高精度频率计应用特性说明

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高精度频率计应用特性说明

什么是频率计

频率计的介绍

数字频率计

一、高精度频率计应用特性说明

在现代科技的电子技术中，频率测量是最基本的参数之一，并且与其他的测量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此测量频率就显得很重要了。测量频率的方法有很多种，其中频率计测量频率具有精度高、使用方便、测量迅捷，也可以把测量结果上传至电脑，以及便于实现测量过程自动化等优点，。电子计数器测频使用高精度的频率计即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；一般使用于高频信号的频率测量。

60年代中期，电子测量技术取得了关键性的进展，计算机的引入，使测量仪器的功能发生了质的变化，有一些电量方面的测量转变成测量整个系统的关键待征参数，从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。70年代，计算机的高精度技术在仪器仪表中的逐步使用，使电子仪器的测量在传统的时域与频域之外，又出现了数据或测试数据处理。80年代，由于微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，过去直观的用于调节时基或幅度的旋转度盘，选择电压电流等量程或功能的滑动开关，通、断开关键已经消失。90年代，仪器仪表与测量科学进步取得重大的突破性进展。这个进展的主要标志是仪器仪表智能化程度的提高。

数字式频率计也称为数字频率表或电子计数器。它不仅是电子测量和仪器仪表专业领域中测量频率与周期、测量频率比和进行计数、测时的重要仪器，而且比示波器测频更方便、经济得多，特别是现代电子计数器产品与足见和具有多种测量功能的数字式频率计，已广泛应用于计算机系统、通讯广播设备、生产过程自动化测控装置、带有 LED、LCD数字显示单元的多种仪器仪表以及诸多的可许技术领域。可以说，伴随着数字化技术的发展，电子计算机、通讯设备、音频和视频技术进入科研、生产、军事技术和经济生活领域，直至家庭和个人，使得电子计数器和测频手段与上述电子设备耦连为形影不离的技术。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信号 .方波信号 ,尖脉冲信号及其他各种单位时间内变化的物理量，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，对比测量其他信号的频率。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一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则没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影响。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，电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。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。

关于频率计的说明，以SYN5637型高精度频率计数器为参考进行说明，这款频率计标配是以恒温晶振OXCO作为内部时基标准，其产品设计基准即是频率计的基本原理，就是我们平时提到的用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟的特性。我们提到的这一款型号目前是按照规程设计的一款满足应用的频率计设备，基础提到的参数中频率测量分辨率可以达到12位/秒，基础配置测量频率为6GHz，满足以检规作为测量依据的可言计量，工业生产等单位的应用。

常用数字频率测量方法有直接测频法和间接测频法, 直接测频法适合于数字电路实现,其基本原理是选取闸门信号, 将被测信号转换为同频的周期性脉冲信号, 然后将被测脉冲信号填入选取的闸门时间内, 通过计数电路对被测脉冲信号在闸门时间内出现的脉冲个数进行计数,得到被测脉冲频率。

常用数字频率测量方法有直接测频法和间接测频法, 直接测频法适合于数字电路实现,其基本原理是选取闸门信号, 将被测信号转换为同频的周期性脉冲信号, 然后将被测脉冲信号填入选取的闸门时间内, 通过计数电路对被测脉冲信号在闸门时间内出现的脉冲个数进行计数,得到被测脉冲频率。

液晶左边为常用的配置，AC/DC，50欧/1兆欧阻抗，衰减X10，100kHz滤波器，液晶右边为通道选择，和频率记录趋势进入按钮，以及启动，停止，返回操作。液晶下面为闸门设置，常用1s，10s，点击设置按钮可进行更多闸门配置。

当需要测试功率时，选择500欧姆阻抗，最下面的状态里面显示的即就是50欧姆阻抗选择下输入信号的功率，以及相应的最大值，最小值，功率峰峰值。

液晶上方的状态栏显示统计的数据个数，以及当前测试的闸门时间和标称值自动计算还是手动配置。

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一、什么是频率计

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。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。

测量方法：测量频率的方法有很多，按照其工作原理分为无源测频法、比较法、示波器法和计数法等。计数法在实质上属于比较法，其中最常用的方法是电子计数器法。电子计数器是一种最常见、最基本的数字化测量仪器。

