频率计

随着技术的不断发展。频率计的原理和结构也不断改进。数字频率计已成为目前应用的主流。它具有读数直观、操作简单的优点。由于频率和周期是相互倒数的关系，所以只要软件支持，频率计就可以既显示频率也显示周期。习惯上，大家对于较高的频率偏好使用“MHz、kHz、Hz”等频率单位，对于很低的频率偏好使用“s(秒)、ms(毫秒)”等周期单位。

一、频率计的实用意义

频率计可以用来测量无线电电波载波频率和振荡器的振荡频率，为调校和监视带来方便。借助频率计，我们可以测量常见的晶体振荡器的工作频率并可以加以校正，使实际误差Z小。晶体振荡器广泛应用于各种无线电电路、时间频标电路、单片机电路。在无线电收发信机中，应用Z多的频率合成器的基础参考频率就是通过晶体振荡器获得的，通过修正晶体振荡器的频率就能校准无线电收发信机的工作频率。

以对讲机和短波电台为例，目前主流的电台对讲机都通过频率合成器获得载波频率，对于常用的25kHz间隔、16KOF3EN制的FM调频对讲机信号，如果接收机和发射机频率的相对误差超过2000Hz，就会造成对讲机通信品质和通信距离的明显下降。而对于在短波通信中常用的J3E调制的SSB语音信号，如果接收机与发射机频率的相对误差超过200Hz，语音就会出现明显的变调。对讲机和电台由于元器件老化和振动很容易引起频率偏差，所以对讲机和电台的载频误差需要定期检测、及时校正，这也是国家无线电管理局对发射设备检测的必查指标之一。

利用频率计检查电路中时钟晶体是否正常工作，可以很容易地发现停振和频率严重偏差的异常情况。在实际维修应用中，即使是非无线电收发信线路，也需要用频率计确认一些测试点的振荡频率状况。

频率计通过一个振荡电路能检测石英晶体的品质(稳定性)和性能(谐振频率)，有的多功能频率计将振荡电路集成在仪器内部，用户只需要插上石英晶体就能知道晶体的谐振频率。对于有能力打磨石英晶体、修改晶体谐振频率的朋友，通过频率计可以监测石英晶体打磨后实际谐振频率的变化。

频率计可以监视信号源的输出频率。对于爱好者来说，目前科研单位主流的数字化数显频率合成信号发生器价格过于昂贵，通常预算不多的爱好者都会考虑选用老式的LC振荡器的简易信号源但这类信号源没有数字频率直接显示功能，刻度也不是十分精确，实际使用中误差比较大。如果这类信号源配合频率计使用，就可以将频率计作为信号源实际输出频率的显示器，那比信号源度盘指示机构要准确得多。

有些仪器附带有频率计功能，如示波器、频谱仪，甚至一些多功能的万用表也具备频率计功能，但从综合性能上看，都不能完全取代专业频率计。示波器是显示信号波形的仪器，部分数字示波器具有频率计的功能，但测量精度和速度往往不能与专业频率计媲美。而且，在价格上同档次的示波器要比频率计贵不少，所以用示波器替代频率计并不可行。

频谱仪不但可以显示信号频率信息，还可以显示信号幅度信息，但通常频谱仪的频率显示精度不高，并不适合精确的单纯频率的计数测量，而且频谱仪的价格要比频率计贵得多。一些万用表的频率测量功能基本属于初级水平，显示的位数本身就不够多，测量频率也不够高，实用意义有限。

二、频率计的基本原理

数字频率计通过计数器在单位采样时间内对经过预处理的脉冲信号进行计数，然后折算成频率数据，这是频率计的基本原理，所以频率计也被称为频率计数器。实际上，频率计对于频率很低的信号采用测量周期的方法，对于数百兆、上千兆的频率较高的信号一般采用先分频再测量的方法。分频电路将较高频率的信号等比转换成较低频率的脉)中，再送至4频率计的计数器电路中进行计数，Z后将得到的频率数据乘以原先的分频比，即得到实际测量的频率。很多中频率计都有1～3GHz选件，以扩展频率计的测量范围。实际在硬件电路上主要就是增加一个分频器。

频率计的稳定度和准确性是标志频率计性能的两大重要指标。频率计的稳定度和准确性主要取决于自身的基准参考频率，该频率同样是由晶体振荡器产生的。大家都知道普通晶体振荡器中的石英晶体谐振频率会根据温度的变化发生微小的变化，不同品质的石英晶体的这种变化幅度是不同的，但不能完全避免。晶体这种微小的变化在很多消费类电子产品的电子线路中可以忽略不计，但作为高精度的频率计基准参考源则不可忽略。

为了提高频率计基准参考源的稳定度，一方面应采用稳定性好的高品质石英晶体，另一方面在晶体环境温度上下功夫。TCXO温度补偿特性晶体通过附加温度补偿电路，削减环境温度变化对石英晶体振荡器振荡频率产生变化的影响。一般中档的频率计都会至少考虑使用TCXO晶体振荡器作为基准。更的OCXO恒温控制式晶体振荡器通过附加恒温槽，使晶体振荡器或石英晶体周围的温度保持相对恒定，这样可以将环境温度变化对石英晶体振荡器振荡频率产生变化的影响降到Zdi。

