1、等精度频率测量

等精度测频方法是在直接测频方法的基础上发展起来的。

它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。

其测频原理如图1所示。

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。

可以看出，实际闸门时间t与预置闸门时间t1并不严格相等，但差值不超过被测信号的一个周期[4]。

图1 等精度测频原理波形图等精度测频的实现方法可简化为图2所示。

CNT1和CNT2是两个可控计数器，标准频率信号从CNT1的时钟输入端CLK输入；经整形后的被测信号从CNT2的时钟输入端CLK输入。

当预置门控信号为高电平时，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CNT1和CNT2。

CNT1、CNT2同时对标准频率信号和经整形后的被测信号进行计数，分别为N S与N X。

当预置门信号为低电平的时候，后而来的被测信号的上升沿将使两个计数器同时关闭，所测得的频率为(F S/N S)*NX。

则等精度测量方法测量精度与预置门宽度的标准频率有关，与被测信号的频率无关。

在预置门时间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。

图2 等精度测频实现原理图误差分析设在一次实际闸门时间t中计数器对被测信号的计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns。

标准信号的频率为fs，则被测信号的频率如式(1):fx=(Nx/Ns)·fs (1) 由式1-1可知，若忽略标频fs的误差，则等精度测频可能产生的相对误差如式(2-2):δ=(|fxe-fx|/fxe)×100% (2) 其中fxe为被测信号频率的准确值。

实验一等精度频率计的制作一、任务设计并制作一个等精度频率计。

二、要求和说明1、能够准确地测量1-1MHz方波（高电平接近单片机的VCC，低电平为0）的频率；2、测量的精度为≤±0.01%，测量速度≤1秒；3、适当扩展测试的功能，如脉宽、占空比的测量；3、尽可能地提高测量精度和测量速度；4、外围电路尽可能地简单。

三、方案参考用MCU频率测量方波频率的3种最基本方法为：测频法和测周法、多周期同步测频法。

测频法适合测量频率较高的脉冲，测周法适合测量频率较低的脉冲。

所谓的适合，主要是从测量的精度上考虑，因此测量不同频率范围的脉冲，需要将以上两种方法结合使用。

不管测频法还是测周法，其关键就是如何巧妙的设计和使用定时/计数器。

现在新型的MCU在定时/计数器单元上都增加了输入捕捉功能，学会掌握和正确使用这个输入捕捉功能能够大大提高频率测量的精度。

一般情况下，当测量频率的范围为1-1MHz、精度≤±0.01%时，可以分三段来进行测量。

1-100Hz采用测周法；100-10KHz采用多周期测频法；10KHz-1MHz采用测频法。

计数法：Fx = Nx±1/Tw Fx——信号频率Nx——计数个数Tw——计数时间这种测量方法的测量精度取决于计数时间和被测信号频率，当被测信号周期与计数时间相近时将产生较大误差。

少一个周期少一个周期多一个周期误差分析如下：测频法采用1秒内计数器计数的值来表达所测频率，该方法误差是绝对的，为±1，也就是±1Hz。

相对误差见下表：被测频率绝对误差测量精度1000000Hz ±1Hz ±0.0001%100000Hz ±1Hz ±0.001%10000Hz ±1Hz ±0.01%1000Hz ±1Hz ±0.1%100Hz ±1Hz ±1%1Hz ±1Hz ±100%从上表中可以看出，测频法在测量高频时测量精度好，频率越高精度越好。