基本原理：
频率计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）。
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。

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。

二、频率计的介绍

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。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。频率，即使信号周期的倒数，也就是说，信号每单位时间完成周期的个数，一般去一秒为基本单位时间。

三、数字频率计

简易频率计

一、设计任务与要求
1．设计制作一个简易频率测量电路，实现数码显示。
2．测量范围：10Hz~99.99KHz
3．测量精度： 10Hz。
4. 输入信号幅值：20mV~5V。
5. 显示方式：4位LED数码。
二、方案设计与论证
频率计是用来测量正弦信号、矩形信号、三角形信号等波形工作频率的仪器，根据频率的概念是单位时间里脉冲的个数，要测被测波形的频率，则须测被测波形中1S里有多少个脉冲，所以，如果用一个定时时间1S控制一个闸门电路，在时间1S内闸门打开，让被测信号通过而进入计数译码器电路，即可得到被测信号的频率fx。
任务要求分析：
频率计的测量范围要求为10Hz~99.99KHz，且精度为10Hz，所以有用4片10进制的计数器构成1000进制对输入的被测脉冲进行计数；要求输入信号的幅值为20mV~5V，所以要经过衰减与放大电路进行检查被测脉冲的幅值；由于被测的波形是各种不同的波，而后面的闸门或计数电路要求被测的信号必须是矩形波，所以还需要波形整形电路；频率计的输出显示要经过锁存器进行稳定再通过4位LED数码管进行显示。
经过上述分析，频率计电路设计的各个模块如下图：

方案一：
根据上述分析，频率计定时时间1s可以通过555定时器和电容、电阻构成的多谐振荡器产生1000Hz的脉冲，再进行分频成1Hz即周期为1s的脉冲，再通过T触发器把脉冲正常高电平为1s；放大整形电路通过与非门、非门和二极管组成；闸门电路用一个与门，只有在定时脉冲为高电平时输入信号才能通过与门进入计数电路计数；计数电路可以通过5个十进制的计数器组成，计数器再将计的脉冲个数通过锁存器进行稳定最后通过4个LED数码显像管显示出来。
方案二：
频率计定时时间1s可以直接通过555定时器和电容、电阻构成的多谐振荡器产生1Hz的脉冲，再通过T触发器把脉冲正常高电平为1s；放大整形电路可以直接用一个具有放大功能的施密特触发器对输入的信号进行整形放大，其他模块的电路和方案一的相同。
通过对两种方案的分析，为了减少总的电路的延迟时间，提高测量精确度，所以选择元件少的第二种方案。
三、单元电路设计与参数计算
时基电路：
用555_VIRTUAL定时器和电容、电阻组成多谐振荡器产生1Hz的脉冲，根据书中的振荡周期 ： T=（R1+R2）C*ln2 取C=10uF，R1=2KΩ，T=1s，计算得：R2=70.43KΩ，再通过T触发器T_FF把脉冲正常高电平为1s的脉冲，元件的连接如下：
经示波器仿真，产生的脉冲的高电平约为1S。
放大整形电路：
用一个74HC14D_4V的含放大功能的施密特触发器对输入脉冲进行放大整形，把输入信号放大整形成4V的矩形脉冲，其放大整形效果如下图：

闸门电路：
用一个与门74LS08作为脉冲能否通过的闸门，当定时信号Q为高电平时，闸门打开，输入信号进入计数电路进行计数，否则，其不能通过闸门。
计数电路：
计数电路用5（4）片74192N计数器组成100000（10000）进制的计数电路，74192N是上升沿有效的，来一个脉冲上升沿，电路记一次数，所以计数的范围为0~99999（5000）。但计数1S后要对计数器进行清零或置零，在这里用清零端，高电平有效，当计数1S后，Q为低电平，Q’为高电平，所以用Q’作为清零信号，接线图如下：

锁存显示电路：
当计数电路计数结束时，要把计得脉冲数锁存通过数码显示管稳定显示出来。锁存器用2片74ls273，时钟也是上升沿有效，当Q为下降沿时，Q’恰好是上升沿，所以用Q’作为锁存器的时钟，恰能在计数结束时把脉冲数锁存显示，电路的接线图如下：

