频率计测频原理

浅析数字频率计的原理及其应用作者：杨振羽来源：《武汉科技报·科教论坛》2013年第10期【摘要】随着电子信息产业的发展，信号作为其最基础的元素，其频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要，而且需要测频的范围也越来越宽。

传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量范围低，精度低。

因此，随着对频率测量的要求的提高，传统的测频的方法在实际应用中已不能满足要求。

【关键词】数字；频率计；应用一、引言在电子技术中，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。

电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。

直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。

数字频率计在电子、通讯等领域中的实验、研究开发、生产用途非常的广泛，它可以由逻辑电组成，也可以用单片机控制。

由逻辑电路组成的频率计，结构复杂，组装、调试比较麻烦；由单片机控制的频率计，数据采集、计算、译码及量程的自动转换，都可以由CPU来完成，简化了电路，提高了系统的可靠性。

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。

电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。

直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。

第1章绪论1.1研究背景及意义在电子技术领域内，频率是一个最基本的参数，它不仅是各种强弱电信号的物质本质参数之一，还因为频率信号的抗干扰性强、已与传输、可以获得较高的测量精度等特点使各种非电信号，诸如速度、力、图像、音讯等物理量都可以转换为电频率信号。

因此工程中很多测量，如用振弦式方法进行力的测量、时间测量、速度测量速度控制等都涉及到频率测量。

因此，研究频率计具有一定的实用价值。

数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器，它的基本功能是测量正弦波信号、方波信号、尖脉冲信号以及其它各种单位时间内变化的物理量。

在测控系统中，测频方法的研究越来越受到大家的重视，多种非频率量的传感信号都要转化为频率量来进行测量，而频率计作为测量频率的仪器被广泛应用于工业生产、实验室、国防等领域。

1.2国内外研究现状由以上所述可见，研究设计一种测量精度高、测频范围广、在更小的空间内实现更多的功能、有灵活的现场可更改性的高精度数字频率计显得越来越重要。

本课题正是针对于此，研究、设计一种频率计，旨在提高频率测量的高精度、及时性等性能指标。

下面就简单的介绍下国内外关于数字频率计的研究现状。

1.2.1从测量原理上分目前频率测量的方法有很多，在进行频率测量时，往往关心的是频率所测量的范围、精度要求以及被测对象的特点。

而测量所能达到的精度，不仅取决于所测的频率源的精度，而且取决于所使用的测量设备和测量方法。

目前测量频率的方法有多种，频率计的种类也各种各样。

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，对此测量其它信号的频率。

典型的传统的方法是计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时闸门时间为1秒，闸门时间也可以大于或小于1秒。

闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长；闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受到影响。

(1) 常用的数字频率的测量方法可以分为：1. 直接测量法（以下称M法）M法是在给定的站门事件内测量被测信号的脉冲个数进行换算得出被测信号的频率。

示波器和频率计测量频率，哪个更准？——兼答“一周一问”之No.002问示波器和频率计测量频率，哪个更准？——兼答“一周一问”之No.002问高学琴深圳市鼎阳科技有限公司一周一问之No.002问示波器测量频率准不准？示波器是否能够分辨出频率分别是74.25MHz和74.1758MHz的两个信号？晶振的频率稳定度要求是5ppm，怎么用示波器测量这个指标？示波器测量频率和频率计测量频率在原理上有什么不同？在电子技术领域中，信号频率的测量是我们经常会遇到的问题，示波器和频率计均可以实现频率测量，那么究竟哪种方法的测量结果更为准确呢？下面我们将就这两种方法的测量原理和区别来做一些说明：一．示波器测频率示波器被称为工程师的眼睛，是时域上观察信号不可或缺的工具。

现在普及的绝大多数是数字示波器。

数字示波器的本质是将待测的模拟信号转换为离散的采样点，点和点通过某种方式相连组成了示波器屏幕上的波形。

根据屏幕上的波形，示波器采用软件编程的“算法”来计算波形的相关参数。

频率是任何一台数字示波器都具有的测量参数，是周期的倒数，表示信号在单位时间（1秒）内变化的次数,通常用f表示，基本单位是Hz，1Hz表示每秒变化一次。

数字示波器测量频率的算法是怎么来的呢? 理解这个算法就理解了示波器测量频率的准还是不准的误差源。

）主流的数字示波器对频率进行测量算法是按周期的倒数来计算的。

先计算出周期，再计算出频率。

示波器计算周期的算法是：计算出信号这个上升沿幅值50%的点到相邻下一个上升沿幅值50%的点之间的时间间隔。

因此，示波器要先获得50%的点。

要得到50%的点，必然需要确定幅值，那么我们就需要理解示波器测量参数的第一算法：确定高电平和低电平峰峰值表示所有采样样本中的最大样本值减去最小样本值，这好理解，在示波器算法中也好实现; 而幅值表示被测信号的“高电平”减去“低电平”。