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。

等精度测量法原理引言等精度测量法是一种常用的测量方法，广泛应用于各个领域，如工业制造、地理测量、物理实验等等。

本文将从原理、应用、优缺点等方面系统地介绍等精度测量法。

原理等精度测量法是一种基于测量仪器的不确定度的测量方法。

它的原理是在测量仪器有一定的测量精度情况下，通过多次测量和统计分析，来获得更高的测量精度。

测量仪器的不确定度测量仪器的不确定度是指在特定测量条件下，测量结果与被测量值实际值之间的差异范围。

不确定度越小，测量精度越高。

多次测量和统计分析等精度测量法通过进行多次测量来减小测量误差。

每次测量都会有一定的随机误差，但它们的分布往往符合正态分布。

因此，通过对多次测量结果进行统计分析，可以用平均值代表真实值，并通过标准差来评估测量精度。

应用等精度测量法可以应用于各个领域的测量工作中，以下是几个常见的应用案例：工业制造在工业制造过程中，精确的测量是确保产品质量的重要一环。

等精度测量法可以通过在不同的时间、环境条件下对产品进行多次测量来获得更准确的尺寸数据，从而确保产品符合设计要求。

地理测量地理测量是对地球表面和地球现象进行测量的科学。

等精度测量法可以应用于地理测量中的各个环节，如地形测量、地理定位等。

通过多次测量和统计分析，可以获得地理数据的更高精度。

物理实验在物理实验中，精确的测量对于获得准确的实验结果至关重要。

等精度测量法可以有效地减小测量误差，提高实验结果的可靠性和准确性。

优缺点等精度测量法有以下优点和缺点：优点•可以通过多次测量和统计分析，获得更高的测量精度。

•适用于各个领域的测量工作，具有广泛的应用范围。

•可以减小测量误差，提高测量结果的可靠性和准确性。

缺点•需要进行多次测量和统计分析，增加了工作量和时间成本。

•依赖于测量仪器的精度，当测量仪器精度较差时，等精度测量法效果有限。

•对于非正态分布的测量误差，等精度测量法的效果可能不佳。

结论等精度测量法是一种基于测量仪器不确定度的测量方法，通过多次测量和统计分析，可以获得更高的测量精度。

等精度法测频一、 测量原理M 法、T 法的测量精度不仅取决于基准时间和计数器的计数误差，还取决于频率的高低，频率不同则精度不一样，M 法在高频段的准确度相对较高，T 法在低频段的准确度较高．M／T 法(等精度测量法)则在整个测试频段的精度一样，闸门信号是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此大大减少了误差，但由于只与被测信号同步，而不与标准时钟同步，因此还是存在着±1计数误差．其测频原理图如图1所示，误差计算为'00000||||11100%x x x f f M f M M t f σ-∆=⨯=≤= 式中：x f 是被测信号频率真实值，'x f 是被测信号频率测量值，0t 为闸门时间，0f 为标准时钟频率。

由上式可知，误差与闸门时间和标准时钟频率有关，闸门时间越长，标准时钟频率越高，误差越小。

由于用等精度测频法时所采取的标准时钟频率比较高(10MHz 以上)，因此±1计数误差相对很小。

二、 基于FPGA 的实现采用FPGA 设计，主要产生如下时序： StartClrTclkLockFclk其中，Start 作为闸门信号，Clr 是清零信号，Tclk 是被测信号，Lock 是锁存信号，Fclk 是标准频率信号。

当检测到Start 为高时，测量开始。

开始后Tclk 的第一个周期将Clr 和Lock 置高，将两个计数器全部清零。

当下一个Tclk 上升沿来临时将Clr 置低，同时开启两个计数器，开始计数。

待检测到Start 为低时，在Tclk 的下一个上升沿停止计数，将结果锁存，得到N t 和N 0，则可换算出被测信号的频率为:00t t N f f N = 测量电路如下：仿真时，clk1周期为20ns，频率为50M；clk2周期为203ns，频率为4.92611M。

当gate取值为50us时仿真结果波形如下，计算得测量的频率为4.92620M，误差为0.00009MHz.当gate取值为100us时仿真结果波形如下,计算得测量频率为4.92606M，误差为0.00005MHz。

等精度数字频率计的设计设计说明内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目：等精度数字频率计的设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日等精度数字频率计的设计摘要本设计课题为基于FPGA和单片机的等精度数字频率计的设计。

在本设计中，采用先进的自上而下的设计方法，以AT89C52单片机作为系统的主控部件，实现整个电路的信号控制、数据运算处理等功能；一片现场可编程逻辑器件FPGA（Filed Programmable Gate Array）芯片FLEX EPF10K20RC208-4完成各种时序逻辑控制、计数功能。

