计数式瞬时测频精度分析

第八讲等精度测频

第八讲三、设计实例等精度频率、占空比测量仪

1．综述

传统频率测量方法是对设定的闸门时间内脉冲进行计数，有两个主要因素影响精度，其一是闸门时间的准确度，其二是对低频信号的取整误差，为了消除以上两个因素的影响可选择等精度测频法。但等精度测频法占用可编程器件资源量大，如选用24位计数器的频率计，仅测频部分就占用了EPM7128芯片的百分之九十以上的资源；若选用100MHz标准时钟，其闸门时间仅能选择在0.168s以下，测频范围在6Hz以上，限制了对低频的测量。若要扩大低频量程，需要相应增大可编程器件容量，则体积、功耗和价格相应增加。

本文所述等精度频率、占空比测量仪采用将复杂可编程逻辑器件（CPLD）与低功耗单片机相结合，由CPLD完成高频信号计数，单片机完成低频信号计数、频率和占空比计算和显示控制等功能，即简化了仪器的结构，又扩大了低频量程。如单片机采用长整形变量计数（32位），再加上CPLD中16位计数器，等效为48位计数器构成的等精度测量仪，当选用100MHz标准时钟时，低频范围可达3.55×10-7Hz。

本文所述等精度频率、占空比测量仪结构框图如图8-1所示，CPLD可编程逻辑器件选用的是EPM7064芯片，单片机可根据实际情况选用。

图8-1 等精度频率、占空比测量仪结构框图

单片机发出如下所示控制信号：

CLEAR：SLCE为高时CPLD芯片内各计数器清零信号；SLCE为低时占空比清零和测量启动信号。

SLCE：功能选择控制信号。高电平测频；低电平测占空比。

CONTRL：闸门时间信号。高电平测频；低电平测占空比。 S[2..0]：输出选择控制信号。000—CPLD输出标准时钟信号四位计数值最低位；001—CPLD输出标准时钟信号计数值次低位；010—CPLD输出标准时钟信号计数值第三位；011—CPLD输出标准时钟信号计数值第四位；100—CPLD输出被测信号四位计数值最低位；101—CPLD输出被测信号计数值次低位；110—CPLD输出被测信号计数值第三位；111—CPLD输出被测信号计数值第四位。

(完整版)基于FPGA的等精度频率计的设计与实现毕业设计

第一章课题研究概述

1.1课题研究的目的和意义

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。目前常用的测频方案有三种：

方案一：完全按定义式Ｆ＝ＮＴ进行测量。被测信号Ｆx经放大整形形成时标ГX，晶振经分频形成时基TR。用时基TR开闸门，累计时标ГX的个数，则有公式可得Ｆx=1ГX=NTR。此方案为传统的测频方案，其测量精度将随被测信号频率的下降而降低。

方案二：对被信号的周期进行测量，再利用Ｆ＝１Ｔ（频率＝１周期）可得频率。测周期时，晶振ＦR经分频形成时标ГX，被测信号经放在整形形成时基TＸ控制闸门。闸门输出的计数脉冲Ｎ＝ГXTR，则TX=NГX。但当被测信号的周期较短时，会使精度大大下降。

方案三：等精度测频，按定义式Ｆ＝ＮＴ进行测量，但闸门时间随被测信号的频率变化而变化。如图１所示，被测信号Ｆx经放大整形形成时标ГX，将时标ГX经编程处理后形成时基TR。用时基TR开闸门，累计时标ГX的个数，则有公式可得Ｆx=1ГX=NTR。此方案闸门时间随被测信号的频率变化而变化，其测量精度将不会随着被测信号频率的下降而降。本次实验设计中采用的是第三种测频方案。

等精度频率计是数字电路中的一个典型应用，其总体设计方案有两

种：

方案一：采用数字逻辑电路制作，用IC拼凑焊接实现。其特点是直接用现成的IC组合而成，简单方便，但由于使用的器件较多，连线复杂，体积大，功耗大，焊点和线路较多将使成品稳定度与精确度大打折扣，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。

方案二：采用可编程逻辑器件（CPLD）制作。随着现场可编程门阵列FPGA的广泛应用，以EDA工具作为开发手段，运用VHDL等硬件描述语言语言，将使整个系统大大简化，提高了系统的整体性能和可靠性。，利用EDA软件编程，下载烧制实现。将所有器件集成在一块芯片上，体积大大减小的同时还提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真，调试，每个设计人员可以充分利用软件代码，提高开发效率，缩短研发周期，降低研发成本。易于进行功能扩展，可以利用频率计的核心技术，改造成其它产品。实现方法灵活，调试方便，修改容易。

