2). 触发误差
当进行周期等功能的测量时，门控双稳的门控信号由通过
B通道的被测信号所控制。当无噪声干扰时，主门开启时间刚
好等于一个被测信号的周期Tx。如果被测信号受到干扰，当信
号通过B通道时，将会使整形电路（施密特触发器）出现超前 或滞后触发，致使整形后波形的周期与实际被测信号的周期发
生偏离Δ Tx ，引起所谓的触发误差（或转换误差）。 经推导，
N
2). 标准频率误差
标准频率误差在测频时取决于闸门时间的
准确度。由于闸门时间和时标均由晶体振荡器
多次倍频或分频获得，因此，通用计数器有关
功能的标准频率误差就是指通用计数器内（或
外部接入）的晶体振荡器的准确度Δ f0/f0。
通过上述分析，可得频率测量误差表达式如下：
1 N f 0 f x f 0 N T f fx f f 0 g x 0
但是，还存在两个问题： ①、该方法不能直接读出被测信号的频率值或周期值； ②、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。
1.1.2 标准频率比较测量法 用两组计数器在相同的时间门限内同时计数，测 得待测信号的脉冲个数为N1、已知的标准频率信号的 脉冲个数为 N2 ，设待测信号的频率为 fx, 已知的标准 频率信号的频率为 f0；由于测量时间相同，则可得到 如下等式：
由于时钟信号与闸 门的开和关无确定的相 位关系，计数器Ⅱ所记 录的NB的值仍存在±1 误差的影响，但是，由 于时钟频率f0很高， ±1误差的影响很小， 且在全频段的测量精度 是均衡的, 测量精度已 与被测信号的频率无关。
等精度频率计的设计实例
一、 等精度频率计的组成
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。
电子仪器仪表设计
1.等精度频率测量 2.电气参数测试 3.元器件参数测试
第1章 数字频率计的设计
频率、时间的应用与人们日常生活息息相关， 而在当代高科技中显得尤为重要。例如,邮电通讯， 大地测量，地震预报，人造卫星、宇宙飞船、航天 飞机的导航定位控制等都与频率、时间密切相关， 因此准确测量时间和频率是十分重要的。
• （2） 外差法： • （3） 示波法：
• （4） 电子计数器法：
1. 1 频率测量 数字频率计是用于测量信号频率的电路。测量信号的频 率参数是最常用的测量方法之一。实现频率测量的方法比较
多， 在此我们主要介绍三种常用的方法： 时间门限测量法、
标准频率比较测量法、等精度测量法。 1.1.1 时间门限测量法 (1) 直接频率测量 在一定的时间门限 T 内，如果测得输入信号的脉冲数为 N ， 设待测信号的频率为fx，则该信号的频率为
可能产生的误差时序波形如图 所示。
一般测量时可能产生的误差时序波形图
1.1.3 等精度测频法
等精度测量法的机理是在标准频率比较测量法的基础上改
变计数器的计数开始和结束与闸门门限的上升沿和下降沿的严
格关系。当闸门门限的上升沿到来时，如果待测量信号的上升 沿未到时两组计数器也不计数，只有在待测量信号的上升沿到
1 f T
频率测量的方法
• （1） 谐振法：
利用LC回路的谐振特性进行测频(如谐振 式波长表 可测无源 LC 回路的 固有谐振频率 ） , 测频范围为 0.5~1500 MHz。 改变标准信号频率，使它与被测信号混 合，取其差频，当差频为零时读取频率。这种外差式频率计可 测高达3000 MHz的微弱信号的频率，测频精确度为10-6左右。 在示波器上根据李沙育图形或信号波形 的周期个数进行测频。这种方法的测量频率范围从音频到高频 信号皆可。 直接计数单位时间内被测信号 的脉冲数，然后以数字形式显示频率值。这种方法测量精确度 高、快速，适合不同频率、不同精确度测频的需要。
计数器Ⅰ记录了被测信号的周期数，所以通常称事件计数器。由于闸门的 开和关与被测信号同步，因而实际的闸门时间T已不等于预置的闸门时间TP， 且大小也不是固定的，为此设置了计数器Ⅱ，用以在T内对标准时钟信号进行计 数来确定实际开门的闸门时间T的大小，所以计数器Ⅱ通常称为时间计数器。
由图（b）所示的 工作波形图中可以看出， 由于D触发器的同步作 用，计数器Ⅰ所记录的 NA值已不存在±1误差 的影响。
1
测 周 量 化 误 差
闸 门 T ＝ 0 .1 s 1 s 10 s
2
3
0 .1 s 10 ns 时 标 1 ns
4
5
6
7
8
1 Hz
1 k Hz 被 测 频f x 率
1 MHz
1 0 0 MHz
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。
以上分析可见，频率计测周期的基本原 理正 好与测频相反，即被测信号用来控制 闸电路的开 通与关闭，标准时基信号作为 计数脉冲。
测周误差 测周误差包括测周量化误差和触发误差。 1) 测周量化误差。 测周量化误差为
T
Tx

N
N
100 %
1 100 % N
