fx；当预置门控信号为高时，经整形后的被测信号的上升沿通过D触发器的Q端同时启动计数器CNT1和CNT2。CNT1和CNT2分别对被测信号（频率为fs）和标准频率信号（频率为fx）同时计数。当预置门信号为低时，随后而至的被测信号的上升沿将两个计数器同时关闭。设在一次预置门时间Tpr内对被测信号的计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns。则下式成立：

fx/Nx=fs/Ns

由此推得：fx=fs*Nx/Ns

预置门控信号DQCLKENCLKOUT1CNT1CLR标准频率信号被测信号清零信号CLKENCLKOUT2CNT2CLR13.2 等精度测频法原理框图图2.2 等精度测频法原理框图

若所测频率值为fx，其真实值为fxe，标准频率为fs，一次测量中，由于fx计数的起停时间都是该信号的上跳沿触发的，因此在Tpr时间内对fx的计数Nx无误差，在此时间内的计数Ns最多相差一个脉冲，即fx/Nx=fs/Ns，则下式成立： fxe/Nx=fs/Ns+△et

可分别推得 fx=fs*Nx/Ns fxe=fs*Nx/Ns+△et 根据相对误差的公式有：△fxe/fxe=fxe-fx/fxe 经整理可得到：△fxe/fxe=△et/Ns

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2 系统设计方案

因△et≤1，故△fxe/fxe≤1/Ns Ns=Tpr*fs

根据以上分析，我们可知等精度测频法具有三个特点：1，相对测量误差与被测频率的高低无关；2，增大Tpr或fs可以增大Ns，减少测量误差，提高测量精度；3，测量精度与预置门宽度和标准频率有关，与被测信号的频率无关，在预置门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；

经过综合考虑，结合设计需求，选用第④种方案，即用等精度测频法来实现本设计频率测量。

2.1.2 周期测量模块

①直接周期测量法：用被测信号经放大整形后形成的方波信号直接控制计数门控电路，使主门开放时间等于信号周期Tx，时标为Ts的脉冲在主门开放时间进入计数器。设在Tx期间计数值为N，可以根据以下公式来算得被测信号周期： Tx=N*Ts经误差分析，可得结论：用该测量法测量时，被测信号的频率越高，测量误差越大。

②等精度周期测量法：该方法在测量电路和测量精度上与等精度测量完 全相同，只是在进行计算时公式不同，在周期1/T代换频率f即可，其计算公式为Tx=Ts*Ns/Nx从降低电路的复杂度及提高精度（特别是高频）上考虑，本设计拟采用方法②测量被测信号的周期。

2.1.3 脉宽测量模块

在进行脉冲宽度测量时，首先经信号处理电路进行处理，限制只有信号的50%幅度及其以上部分才能输入数字测量部分。脉冲边沿被处理得非常陡峭，然后送入测量计数器进行测量。

测量电路在检测到脉冲信号的上升沿时打开计数器，在下降沿是关闭计数器，设脉冲宽度为Twx，计算公式为：Twx=Nx/fs。

2.1.4 占空比测量模块

测一次脉冲信号的脉宽，记录其值为Twx1，然后将信号反相，再测一次脉宽并记录起值为Twx2，通过下式计算占空比：

占空比=Twx1/（Twx1+Twx2）*100%

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