等精度数字频率计测量方式：一、测频原理所谓“频率”，确实是周期性信号在单位时刻转变的次数。

电子计数器是严格依照f ＝N/T的概念进行测频，其对应的测频原理方框图和工作时刻波形如图1 所示。

从图中能够看出测量进程：输入待测信号通过脉冲形成电路形成计数的窄脉冲，时基信号发生器产生计数闸门信号，待测信号通过闸门进入计数器计数，即可取得其频率。

假设闸门开启时刻为T、待测信号频率为fx，在闸门时刻Ｔ内计数器计数值为N，那么待测频率为：fx = N/T假设假设闸门时刻为1s，计数器的值为1000，那么待测信号频率应为1000Hz 或1.000kHz，现在，测频分辨力为1Hz。

图1 测频原理框图和时刻波形二、方案设计2.1整体方案设计等频率计测频范围1Hz~100MHz，测频全域相对误差恒为百万分之一，故由此系统设计提供100MHz作为标准信号输入，被测信号从tclk端输入，由闸门操纵模块进行自动调剂测试频率的大小所需要的闸门时刻，如此能够精准的测试到被测的频率，可不能因闸门开启的时刻快慢与被测频率信号转变快慢而阻碍被测频率信号致使误差过大，被测信号输入闸门操纵模块后，在闸门操纵模块开始工作时使encnt端口输出有效电平，encnt有效电平作用下使能标准计数模块（cnt模块）和被测计数模块（cnt模块），计数模块开始计数，直到encnt 从头回到无效电平，计数模块就将所计的数据送到下一级寄放模块，在总操纵模块的作用下，将数据进行load（锁存），然后寄放器里的数据会自动将数据送到下一模块进行数据处置，最后送到数码管或液晶显示屏（1602）进行被测信号的数据显示。

PIN_84VCCreset INPUTPIN_31VCCtclk INPUTcnt_time 100Signed IntegerParameter Value Typeclken_1kHztclkclrloadencntcnt_eninst4cnt_w idth32Signed IntegerParameter Value Typeclkclrencntout[cnt_width-1..0]cntinst1cnt_w idth32Signed IntegerParameter Value Typeclkclrencntout[cnt_width-1..0]cntinst2cnt_w idth32Signed IntegerParameter Value Typeclken_1kHzclrlock_endata[cnt_width-1..0]regout[cnt_width-1..0]bcnt_reginst3cnt_w idth32Signed IntegerParameter Value Typeclken_1kHzclrlock_endata[cnt_width-1..0]regout[cnt_width-1..0]tcnt_reginst5clken_1kHzresetenencntclr_cntlockclr_regload_encntcontrolinst6clken_1kHzresetclearreset_cntinst16被测频率信号输入闸门信号控制器100M标准频率信号计数器被测频率信号计数器100M标准频率数据寄存被测信号频率数据寄存复位模块闸门、计数、寄存的总控制模块clk_100MHztclk1loadclk_100MHzen_1kHzclk_100MHzen_1kHzen_1kHzclk_100MHzloaden_1kHzclk_100MHzclk_100MHzen_1kHzset_f ashion[4]tclk1reset1cnt_numb[31..0]cnt_numt[31..0]两路数据送到下一级进行数据处理2.2理论分析采纳等精度测量法，其测量原理时序如图1所示从图1中能够取得闸门时刻不是固定的值，而是被测信号的整周期的倍数，即与被测信号同步，因此，不存在对被测信号计数的±1 误差，可取得：变形后可得：对上式进行微分，可得：由于 dn=± 1 ,因此可推出：从式（5）能够看出：测量误差与被测信号频率无关，从而实现了被测频带的等精度测量；增大T或提高fs能够提高测量精度；标准频率误差为dfs/fs,因为晶体的稳固度很高，再加上FPGA核心芯片里集成有PLL锁相环可对频率进一步的稳固，标准频率的误差能够进行校准，校准后的标准误差即能够忽略。