1 100 % f C Tx
触发误差Δ Tx/Tx的大小为
Tx 1 Un Tx 2 π Um
周期测量误差表达式如下
(3)中界频率
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。
N
N
测 频 量 化 误 差 1 0－ 1 0－ 1 0－ 1 0－ 1 0－ 1 0－ 1 0－ 1 0－
等精度测量法的时序波形图
预置闸门时间产生电路产生预置的闸门时间TP，TP经同 步电路产生与被测信号（fx）同步的实际闸门时间T。 主门Ⅰ与主门Ⅱ在时间T内被同时打开，于是计数器Ⅰ 和计数器Ⅱ便分别对被测信号 （fx）和时钟信号（f0）的周 期数进行累计。
在T内，计数器Ⅰ的累计数NA＝fx×T；计数器Ⅱ的累计数NB＝f0×T。 再由运算部件计算得出 即为被测频率。
N fx T
T 计 数 (脉 冲 )信 号 门控信号 & 至计数器
T
改变时间T，则可改变测量频率范围。例如，当T=1s, 则 fx=N(Hz) ； T=1ms ，则 fx=N(kHz) 。此方法的原理框图如图 所示，时序波形图如图所示。
测频原理框图
测频时序波形图
1） 量化误差
计数 脉冲
闸门 开启时T 间 脉冲 数 N＝ 9
1．8031单片机及其接口部分
任务： 通过P1口与 P3口进行整机测量过程的 控制、故障的自动检测以 及测量结果的处理与显示 等。 P1.0作预置闸门时 间控制线；P1.1作同步门 控制电路的复位信号线； P1.2作查询实际闸门时间的状态线；P1.3作计数器复位信号线；P1.4～P1.7 用做控制仪器键盘灯；P3.0，P3.1作为通道部分的控制线。 8031单片机内部的两个16位定时／计数器作两个主计数器的一部分，并通 过T0，T1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。 8155作为8031的扩展I／0口，用来与键盘和显示电路接口，其内部的14位 计数器被用来作为本机预置闸门时间的定时器，定时器的输入信号取自8031的 ALE端，定时器的输出与8031的INT 1 端相接，作为中断申请信号。
闸门 开启时T 间 脉冲 数 N＝ 8
如图所示，虽然闸门开启时间都为T，但
因为闸门开启时刻不一样，计数值一个 为9，另一个却为8，两个计数值相差1。
量化误差的相对误差为:
Hale Waihona Puke 1 N 100% 100% N N 1 100% f C Tx
不管计数N是多少，ΔN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ΔN ／N 误差相应减少。例如在测频时， 应尽量选用大的闸门时间；
三、等精度频率计软件系统 测量原理参 见7.1.2节的分析
频率测量的单片机实现
• 预置信号和被测信号的同步是由D触发器完成的。被 测信号从D触发器的CP脉冲端输入，预置信号由单片 机产生，从D触发器D端输入。
2．
通道部分
主要由放大、整形和 一个十分频的预分频电路 组成。本机设计测频范围 为20Hz～100MHz，当 被测频率大于10MHz时， 需先经预分频电路分频后 再送入计数器电路。
3．
同步电路
由主门Ⅰ、Ⅱ及同步控制电路组成。主门Ⅰ控制被测信号fx的通过，主门 Ⅱ控制时钟信号fO的通过，两门的启闭都由同步控制电路控制。
二、 等精度频率计的测量过程
1． 测量准备 P1.3发出复位信号，使计数器清零；同时P1.1也发复位信号，使同步D触 发器的Q 端为低电平，则主门Ⅰ和主门Ⅱ关闭。这时P1.0的初状态为“1”，使 D触发器的D端为高电平。同步门可靠关闭。 2． 测量开始 P1.0从高电平跳到低电平，使D触发器的D端为“0”，这时被测信号一旦 到达CK端，触发器Q立即由“0”→“1”，同步门被打开，被测信号和时间信号分 别进入相应的计数器进行计数。的P1.0从高电平跳到低电平的同时，也启动了 计时系统开始计量闸门时间。 3． 测量结束 当预定的测量时间(1s或0.1s)结束时，INT1 端便测到时间信号，此时令 P1.0从低电平恢复到高电平，随后紧跟而来的被测信号再次触发D触发器，使 之翻转，Q 端由高电平转为低电平，使同步门关闭，计数器停止计数。 4． 数据处理 当查询到P1.2的状态为低电平时，单片机就进行读数、运算、数据处理等 工作，并将结果输出显示。然后又重复上述过程进行下一次测量。
5．键盘与显示部分
键盘与显示部分的电 路如图所示，这是一个较 为典型的采用8155并行口 组成的键盘显示电路。七 位LED显示采用了动态显 示软件译码工作方式。段 码由8155的PB口提供，位 选码由PA口提供。键盘共 设置了4个按键，采用逐列 扫描查询工作方式，其列 输出由PA口提供，列输入 由PC口提供。由于键盘与显示做成一个接口电路，因此软件中合并考虑键 盘查询与动态显示。为了使显示器的动态扫描不出现断续，键盘防抖的延时 子程序用显示子程序替代。