MT法测速

摘要

在控制领域中,经常需要进行各种角度、位移量的测量。当前，世界上正面临着一场新的技术革命，这场革命的重要基础之一就是测量技术。测量技术的发展给人类社会和国民经济的各个部门及各个领域带来了巨大的、广泛的、深刻的变化，带动着传统工业和其他新兴产业的更新和变革，是当今人类社会发展的强大动力。

本设计为码盘转速测量系统，用来测量来自外部的不同的转速值。实现转速的实时测量，显示。具体应用AT89C51单片机为核心，旋转编码器实时轴转速测量，同时用LCD显示模块显示。

本文从转速测量原理入手，详细阐述了转速测量系统的工作过程，以及硬件电路的设计、显示效果。本文吸收了硬件软件化的思想，实现了题目要求的功能。

关键词：转速测量，旋转编码器，单片机，LCD显示模块

Abstract

In the control field, a variety of angles and displacement measurements

often need to be carried out. At present, the world is facing a new

technological revolution; one of the most important bases of the

revolution is measurement. The development of measurement technology

brings extensive，tremendous and profound changes to human society and

all sectors of the national economy, changes the traditional industries and

other emerging industries, becomes today's strongest driving force for

如何精确测量声音频率的方法和误差控制

声音频率（音调）是指声音的高低，是人们听觉感知中的重要参数之一。精确测量声音频率对于音乐制作、音响调试等领域具有重要意义。本文将介绍几种常用的声音频率测量方法以及误差控制技术。

一、频率测量的原理

频率是指单位时间内发生的周期性事件的次数。声音频率是指声波在单位时间内的振动次数，单位为赫兹（Hz）。在测量声音频率时，常用的方法有使用频谱分析仪、频率计和音调检测器等。

二、使用频谱分析仪进行频率测量

频谱分析仪是一种将连续信号变换为频谱参数的仪器。频谱分析仪可以将声音信号进行傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号，从而得到信号在不同频率上的能量分布情况。通过观察频谱图可以确定声音的频率。

然而，频谱分析仪的测量误差较大，特别是在低频范围内。这是因为频谱分析仪的测量结果受其分辨率和采样率的限制。分辨率是指频谱分析仪在不同频率上能够区分的最小差别，采样率是指在单位时间内对信号进行采样的次数。因此，对于低频信号，需要使用高分辨率和高采样率的仪器来进行测量，从而减小测量误差。

三、使用频率计进行频率测量

频率计是一种测量信号频率的电子仪器。常用的频率计有数字频率计和频率计芯片。数字频率计通过对信号进行计数并根据计数结果计算频率，可以较精确地测量频率。频率计芯片则通过内置的计数器和时钟来实现频率测量，测量结果可以直接显示在芯片上。

使用频率计进行频率测量时，需要选择适当的测量范围和精度。在选择测量范围时，要根据待测信号的频率范围选择。而在选择精度时，要根据测量要求和仪器的精确度限制来确定。为了减小误差，可以进行多次测量并取平均值，如此可以提高测量精度。

四、使用音调检测器进行频率测量

音调检测器是一种通过识别声音的音高来测量频率的设备。音调检测器工作原理是接收声音信号进行分析，并将结果显示为相应的音高信息。音调检测器多用于乐器调音和声音检测等领域，其测量精度较高。

然而，音调检测器的测量结果受到环境噪音的影响，尤其在噪音较大的情况下会导致测量误差增大。为了减小噪音对测量结果的影响，可以尽量在噪音较小的环境下进行测量，并采用滤波和降噪等方法来提高测量精度。

(完整版)数字频率计电路

（完整版）数字频率计电路

数字频率计电路是一种电子电路，可以测量信号的频率。它广泛应用于电信、无线电、音频、视频等领域。

数字频率计电路基于计数器的原理，将输入信号的边沿计数，然后将计数的结果通过数字显示在显示器上。其基本组成部分包括计数器、计数控制器、时钟、频率分频器和数字显示器。

计数器是数字频率计电路最重要的部分之一，用于计算输入信号的频率。计数器输出的二进制数可以通过计数控制器和时钟信号进行处理，得到输入信号的实际频率。

时钟信号用于控制计数器的计数速度，通常使用晶体振荡器来产生。频率分频器用于将输入signal的高频分频到计数器能够接受的范围内，常见的分频比为10，100等。数字显示器通常采用七段LED数码管来显示，可实现高精度数字显示。

