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高精度频率计

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2014年 6月 10日

高精度频率计

B. A.弗曼，Verzin

频率正在成为用于控制，转换和测量越来越广泛的参数。目的在于适应自动

装置，测量，显示和转换技术目前的发展阶段。其中，数字方法测量和转换频率

是最精确的。目前还存在着合理的改善模拟频率转换器和频率计精度等级的方

法。这篇文章中介绍的是高频信号到ADC的信号的转换器。转换器被用作频率

计，是一种具有输出0.1等级指针式仪表。 应用于此频率计设计中的模拟仪器基本标准包括通过收集测量频率脉冲的

方法来探测电压的平均值，并用相应的脉宽和幅度来校准这些脉冲。这种装置的

误差实际上取决于它们的校准稳定性与可变电源电压和温度。利用稳定的晶体发

电机，并结合高精度的电压稳定剂的方法，该电路通过获得集成的持续时间，从

而达到高精度测量水平。

这种方法的应用[1]使人们有可能降低的频率计的基本误差为0.01％。实际电

路中的其他错误无法使这一精度得到实现。下面我们分析施加这样的电路来设计

一个频率计的可能性。

频率计（图1和图2）由一个脉宽整形电路、一个脉冲幅度整形电路和积分单

元组成。整形电路包括由时钟频率生成器CG控制的同步门。 在没有输入信号的触发器1Tr处于位置1时，栅极与被阻止，并且触发器2Tr

处于位置0。持续时间整形电路（触发器2Tr）输出低电势。在接收到测量频率的

脉冲时，触发器1Tr被触发，与门导通，并且程序时钟脉冲将触发器2Tr设置为

位置1。接下来时钟脉冲返回触发2Tr，然后触发触发器1Tr回到它们的初始位置。

因此，每一个接受的测量频率脉冲都在触发器2Tr的输出端产生了一个电势差。

这个差持续了时钟频率的一个周期。 持续时间整形电路的稳定性是由时钟频率发生器和触发器2Tr输出的压降脉

冲边缘决定的。 晶体稳定的发生器可以在一个很宽的温度范围内保持它的频率而无需精度

为5-10的恒温控制。因此，在形成的脉冲持续时间内的基本不稳定性取决于电路

晶体管的开关时间。饱和晶体管的开关时间包括有效脉冲边缘的持续时间和从饱

和状态切换出来所需要的时间。应当指出的是，由于输出晶体管2Tr和开关S的

输入晶体管工作在反相位，可以得到其滞后影响的部分或全部补偿和输出的脉冲

持续时间。在实践中，很难达到完全补偿，尤其是在很宽的范围内。

图1 频率计结构图 图2 输出脉冲整形电路

图3 饱和条件下不饱和时间晶体管的温度依赖性

从图3看出，饱和条件下不饱和时间晶体管的温度依赖性：1）bi=2mA，

ci=25mA；2）bi=10mA，ci=12mA；3）bi=5mA，ci=12mA（曲线1和3由无正偏

压电流获得，曲线2bi=0.5mA）。

图3显示了MP20和MP106晶体管的不饱和时间和饱和度之间的关系。从上

述关系可以看到，绝对饱和度降低时，温度系数和在宽温度范围内的非线性程度

在MP106硅晶体管中更小。因此，从时间整形的要求来看，硅晶体管（对于同

样的放大系数）是更可取的。由于在上面的电路中边缘持续时间的绝对值比不饱

和时间小得多，并且不超过0.5～0.6微秒，所以没有实质性的变化是由包含脉冲

边缘的时间的不稳定引起的。

幅度整形电路的稳定性是由精度决定的，在这个精度下电压电平相对应的打

开和闭合的开关S可以被保持。在开关输出的电压电平的不稳定性主要是由于饱

和晶体管电阻随温度变化的不稳定性。集电极电压的绝对值和它对于饱和恒定深

度的温度系数值取决于操作环境，并且，对于考虑中的两种类型的晶体管是不同

的。

在一个闭合开关的输出端的电压的不稳定性是由集电极电压源和由不受控

制的集电极热电流造成的电压降决定的。在所考虑的装置中，振幅整形电路由一

个半导体稳压器供给，它是一个稳定因子为100的补偿类型，且温度不稳定性的

最大值为0.001%/℃。由于不受控制的开关晶体管的热度变化，输出电压也会变，

这种变化对于负荷为1KΩ的硅晶体管来说可以被减少到最低限度不超过0.025mv/℃。

为了得到频率计的高线性，有必要确保在没有测量频率时的零输出信号。它

需要使用一个相对于饱和晶体管1T（见图2）残余电压的补偿电压。补偿是通过

连接一个额外的与1T恒饱和条件类似的晶体管2T来得到的。通过调整晶体管2T的

饱和深度（通过电阻R1和R2），就可能同时补偿设备的温度不稳定性。为了挑

选出正比于测量频率的输出电流的直流分量，电压分接出整形开关和晶体管的差

被馈送到一个由动圈式仪表组成的积分单元。

有必要纠结于正确地选择电路，以满足输出脉冲持续时间和幅度的最佳整形

需求。让我们确定一个对总的附加频率计误差的两个参数有同等不稳定影响的最

佳条件。

在图3所示的数据可以看到，不饱和时间的不稳定性是最重要的。因此，对

于只有200微秒的脉冲持续时间和Ks=4的饱和度比率，没有补偿的持续整形电路

的不稳定性在20-50℃的范围内总计约为0.008％/℃（图三中的曲线１）。幅度整

形电路的不稳定性相似值是MP106晶体管和20V的开关电源电压在相同饱和度

比时得到的。 饱和度比率的进一步升高对振幅整形电路的工作有益，但它损害了持续时间

整形电路的稳定性。 上述脉冲持续时间决定了频率的测量极限。因此=200ptus，max2500fHZ

（考虑由于同步元素的操作环境下，测量延迟一个周期的可能性）。

上述温度误差可以由前面描述的参数补偿方法来减少，通过在20-50℃范围