高电平和低电平分别在哪里？这就需要定义算法。

这个算法的确定将不只是直接影响到“幅值”这个参数值，还将影响到绝大多数水平轴的参数值，如上升时间,下降时间，宽度，周期等，因为水平轴的参数要依赖于垂直轴的参数。

频率计的工作原理：测量波频率的神器频率计是一种用于测量电波频率的仪器，它采用谐振电路作为测量元件，通过对电路谐振点的检测，求出测量信号的频率。

下面我们就来详细了解频率计的工作原理。

频率计的工作原理主要是利用谐振电路的特性进行频率测量。

谐振电路是一个有固定频率的振荡电路，当外界信号的频率等于谐振电路的固定频率时，电路输出信号振幅将得到最大增益，此时电路处于谐振状态。

利用这个特性，可以通过检测电路的谐振点，求出信号的精确频率。

频率计通常采用的是谐振电桥电路或谐振环电路进行测量。

谐振电桥电路是基于电桥原理设计的一种频率计，它由谐振源、比较器和数字显示器等组成。

当输入信号的频率接近谐振源的频率时，比较器将输出电平变化，这个变化的电平可以被计算机控制和数字显示，从而得到输入信号的频率。

谐振环电路也是一种常用的频率计测量电路。

它由一个反馈环路和比较器等组成，当输入信号频率和谐振环电路本身的共振频率一致时，电路将达到共振状态，此时反馈回路的输出电压将达到最大值，经过比较器处理后，数字显示器中将显示出测量信号的频率。

除了上述谐振电桥电路和谐振环电路外，还有锁相环频率计、计数频率计、混频器频率计等不同类型的频率计常用于频率测量。

不同类型的频率计根据应用场景和测量精度的要求，选择不同种类的谐振电路进行频率测量。

在使用频率计测量时，还需特别注意检测范围和精度要求，因为不同频率的信号需要选择不同的测量范围，否则测量结果可能不准确。

此外，还需保持频率计的电源供应稳定，避免外界干扰，以确保测量结果的可靠性和精度。

总之，频率计是一种非常重要的测量仪器，它能够在电子技术领域、通信领域、精密测量领域等多个行业中发挥重要作用。

掌握频率计的工作原理，将有助于我们更好地应用这个神器进行频率测量和信号分析。

频率计一、频率计的基本原理：频率计又称为频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。

其最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N/T（如右图所示）。

频率计主要由四个部分构成：时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。

在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。

主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。

在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。

二、频率计的应用范围：在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。

频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速的跟踪捕捉到被测信号频率的变化。

正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此，频率计拥有非常广泛的应用范围。

在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。

频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。

在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。

在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。

三、频率计厂商介绍：目前，市场上的频率计厂家可分为三类：中国大陆厂家、中国台湾厂家、欧美厂家。

其中，欧美频率计厂家所占有的市场份额最大。

欧美频率计厂家主要有：Pendulum Instruments 和Agilent科技。

Pendulum Instruments 公司是一家瑞典公司，总部位于瑞典首都斯德哥尔摩。

Pendulum 公司源于Philips公司的时间、频率部门，在时间频率测量领域具有40多年的研发生产经历。

频率测量设计班级：学号：姓名：指导老师：简介：频率仪器是数字电路中一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，联机比较复杂，而且会产生比较大的延迟。

随着复杂可编程逻辑器件的广泛应用，将使整个系统大大简化。

提高整体性能，它是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。

它不仅可以测量正弦波，方波，三角波，尖脉冲信号和其他具有周期的信号的频率，而且还可以测量他们的周期。

经过改装，可以测量脉冲宽度，做成数字式脉宽测量仪：可以测量电容做成数字电容测量仪;在电路中增加传感器，还可以做成数字脉搏仪，计价器等。

因此数字频率仪在测量物理量方面有广泛应用，数字式频率计是测量频率最常用的仪器之一，其基本设计原理是首先把待测信号通过放大整形，变成一个脉冲信号，然后通过控制电路控制计数器计数，最后送到译码显示电路里进行显示。

1 频率计的设计原理交变信号或脉冲信号的频率是指在单位时间内，由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即fx=N/t. 可以看出测量fx，必须将N或t两个量之一作为闸门或基准，对另一个量进行测量。

在一般数学电路中，对fx的测量是由电路提供标准闸门信号即t= Tz，Tz通常为1s 或它的十倍百倍等，然后对Tz内的被测信号变化的次数进行计数，得到Nx，即可得到fx=Nx/Tz. 对于低频信号，数字电路中采用的是测周期法，即Tx=1/fx=t/N,由电路提供标准时基信号Ts，将被测信号的周期作为闸门，将测量转化为对标准时基信号进行计数Tx=nx * Ts 。

频率计的设计原理实际上是测量单位时间内的周期数。

这种方法免去了实测以前的预测，同时节省了划分频率的时间，克服了原来高频率采用测频模式而低频段采用测周期模式的测量方法存在换挡速度慢的缺点。

通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。

闸门时间也可以大于或小于1秒。

闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的时间隔就越长。

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。

摘要在电子技术中, 频率是最基本的参数之一, 在数字电路中，数字频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。

在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。

在CMOS电路系列产品中，数字频率计是用量最大、品种很多的产品，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，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, 频率是反映信号特性的基本参量之一,频率测量在应用电子技术领域有着重要的地位。