数字频率计电路的优点是精度高、显示方便，并且可适用于多种信号频率的测量。缺点是由于计数的误差和时间滞后，所以测量周期较长，无法测量非周期性信号的频率。

在实际应用中，数字频率计电路可以与其他电路模块组合成系统，如频率计、频率控制器等。在工业、科研等领域，数字频率计电路广泛应用于信号源、频率合成器、调制解调器、通信系统等设备中。

转速测量

电机转速测试原理及方法

1.转速测量原理

数字测速法按照其原理可分为三大类：一类是用单位时间内测得的物体旋转角度来计算速度，例如在单位时间内，累计转速传感器发出的个脉冲，即为该单位时间内的速度。这种以测量频率来实现测速的方法，称为测频法，即M法；另一类是在给定的角位移距离内，通过测量转过这一角位移的时间来实现测速，称为测周法，即T法。例如转过给定的角位移△θ，传感器便发出一个电脉冲周期，以晶振产生的标准脉冲来度量这一周期时间，经换算便可得转速。

以上两种方法的优缺点是M法一般用于高速测量，转速过低时，测量误差较大，同时检测装置对转速的分辨能力也较差；而T法则一般用于低速测量，速度越低，测量精度越高，在高速时误差较大。

结合以上二种方法的优点，可得到第三种测速方法——M/T测速法。“M/T法”综合了“M法”和“T法”的优点。如图所示：

在上图中列出了3种常用的基于光电编码器测速法原理图，假定时钟频率为sf,光电编码器在前轮每转一周产生脉冲数为P。1M和2M从分别是对在相同时间内编码器脉冲和时钟脉冲进行计数的计数值。

5647666666666555555d fddd 2.下面介绍几种编码器测速方法

（1）“M法”测速

通过测量一段固定时间间隔内的编码器脉冲数来计算转速。如图所示；设在固定时间T内测得的编码器脉冲数为1M，则用1M除以T(即TM1)得到单位时间内编码器产生的脉冲数，用它再除以P，则得到的1M/(T×P)表示单位时间内前轮转动的周数，最后再乘以60(s)就得到前轮每分钟转动的周数，从而实现计算转速的目的。用公式表示为PTM160n根据以上分析，可知这种测速方法的准确性主要由1M决定，并且在转速较高时也1M较大，其相对误差较小，故适合于高速场合测试。

(2)“T法”测速

通过测量编码器两个相邻脉冲的时间间隔来计算转速，则用2M除以f得到1个编码脉冲所占用的时间，其倒数(即:2fM)为单位时间内编码器产生的脉冲数，与“M法”测速类似，即得转速计算公式2f60nPM

什么是电路的频率如何测量

电路频率是指电流或电压信号的周期性重复次数，通常用赫兹（Hz）来表示。频率的测量对于电路分析和故障诊断非常重要。本文将介绍电路频率的概念，并探讨了几种常见的测量方法。

1. 频率的定义和性质

电路频率是指在单位时间内一个信号重复的次数。它与信号的周期的倒数成正比。频率是一个重要的参量，可以描述信号的变化速度和周期性。

在电路中，频率的单位通常为赫兹（Hz），表示每秒中的周期数。1 Hz等于1秒内发生一次周期变化的信号。常见的倍数单位有千赫兹（kHz）、兆赫兹（MHz）和吉赫兹（GHz）等。

2. 计数器测量法

计数器测量法是一种常用且精确的测量频率的方法。它基于信号的周期性，通过数字计数器在固定时间内对信号的周期数进行计数。

计数器测量法的步骤包括以下几个方面：

a. 将待测的信号输入计数器；

b. 设置计数器的计数时间；

c. 计数器对信号进行计数；

d. 根据计数器的计数结果计算频率。这种测量方法被广泛应用于科学实验、电子工程和通信技术等领域，其测量精度较高，适用于各种频率范围内的信号。

3. 频率计测量法

频率计是一种专门用于测量频率的仪器。它可以通过对输入信号进行频率解析，从而直接读取信号的频率数值。

频率计的工作原理是利用其内部的计时和计数电路。它接受输入信号，然后通过计数和计时的方式确定信号的频率。

频率计具有简单易用、测量速度快的特点。它适用于各种频率范围内的信号，并且可以提供较高的测量精度。

4. 示波器测量法

示波器是一种常见的电子测量设备，它可以用于测量和显示电压信号随时间变化的波形。

示波器也可以用来测量频率。它通过观察信号的周期性和周期数，来计算信号的频率。

示波器测量法相对于计数器和频率计来说，测量频率的精度相对较低，但对于需要同时观察信号波形和频率的情况非常方便。

5. 其他测量方法

除了上述三种常见的测量方法，还存在其他一些辅助测量频率的方法，例如： a. 相位比较法：通过将待测信号与参考信号进行相位比较，来测量频率。

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 1152303

2013 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Tc）对被测信号的重复周期进行计数，计数结果为Nx时，其待测频率为