四、总电路工作原理及元器件清单
1．总原理图

2．电路完整工作过程描述（总体工作原理）
555组成的多谐振荡器产生1Hz的脉冲，经过T触发器整形成高电平时间为1S的脉冲，高电平脉冲打开闸门74LS08N，让经施密特触发器74HC14D放大整形的被测脉冲通过，进入计数器进行1S的计数。当计数结束时，T触发器的Q为下降沿，Q’刚好为上升沿，触发锁存器工作，让计数器输出的信号通过锁存器锁存显示，同时，高电平的Q’信号对计数电路进行清零，此后，电路将循环上述过程，但对于同一个被测信号，在误差的允许范围内，LED上所显示的数字是稳定的。
3．元件清单
元件序号 型号 主要参数 数量 备注
1 74192 5 加法计数器
2 74LS273 2 锁存器
3 DCD_HEX 4 LED显示器
4 555_VIRTUAL 1 定时器
5 T_FF 1 T触发器
6 CAPACITOR_RATED 电容10Uf、额定电压50V 1 电容
7 CAPACITOR_RATED 电容10Nf、额定电压10V 1 电容
8 RES 阻值2KΩ 1
9 RES 阻值 1
10 74LS08 1 双输入与门
11 74HC14D_4V 1 施密特触发器，放大电压4V
12 AC_VOLTAGE 1 可调的正弦脉冲信号
五、仿真调试与分析
把各个模块组合起来后，进行仿真调试以达到任务要求。
① 在信号输入端输入10Hz的交流脉冲，仿真，结果如下：

说明仿真的结果准确
② 在信号输入端输入300Hz的交流脉冲，仿真，结果如下：

仿真结果准确
③ 在信号输入端输入3KHz正弦脉冲，仿真，结果如下：

④输入20KHz的正弦脉冲，仿真，结果如下：

仿真结果结果与实际的结果相差20Hz，这说明频率越高，误差越大。经分析，这是由于各个元器件存在着延迟时间，1S的脉冲，经过各个元器件的延迟，计数时间会大于1s，频率越高，误差越大，所以计数的时间要稍微小于1S，调小时基电路的R3为70.23KΩ，仿真，结果如下：

还是存在误差，经过多次调节R3仿真，最后确定R3为70.06 KΩ时对于各个频率的测试都比较准确，20KHz时仿真结果如下：

所以R3为70.06KΩ是测得的各个频率值都比较准确，且电路设计都符合测任务要求。
六、结论与心得
在这次课程设计的过程中，我收获不少。首先，我学会了把一个电路分成模块去设计，最后再整合，这样可以把一个复杂的电路简单化了，并且这样方便与调试与修改；其次，设计有助了我去自学一些元器件的功能，去运用它；再次，我也初步会用multisim软件设计电路；最后，这次课程设计也提高了我查找问题、思考问题和解决问题的能力，还锻炼了我的耐性。
在这次课程设计中也遇到了很多问题，首先，是对元器件了解不多，对于要实现某种功能不知道用那一种元件，所以问同学，上网收索，再了解这种元件的逻辑功能，学会去用它；其次，不大会用电路设计软件，一开始用EWB软件设计，对模块仿真可以，但整合整个原理图仿真却不行，通过示波器观察输出波形发现脉冲走了一小段却停止了，以为是电路有问题，就查找了很多遍才找出问题，原来在那个软件仿真时是不允许存在两个信号，所以重新用multisim设计，才可以；最后，在用multisim仿真高频率时仿真速度极慢，所以调整了软件的仿真最大步长，但问题又出现了，信号紊乱，数码管显示数字不一，然后就猜想会不会是元件的问题，太高频率元件来不及反应就输出结果，但上网寻找答案，原来是软件的仿真步长会影响仿真的精确度，所以，某一范围的频率仿真，要用相应的最大仿真步长。
这个题目的设计花了自己不少心血，有时甚至一整天在弄，但是当自己成功地设计出电路时所获得的那一份成就感是无法表达的，所以整个电路的设计过程充满着苦恼与乐趣。
七、参考文献
[1] 阎石 《数字电子技术基本教程》第一版 ，清华大学出版社，2007.08