采用等精度测频原理的频率计的设计

实验二数字频率计的设计一、实验目的1、了解等精度测频的方法和原理。

2、掌握数字频率计的设计方法。

3、掌握频率计误差分析方法。

二、实验原理所谓频率就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。

若在一定时间间隔T（也称闸门时间）内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为f＝N/T由上面的表示式可以看到，若时间间隔T取1s，则f＝N。

由于闸门的起始和结束的时刻对于信号来说是随机的，将会有一个脉冲周期的量化误差。

进一步分析测量准确度：设待测信号脉冲周期为Tx，频率为Fx，当测量时间为T=1s时，测量准确度为δ=Tx/T=1/Fx。

由此可知这种直接测频法的测量准确度与被测信号的频率有关，当待测信号频率较高时，测量准确度也较高，反之测量准确度较低。

因此，这种直接测频法只适合测量频率较高的信号，不能满足在整个测量频段内的测量精度保持不变的要求。

若要得到在整个测量频段内的测量精度保持不变的要求，应该考虑等精度频率测量等其它方法。

等精度频率测频的实现方法，可以用图2-1所示的框图来实现。

图2-1 等精度测频实现框图所谓等精度是指该频率计在所测量的整个频段内部，均可实现相同精度的测量，即测量精度与频率无关。

图中预置门信号通常为1s。

其内部包括一个同步门电路，用来实现被测频标与被测频率的同步，提高测量精度，减少基本误差。

该部分与清零脉冲协调工作用来控制两个计数器的启动脉冲。

计数器1和计数器2分别用来给频标和被测数字脉冲计数，设在同步门控制结束时计数器1计数N1，计数器2计数N2，假设频标频率为F1，被测频率位Fx，则可写出公式：Fx/N2=F1/N1； (1)Fx＝（F1/N1）* N2 (2)由公式可以看出，测量精度与预置门时间无关，主要由F1的频率稳定度来确定，所以为了提高测量精度，主要是提高频标的频率稳定度，换句话说，测量精度基本上近似于频标的稳定度。

在该电路中，为了确保频标计数与被测频率完全同步（即被测频率的上升沿开始计数，1s以后，被测频率的下跳沿停止计数），同步门必须由被测信号来控制，设计方法多种多样，可由学生独立完成。

等精度法测频率计的原理引言：等精度法测频率计是一种常用的频率测量方法，它利用稳定的参考信号与待测信号进行比较，从而精确地测量待测信号的频率。

本文将介绍等精度法测频率计的原理及其工作流程。

一、原理概述：等精度法测频率计的原理基于频率比较技术，通过将待测信号与参考信号进行相位比较，从而得到待测信号的频率信息。

其核心思想是将待测信号与参考信号进行周期性的比较，通过计算比较结果的平均值来消除测量误差，从而提高测量精度。

二、工作流程：等精度法测频率计的工作流程主要包括以下几个步骤：1. 产生参考信号：首先需要产生一个稳定的参考信号，通常使用高稳定度的晶振或标准频率源作为参考信号源。

2. 将待测信号与参考信号进行比较：待测信号与参考信号经过相位比较，得到相位差信息。

3. 相位差计算：通过测量待测信号与参考信号的相位差，可以计算出待测信号的周期。

4. 周期计算：根据相位差计算出的周期信息，可以得到待测信号的频率。

5. 精度提高：为了提高测量精度，需要进行多次测量并取平均值，以消除测量误差。

三、关键技术说明：等精度法测频率计的实现需要借助一些关键技术，包括：1. 相位锁定技术：通过将待测信号与参考信号进行相位锁定，可以确保两者相位一致，从而实现准确的相位比较。