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。

DOI：10.3969/j.jssn.1009-9492.2016.z2.035频率测量方法介绍刘玉才广州致远电子股份有限公司，广东 广州 510660摘要：简要介绍频率测量的方法，包括模拟测量方法，数字测量方法，特别对基于FPGA 的频率测量方法，频率测量是数字仪器测量的基础。

关键词：周期、频率、模拟测频、数字测频、等精度测频中图分类号：TM935.1 文献标识码：B 文章编号：1009-9492（2016）z2-183-060引言频率是电力系统的重要参数，频率本身是电力测量的重要指标，电能质量里面明确要求的测量频率偏差，对频率偏差也进行了明确的限值要求，同时频率还是其他测量的基础和重要依据，所有的数字测量仪器的其他任何参数测量都必须以频率测量为根本，只有准确的频率测量后才能进行准确的电参数测量，否则测量结果将没有会出现严重错误。

电力系统的频率一方面作为电能质量的指标,需加以动态监测,另一方面作为实施安全稳定控制的重要状态反馈量，要求能够实时准确测量。

因此，频率测量成为电力系统运行控制的重要技术。

此外，在电参量的微机测量时,要对交流电信号进行同步采样,这需要实时测量和跟踪电力系统频率。

频率对于测量系统是非常重要的测量项目，所以频率的准确测量是其他参数准确测量的基础，同时频率的准确测量也是电力系统稳定工作的重要依据。

1周期及频率定义频率的定义：周期信号在单位时间（1s ）内的变化次数（周期数）。

如果在一定时间间隔T 内周期信号重复变化了N 次，则频率可表达为：Nf T频率和周期互为倒数，可以进行相互转化。

频率是表示交流电随时间变化快慢的物理量。

即交流电每秒钟变化的次数叫频率，用符号f 表示。

它的单位为周／秒，也称赫兹常用“Hz”表示，简称周或赫。

例如市电是50周的交流电，其频率即为f=50周／秒。

对较高的频率还可用千周（kC ）和兆周（MC ）作为频率的单位。

图 1.1 交流电正弦波交流电正弦电流的表示式中i=Asin(ωt+φ)中的ω称为角频率，它也是反映交流电随时间变化的快慢的物理量。

等精度频率计的设计一、实验原理基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的下降而降低，即测量精度随被测信号的频率的变化而变化，在实用中有较大局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，且在整个频率区域能保持恒定的测试精度。

设计项目可达到的指标如下：频率测试功能：测频范围0.1Hz~100Hz。

测频精度：测频全域相对误差恒为百万分之一。

脉宽测试功能：测试范围：0.1us~1s，测试精度1%~99%。

占空比测试功能：测试（显示）精度1%~99%。

相位测试功能：测试范围0~360度，测试精度0.2度。

主系统组成等精度频率计的主系统由六个部分组成：信号整形电路。

用于对待测信号进行放大和整形，以便作为PLD器件的输入信号。

测频电路。

是测频的核心模块，可以由FPGA器件担任。

100MHz的标准频率信号源（可通过PLL倍频所得）进入FPGA.。

单片机电路模块。

用于控制FPGA的测频操作和读取测频数据，并作出相应数据处理。

安排单片机的P0口读取测试数据，P2口向FPGA发控制命令。

键盘模块。

可以用5个键执行测试控制，一个是复位键，其余是命令键。

数码显示模块。

可以用7个数码管显示测试结果，最高可表示百万分之一的精度。

考虑到提高单片机IO口的利用率，降低编程复杂性，提高单片机的计算速度以及降低数码显示器对主系统的干扰，可以采用串行静态显示或液晶显示方式。

主系统组成测频原理等精度测频原理为：“预置门控信号”CL由单片机发出，可以证明，在1秒至0.1秒间的选择范围内，CL的时间宽度对测频精度几乎没有影响，在此设其T。

BZH和TF模块是两个可控的32位高速计数器，BENA和ENA分别是宽度为p它们的计算允许信号端，高电平有效。

标准频率信号从BZH 的时钟输入端BCLK 输入，设其频率为s F ；经整形后的被测信号从与BZH 相似的32位计数器TF 的时钟输入端TCLK 输入，设其真实频率值为xe F ，被测频率为x F 。