内不超过0.0012/℃的误差增大一个值的5-7倍。上述温度范围内脉冲持续时间和

幅度整形电路的总最大误差将保持低于0.07%（并在范围扩展至60℃时上升到

0.1%）。通过使用高频晶体管MP401-MP403，测量的频率范围可以在相同精度下

提高至10KHZ。频率范围的扩展主要是由减少不饱和时间造成的。本例中50℃的

温度范围限制是由于锗晶体管不受控制的集电极电流对换能器总误差的急剧上

升效应。

我们行业最近已经开发出新型的具有稳定电压下高热稳定性的硅产品。

D818D-D818E对标称动态电阻为18Ω的电压温度系数分别达到0.002%/℃和

0.001%/℃。它们的应用导致了频率计电路在不损害高稳定性和宽频率范围条件

下的简化。

在该电路的改进版本中，电压补偿型的特殊稳定剂替换为在整形开关晶体管

1T（图4）的集电极电路的D1-D2（D816D-D818E)的简单两部分参数稳定。

图4 整形开关晶体管

在这个电路中，开关的输出电阻是在其打开状态下由饱和晶体管1T的电阻确

定的，并在其闭合状态下由稳态范围内的动态电阻确定。因此，闭合开关输出端

的电压水平的不稳定性现在是由D2的电压温度系数决定而不是热电流变化。这

使得它也可以在高达60℃的宽温度范围内使用高频晶体管MP401-MP403。一个

饱和型晶体管MP401-MP403的集电极电压比MP20-MP106的低。这可以用于通

过晶体管2T（相同类型）提高电压补偿，以获得在频率计输出端的零电压。 上述电路是用一个数字频率计4E3-4和电位器PPTV1进行测试的。输出指针

式仪器包括0.1毫伏表型GOERZ-134420（量程可达60mV，电阻为10Ω）。频率

计的这种精度级别就由输出设备来决定。它对20-60℃内的温度变化的总附加误

差不超过0.1%，并且供应10%的电压变化。初始漂移在电源电压切换后3-5分钟

达到0.3%。

20赫兹的低频率测量限制是由积分单元的频率特性决定的。如果有必要提高

输出仪器的时间常数，可以在系列中用动圈式连接一个附加电感。在开关的输出

端用电容滤波器损害了换能器的线性，因为它难以得到电容充放电电路的严格相

等的时间常数。

上述用于将频率转换成直流电流的转换电路可以作为一个设计批量生产精

度级为1.0-0.2的模拟频率计的基础。

这种仪器的生产将有助于减少昂贵数字频率计的应用范围。

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优利德 UTG1000X系列数据手册 说明书

优利德 UTG1000X系列数据手册 说明书

UTG1000X

系列函数/任意波形发生器

数据手册

REV3

2023.10

2/

15产品特性

双通道等性能最大输出频率60MHz，最大输出幅度20Vpp

200MSa/s采样率，16-bit垂直分辨率

方波最高频率20MHz，抖动低

丰富的模拟和数字调制功能：AM、FM、PM、FSK、ASK、PSK和PWM

支持扫频和脉冲串输出

可通过上位机任意波形编辑器生成任意波形

内置功率放大模块，最大输出功率4W（仅-PA机型）

具有7位硬件频率计功能

内置200种任意波形

标配USBHost，USBDevice接口

4.3英寸TFTLCD显示屏

3/

15等性能双通道输出

高频下的大幅度输出能力：在10MHz频率下仍然能保证双通道20Vpp满幅度输出低失真输出

0dBm输出幅度下的THD（总谐波失真）指标小于0.2%；全频段内的谐波和杂散均小于-50dBc。

4/

15任意波形编辑界面

通过上位机任意波形编辑器生成任意波形。

功率放大器输出（仅-PA机型）

内置功率放大器的功率带宽输出高达100kHz，最大输出功率4W，输出摆率SlewRate大于18V/μs。

5/

15低抖动

优异的数字采样技术，使输出的波形抖动更低。高信噪比

设置小信号叠加大直流，UTG1000X

输出噪声更低，具有更高的信噪比低抖动

CH1HighSNR@4mVoffsetDC2V

6/

15丰富的调制功能

支持AM、FM、PM、FSK、ASK、PSK和PWM多种模拟和数字调制方式。脉冲串功能

支持“N周期”“无限”和“门控”三种脉冲方式。“内部”和“外部”两种触发源。

7/

15扫频功能

支持“线性”和“对数”两种扫频方式。频率计

高精度频率计，可测100mHz~200MHz的频率范围。

8/

15定义与条件

“技术指标”对产品保修所涉及的参数性能进行了详细描述，除非特别注明，这些技术指标适用于

18°C到28°C的温度范围。

“典型值”是指不在产品保证范围内的其他产品性能信息。当性能超出技术指标时，80%的单元在

23158310

23158310

电子测量技术　ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＴＥＣＨＮＯＩ　０ＧＹ　第２９卷第５期　２００６年１Ｏ月　

基于单片机　的高　精度频率计设计　

卢飞跃　

（广州番禺职业技术学院广州５１１４８３）　

摘　要：介绍了基于ＡＴ８９系列单片机的高精度频率计的设计方案，描述了它的系统组成、工作原理和软件设计。此　

外，阐述了利用单片机实现多周期同步法测量频率的方法，包括同步接口电路设计和测量原理。该频率计采用单片机　

与频率测量技术相结合，利于多周期同步测量法的实现和灵活的测量自动控制，并且大大提高了测量的精度。　

关键词：高精度；频率计；单片机；同步法　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｅｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＣＭ　