2. 周期计数器：周期计数器用于测量待测信号与参考信号的相位差，通过计数器的计数结果可以得到待测信号的周期信息。

3. 数字信号处理：为了提高测量精度，可以利用数字信号处理技术对测量结果进行滤波、平均等处理，以消除噪声和提高信号质量。

四、优缺点分析：等精度法测频率计具有以下优点：1. 高精度：通过多次测量并取平均值的方法，可以消除测量误差，提高测量精度。

2. 稳定性好：利用稳定的参考信号进行比较，可以保证测量结果的稳定性。

3. 适用范围广：等精度法测频率计适用于各种频率范围的信号测量，包括低频、中频和高频等。

然而，等精度法测频率计也存在一些缺点：1. 对参考信号要求高：由于等精度法测频率计依赖于参考信号的稳定性，因此对参考信号的要求比较高。

等精度频率计的实现频率测量在电子设计和测量领域中经常用到，因此对频率测量方法的研究在实际工程应用中具有重要意义。

常用的频率测量方法有两种：频率测量法和周期测量法。

频率测量法是在时间t 内对被测信号的脉冲数N 进行计数，然后求出单位时间内的脉冲数，即为被测信号的频率。

周期测量法是先测量出被测信号的周期T，然后根据频率f=1／T 求出被测信号的频率。

但是上述两种方法都会产生±1 个被测脉冲的误差，在实际应用中有一定的局限性。

根据测量原理，很容易发现频率测量法适合于高频信号测量，周期测量法适合于低频信号测量，但二者都不能兼顾高低频率同样精度的测量要求。

1 等精度测量原理等精度测量的一个最大特点是测量的实际门控时间不是一个固定值，而是一个与被测信号有关的值，刚好是被测信号的整数倍。

在计数允许时间内，同时对标准信号和被测信号进行计数，再通过数学公式推导得到被测信号的频率。

由于门控信号是被测信号的整数倍，就消除了对被测信号产生的±l 周期误差，但是会产生对标准信号±1 周期的误差。

等精度测量原理如图1 所示。

从以上叙述的等精度的测量原理可以很容易得出如下结论：首先，被测信号频率fx 的相对误差与被测信号的频率无关；其次，增大测量时间段软件闸门或提高标频f0，可以减小相对误差，提高测量精度；最后，由于一般提供标准频率f0 的石英晶振稳定性很高，所以标准信号的相对误差很小，可忽略。

假设标准信号的频率为100 MHz，只要实际闸门时间大于或等于1s，就可使测量的最大相对误差小于或等于10-8，即精度达到1／100 MHz。

2 等精度测频的实现等精度测量的核心思想在于如何保证在实际测量门闸内被测信号为整数个。

等精度频率计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解等精度频率计的基本原理，掌握频率、周期及其相互关系。

2. 学生能够运用已学过的电子元件知识，识别并说明等精度频率计中的关键电子元件及其作用。

3. 学生能够掌握等精度频率计的测量步骤和方法，并进行简单的数据处理。

技能目标：1. 学生能够通过小组合作，动手搭建简单的等精度频率计电路。

2. 学生能够运用等精度频率计进行实验测量，准确读取并记录数据。

3. 学生能够通过实验数据分析，解决实际问题，提升解决问题的能力。

情感态度价值观目标：1. 学生通过等精度频率计的学习，培养对物理科学的兴趣，提高探究精神和创新意识。

2. 学生在小组合作中，学会相互尊重、沟通协作，培养团队合作精神。

3. 学生通过实验认识到精确测量在实际应用中的重要性，培养严谨的科学态度和良好的实验习惯。

课程性质：本课程为电子技术及应用学科的教学内容，结合学生年级特点，注重理论知识与实践操作的相结合。

学生特点：学生处于高中阶段，具有一定的物理知识和电子元件基础，对实验操作感兴趣，但需进一步引导和培养实验技能。

教学要求：教师应注重理论与实践相结合，引导学生通过小组合作、实验探究等形式，提高学生的实践能力和创新能力。

在教学过程中，关注学生的个体差异，鼓励学生积极参与，使每位学生都能在课程中取得实际的学习成果。

通过课程目标的实现，为后续相关课程的学习打下坚实基础。

二、教学内容本课程教学内容主要围绕等精度频率计的原理、电路搭建、测量方法及数据处理等方面展开。

1. 理论知识：- 频率、周期概念及其关系- 等精度频率计的工作原理- 关键电子元件（如晶体振荡器、计数器、时钟等）的作用2. 实践操作：- 搭建等精度频率计电路- 实验操作步骤及注意事项- 数据的采集、处理与分析3. 教学大纲：- 第一章：等精度频率计基本原理1.1 频率与周期的关系1.2 等精度频率计的工作原理- 第二章：关键电子元件2.1 晶体振荡器的特性与应用2.2 计数器与时钟的作用- 第三章：实验操作与数据处理3.1 电路搭建与调试3.2 实验步骤与注意事项3.3 数据采集、处理与分析4. 教学进度安排：- 理论知识学习：2课时- 实践操作与实验：4课时- 数据处理与分析：2课时教学内容根据课程目标进行科学组织和系统安排，确保学生能够循序渐进地掌握等精度频率计的相关知识。