时间Tc为标准闸门宽度（s），Nx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Nx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Tx内，记录标准频率信号变化次数N0。这种方法测出的频率是

xF=0N/xT （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。控制脉冲经过控制器中cxxTNF/（公式2-1）的门电路分别产生锁存信号和计数清零信号。待测信号经过运放的放大、整形之后，输出一个与待测信号同频率的矩形脉冲信号，该信号在控制门经过与选通信号的合成，产生计数脉冲信号。计数脉冲信号与锁存信号、清零复位信号共同控制计数译码器的计数、锁存、清零三个状态，然后通过LED显示器显示出来。

电子测量技术基础课后习题答案中

习题五

5.1 试述时间、频率测量在日常生活、工程技术、科学研究中有何实际意义？

答：人们在日常生活、工作中离不开计时，几点钟吃饭、何时上课、几时下班、火车何

时开车都涉及到计时。

工程技术、科学研究中时间、频率测量更为重要，科学实验、邮电通信，人造卫星，宇

宙飞船、航天飞机的导航定位控制，都要准确的测量时间与频率测量。

5.2 标准的时频如何提供给用户使用？

答：标准的时频提供给用户使用有两种方法：其一，称为本地比较法。就是用户把自己

要校准的装置搬到拥有标准源的地方，或者由有标准源的主控室通过电缆把标准信号送到需

要的地方，然后通过中间测试设备进行比对。其二，是发送—接收标准电磁波法。这里所说

的标准电磁波，是指含有标准时频信息的电磁波。

5.3 与其他物理量的测量相比，时频测量具有哪些特点？

答：（1）测量的精度高；（2）测量范围广（3）频率的信息传输和处理比较容易并且精确度也很高。

5.4 简述计数式频率计测量频率的原理，说明这种测频方法测频有哪些测量误差？对一

台位数有限的计数式频率计，是否可无限制地扩大闸门时间来减小±1误差，提高测量精确

度？

答：是根据频率的定义来测量频率的。若某一信号在T秒时间内重复变化了N次，则

根据频率的定义，可知该信号的频率fx为： fx＝N/T

测量误差主要有：±1误差：

11

xNNNfT＝＝

标准时间误差：

CCfTTf＝－

不可无限制地扩大闸门时间来减小±1误差，提高测量精确度。一台位数有限的计数式

频率计，闸门时间时间取得过大会使高位溢出丢掉。

5.5 用一台七位计数式频率计测量fx＝5MHz的信号频率，试分别计算当闸门时间为1s、0.1s和10ms时，由于“±1”误差引起的相对误差。

解：闸门时间为1s时： 6110.2105101xNNfT－6＝＝＝

闸门时间为0.1s时： 6110.2105100.1xNNfT－5＝＝＝

频率计数器工作原理

频率计数器是一种用于测量波形频率的电子仪器。其工作原理基于计数单位时间内脉冲信号的数量来确定信号的频率。下面是频率计数器的工作原理的简要解释：

1. 输入信号：频率计数器将待测频率的信号作为输入。这个信号可以是连续的方波、正弦波，或者其他脉冲信号。

2. 计数器：频率计数器内部包含一个计数器，其作用是计算单位时间内脉冲信号的数量。

3. 时钟信号：计数器会从一个稳定的时钟信号中获取脉冲，用来驱动计数器的计数运算。时钟信号的频率通常要比待测信号的频率高得多。

4. 计数：计数器会在每个时钟脉冲到达时自动加1。当计数器的计数达到上限时，它会重置为0。

5. 显示：计数器会将计数结果显示在数码显示屏上。计数的结果正比于输入信号的频率。

6. 重置：通常情况下，频率计数器会周期性地重置计数器。这样可以防止计数累积太多而导致溢出错误。

在测量一个波形频率时，频率计数器会计算一定时间内的脉冲数量。然后，它会将这个数量除以计时时间得到平均脉冲率，并将其与1秒进行比较，从而确定波形的频率。由于频率计数器内部使用的时钟信号是稳定的，计数的准确性主要取决于计时时间的选取和计数器的精度。