测量的数字化、智能化是当前测量技术发展的趋势。

本文数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。

如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。

因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器。

数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。

本次设计选择以集成芯片作为核心器件，设计了一个简易七位数显频率计，以触发器和计数器为核心，由信号输入、放大、整形、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。

放大整型电路：对被测信号进行预处理；闸门电路：读取单位时间内进入计数器的脉冲个数；时基信号：产生一个秒信号；计数器译码电路：计数译码集成在一块芯片上，记录单位时间内脉冲个数，把十进制计数器计数结果译成BCD码；显示：把BCD码译码在数码管上显示出来。

文中首先对七位数显频率计的整体设计方案进行了分析和论证，并对用Protel99se软件画原理图及PCB图的制作了具体介绍。

关键词：频率，集成电路，Protel99se软件IAbstractIn electronic technology, the frequency is one of the most basic parameters, in digital circuits, digital frequency meter are sequential circuit, it has a memory function by the composition of the flip-flop. In the computer and various digital instruments, they are widely used. CMOS products in the circuit, the digital frequency meter is the amount of the largest varieties of many products, computers, communications equipment, audio, video and other essential areas of research and production of measuring instruments, and with a number of electrical parameters of the measurement program, the measurement results are very closely related to the frequency characteristics of reflected signals, one of the basic parameters, This article is a digital frequency meter with digital display of the equipment under test signal frequency, the measured signal can be sine wave, square wave or other periodic signal change. Such as with the appropriate sensors, can test a wide range of physical quantities, such as the frequency of mechanical vibration, speed, sound frequency, as well as piece-rate products and so on.The design of the main choice of integrated chips as the core devices, we designed a simple digital frequency meter 7 to flip-flop and counters at the core, by the signal input, amplification, shaping, counting, data processing and data display function module group into. Cosmetic surgery to enlarge the circuit: The pre-processing of measured signals; gate circuit: read per unit time the number of pulses into the counter; time base signal: 1 seconds generated signal; Counter Decoder: Decoding count on a single chip integrated , recording the number of pulses per unit time,Count the results of the decimal counter to BCD code; show: the BCD code decoding in the digital tube display. Protel99se use of schematic and PCB drawing maps for the details.Keywords: Frequency, Intergrated circuit, software Protel99II目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)第一章引言 (1)1.1课题的目的及意义 (1)1.2国内外发展现状及研究概况 (1)1.3设计的主要技术指标与参数 (2)1.4设计的主要内容 (2)第二章方案的比较与论证 (3)2.1测量方法分析 (3)2.2误差分析 (4)2.3方案的选择与确立 (5)第三章总体电路设计 (6)3.1电路的组成及工作原理 (6)3.1.1电路的组成 (6)3.1.2频率计的工作原理 (6)3.2原理方框图 (8)3.3电路工作各部分原理 (9)3.3.1计数显示电路 (9)3.3.2放大分频整形电路 (10)3.3.3秒脉冲发生电路和控制电路 (11)3.3.4 测晶振电路 (13)3.3.5电源供电电路 (14)3.4整体电路原理图 (15)第四章各部分芯片介绍 (16)4.1MC14543的介绍 (16)4.2 MC14553的介绍 (18)III4.3 HCF4033的介绍 (20)4.4 CD4060的介绍 (21)4.5 CD4017的介绍 (22)4.6 AD829的介绍 (24)第五章Protel99SE的介绍 (26)5.1 Prote l的发展 (26)5.2 Protel99SE的简介 (26)5.3原理图设计步骤 (27)5.4 PCB板图的设计 (28)5.5 PCB版图 (31)结论 (32)参考文献 (33)致谢 (34)附录原件明细表 (35)IV第一章引言1.1课题的目的及意义数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，是一些科研生产领域不可缺少的测量仪器，被测信号可以是正弦波，方波，三角波或其它周期性变化的信号。

频率时间间隔测量原理
频率时间间隔测量原理是通过测量事件发生的时间间隔来计算出事件的频率。

该原理适用于各种领域，如物理学、电子学、计算机科学等。

在物理学中，频率是指单位时间内事件发生的次数。

通过测量事件的时间间隔，我们可以计算出事件的频率。

例如，假设我们想测量一个摆动钟的频率，我们可以开始计时，然后记录摆钟完成一次摆动所经过的时间。

通过将这个时间除以一秒，我们就可以得到摆钟的频率。

在电子学中，频率是指电信号的周期性变化。

通过测量电信号的时间间隔，我们可以计算出电信号的频率。

例如，在无线电中，我们可以通过测量电磁波的周期性变化来计算出无线电波的频率。

在计算机科学中，频率是指计算机处理指令的速度。

通过测量计算机执行指令的时间间隔，我们可以计算出计算机的时钟频率。

例如，我们可以通过测量计算机执行一条指令所需的时间来计算出计算机的时钟频率。

频率时间间隔测量原理是基于时间的。

通过测量一系列事件的时间间隔，我们可以计算出事件的频率。

这个原理在许多领域都有广泛的应用，可以帮助我们了解事物的运动规律、电信号的变化规律以及计算机的性能等。