Ｉ　ｕ　Ｆｅｉｙｕｅ　（Ｐａｎｙｕ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｃｏｌｌｅｇｅ。Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１　１４８３）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａ　ａｂｏｕｔ　ａ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＴ８９　Ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｉｓ　

ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｆｌｏｗ　ａｒｅ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ。ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　

ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｕｌｔｉ—ｃｙｃｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ＳＣＭ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，Ｉｔ　Ｓ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｕｌｔｉ—ｃｙｃｌｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ａｕｔｏ—ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ—　

频率计的使用方法

频率计的使用方法

频率计的使用方法

频率计是一种用于测量电信号频率的仪器，它广泛应用于电子、通讯等领域。本文将详细介绍频率计的使用方法，包括仪器准备、测量步骤、注意事项等方面。

一、仪器准备

1. 频率计：选择与被测信号频率范围相匹配的频率计，并确保其工作正常。

2. 信号源：提供待测信号，可以是信号发生器、天线或其他设备。

3. 连接线：将信号源与频率计连接起来，通常使用同轴电缆或BNC线。

二、测量步骤

1. 连接线路：将信号源输出端口与频率计输入端口连接起来。如果使用同轴电缆，则需要在两端安装BNC头，注意保持连接牢固。

2. 打开仪器：按下频率计的开关按钮，确保其正常工作。

3. 调整参数：根据被测信号的特点和实际需求，调整频率计的参数。主要包括：

（1）选择输入通道：如果有多个输入通道，则需要选择正确的通道。

（2）选择触发方式：可以选择内部触发或外部触发方式。

（3）设置参考电平：可以设置参考电平，以便更好地显示被测信号。

（4）选择单位：可以选择Hz、kHz、MHz等不同的频率单位。 4. 测量信号：根据实际需求，使用信号源产生待测信号，并观察频率计的读数。如果需要连续测量多个信号，则可以使用扫描模式。

5. 记录数据：根据实际需求，记录测量结果。可以使用笔记本电脑、数据记录仪或其他设备进行数据记录。

三、注意事项

1. 频率计的输入端口必须与被测信号的输出端口相匹配，否则可能会导致误差或损坏仪器。

2. 在调整参数时，应仔细阅读频率计的说明书，并按照说明进行操作。

3. 在测量过程中，应注意避免外界干扰和电磁辐射。可以采取屏蔽措施或选择合适的测试环境。

4. 如果需要精确测量高频信号，则需要使用高精度的频率计，并在实验室环境下进行校准和测试。

四、总结

本文介绍了频率计的使用方法，包括仪器准备、测量步骤和注意事项等方面。在实际应用中，需要根据被测信号的特点和实际需求，选择合适的频率计，并按照说明书进行操作。同时，需要注意避免干扰和电磁辐射等问题，以确保测量结果的准确性和可靠性。

等精度数字频率计

等精度数字频率计

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_84VCCresetINPUTPIN_31VCCtclkINPUTcnt_time100Signed IntegerParameterValueTypeclken_1kHztclkclrloadencntcnt_eninst4cnt_width32Signed IntegerParameterValueTypeclkclrencntout[cnt_width-1..0]cntinst1cnt_width32Signed IntegerParameterValueTypeclkclrencntout[cnt_width-1..0]cntinst2cnt_width32Signed IntegerParameterValueTypeclken_1kHzclrlock_endata[cnt_width-1..0]regout[cnt_width-1..0]bcnt_reginst3cnt_width32Signed IntegerParameterValueTypeclken_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_fashion[4]tclk1reset1cnt_numb[31..0]cnt_numt[31..0]两路数据送到下一级进行数据处理