等精度频率计的研究与设计作者：吴小所冯海来源：《中国新技术新产品》2011年第24期摘要：采用等精度频率测量方法具有测量精度保持恒定，不随所测信号的变化而变化的特点。

本文首先综述了EDA技术的发展概况，FPGA/CPLD开发的涵义、优缺点，VHDL语言的历史及其优点，概述了EDA软件平台QUARTUS Ⅱ；然后介绍了频率测量的一般原理，利用等精度测量原理，通过FPGA运用VHDL编程，利用FPGA(现场可编程门阵列)芯片设计了一个8位数字式等精度频率计，该频率计的测量范围为0-100MHZ。

利用QUARTUS Ⅱ集成开发环境进行编辑、综合、波形仿真，并下载到CPLD器件中，经实际电路测试，仿真和实验结果表明，该频率计有较高的实用性和可靠性。

关键词: VHDL语言；等精度测量；数字频率计中图分类号：U492.3+23 文献标识码：A1 引言。

频率检测是电子测量领域的最基本也是最重要的测量之一。

频率信号抗干扰能力强、易于传输，可以获得较高的测量精度，所以测频方法的研究越来越受到重视。

等精度测量消除了对被测信号计数所产生的正负1误差，并且达到了在整个测试频段的等精度测量，测量信号的精度不随所测信号频率的变化而变化。

2 等精度频率测量算法。

精度测频方法的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此，避除了对被测信号计数所产生±1个字误差，并且达到了在整个测试频段的等精度测量。

在测量过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数。

首先给出闸门开启信号(预置闸门上升沿)，此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。

然后预置闸门关闭信号(下降沿)到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。

3 设计仿真与实现。

本设计实现信号源模块、控制模块、计数模块、锁存器模块和显示器模块5大模块,下面分别介绍三个模块的结构和实现方法。

基于FPGA的等精度频率计的设计一、引言频率计是一种广泛应用于电子领域的仪器设备，用于测量信号的频率。

常见的频率计有软件频率计和硬件频率计两种。

软件频率计主要基于计算机软件，通过采集到的信号数据来计算频率。

硬件频率计则是基于专用的硬件电路，直接对信号进行采样和处理，具有实时性强、准确度高的优点。

本文将基于FPGA设计一种等精度频率计，旨在实现高精度、高稳定性的频率测量。

二、设计原理本设计采用基于FPGA的硬件频率计方案，其主要原理是通过对输入信号的时间计数，并结合固定参考值，计算出信号的频率。

具体流程如下：1.信号输入：将待测量的信号输入至FPGA芯片，输入信号的幅度应符合输入电平范围。

2.信号计数：利用FPGA芯片内部的计数器，对输入信号进行计数，并记录计数器的数值。

计数器的值与输入信号的频率成反比，即计数器值越大，信号频率越低。

3.定时器触发：通过定时器产生一个固定的参考信号，用于触发计数器的复位操作。

定时器的频率应足够高，以保证计数器能够实时精确计数。

4.数据处理：计数器值与定时器触发的时间周期共同决定了输入信号的频率。

通过计算参考值与计数器值的比例，可以得到准确的频率值。

5.结果输出：将计算得到的频率值输出至显示屏或其他外部设备，以便用户进行查看。

三、设计方案1.FPGA选型：选择一款适合频率计设计的FPGA芯片，要求其具有较高的计数能力、较大的存储空间和丰富的外设接口。

2.输入电路设计：设计一个合适的输入电路，将待测信号进行电平调整和滤波处理，以确保输入信号的稳定性和合适的幅度范围。

3.计数器设计：利用FPGA内部的计数器模块，进行计数操作。

根据需要选择适当的计数器位宽，以满足待测频率范围的要求。

4.定时器设计：通过FPGA内部的时钟源和计时器模块，设计一个精确的定时器，用于触发计数器的复位操作。

定时器的频率要足够高，以保证计数的准确性。

5.数据处理设计：利用FPGA内部的算数逻辑单元(ALU)对计数器值进行处理，计算得到准确的频率值。