此外，有的高端频率计还采用铯钟和铷钟，提供更的稳定度，这些频率计多是ding级频率计。不同档次的TCXO振荡器性能不同，价格也相差很多，所以并不是说采用TCXO的频率计都一定上档次。一块普通石英晶体价格可以不到1元，一个TCXO振荡器少则十几元，好一点的都要几十元、上百元，因此在一些廉价频率计里，制造者另辟蹊径，在普通的石英晶体外围使用PTC等发热材料构成原始的温度补偿匣定装置。以较低的成本提高晶体的稳定性，这也被一些厂家称为“采用恒温装置”，虽然此举原理相同，但很难与专业高性能TCXO/OCXO媲美。

频率计除了高稳定性外，自身的准确性也很重要。自己都不准确的频率计去测量其他设备根本没有意义。频率计准不准是以国家基准参考频率为准则来判断的，频率计的校准需要到当地的计量院，那里有国家标准的频率基准。这就是标准仪器需要定期计量的原因。个人用户可以对比信得过的频率计或者信号源来校准自己的频率计。

频率计的性能除了稳定性，还体现在分辨率和测量速度上。频率计的分辨率一般以频率计测量时显示位数表示，位数越高，分辨率越高。常见的频率计初级产品在8位以下，中档产品在9～10位，科研级高端产品可以达到12位。有的频率计可以通过算法提升显示位数，但这将影响测量速度。

市场上出售的有一类“等精度频率计”，所谓“等精度”是指测量原理等精度测量的优点是可以解决待测信号的脉冲周期不完整的问题，使得测量误差主要与频率计自身基准参考频率相关，达到精度恒定的效果。等精度频率计在测量机制上优于传统单位时间计数法的频率计。

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一、频率计的发展与现状

早期的数字频率计采用大量小规模门电路构成，所以体积大，重量重，成本也高。随着科技的发展，一些频率计专用大规模集成电路不断被开发出来，同时单片机技术突飞猛进，现在用廉价单片机为核心制作入门级频率计已经非常普遍。一台频率计的成本甚至可以低于80元，价格之低，是不是有点不可思议呢?由于大规模集成电路或单片机的应用，现代入门级频率计内部所用元器件非常少，做成小型化频率计，甚至手持式频率计，也完全没有技术障碍。

随着超高速分频IC的不断推出，频率计对1000MHz、2000MHz之类的较高频率的测量变得简单且低成本。目前入门级的廉价频率计测量到1.3GHz、2.7GHz的比比皆是，而过去普通频率计Zgao都只能测量到100～250MHz的水平。

高端的数字频率计目前以高速、高分辨率、高频率为发展方向，目前的微波数字频率计可以直接测量46GHz的信号，高端的频率计提供12位分辨率和50ps的速度。频率计的测量速度和分辨率与频率计的结构和运算处理单元有关。虽然低端的频率计电子爱好者就能DIY，但高端的频率计，尤其是微波频率计，依然仅为少数国家和企业所掌握。高端品牌常见的有HP/安捷伦、Pendulum、RACAL—DANA、Fluke福禄克、飞利浦、安立。

1.频率计数器与通用计数器

市场上的频率计有两种英文标称：Frequencycounter(频率计数器)和Universalcounter(通用计数器)。频率计数器的功能比较简单，主要就是频率和周期的测量。通用计数器的功能则较多，除了测量频率、周期，还可以测量时间间隔、脉冲宽度、相位、频率比、占空因素和势能积累等，因此从外观上来看，通用计数器的面板按键要复杂一些。通常，通用计数器的工作频率都不太高，使用的侧zhong点不同。一般家电维修和电台、移动电话维修都是以测量频率为主。所以选用普通频率计就可以了。通用计数器大多用于科研场合和实验室，通用计数器价格会比同档次的频率计数器贵。

2.手持频率计与台式频率计

不少手持频率计的外形做成了对讲机和移动电话的样子，体积小巧，适合随身携带。手持频率计一般都支持使用碱性电池或者内置充电电池，无需依赖市电，方便现场检测。手持频率计还有侦测周边电台使用发射频率的作用。有的手持频率计将检测灵敏度做得很高，还提供信号强度显示，可以用来近距离探测有无线电发射行为的窃听 器。不过手持频率计主要设计用于临时、移动快速的场合，加上这类产品注重省电设计，所以一般低价位产品的精度都不会很高，频率稳定性也不及同级别的台式频率计。

台式频率计由于占据电力供应和体积宽大的优势，所以可以使用较大字体且更容易看清的LED数码管或者VFD荧光屏显示，不用过分考虑温度补偿晶体或加温装置的耗电问题。高端产品还不必考虑处理器的功耗，可以附加一些实用的功能和电路。

手持频率计与台式频率计设计应用倾向不同，性能特点不同，各有所长。一般对于电子维修和产品开发，选择台式频率计会更实用一些。

二、频率计的选择

选择频率计应该从实际应用的需要出发，本着“实用、够用”的原则选购。首先考虑频率计工作频率的覆盖范围，其次是功能涵盖，再次是性能指标的要求，Z后是品牌、价格的选择。

频率计测量频率范围必须包含被测信号所在频段。一般用于家电维修的频率计能测几百兆赫兹已经足够用了，通常家电电路中时钟信号不超过100MHz。对于业余电台爱好者来说，1GHz、1.3GHz、2.7GHz者可选择，因为业余电台用户主要需要测量的电台频率覆盖短波、144MHZ和430MHz，Z近兴起了1200MHz通信频段，因此，1GHz的频率计基本够用，如果有1.3GHz或以上的频率计更好。如果你是研究雷达或微波的，那么应该购买诸如Agilent53148A之类的微波频率计。

在功能方面，对于主要用于频率测量的用户，买频率计数器简单实惠，对于实验室的用户，尤其是大学实验室的用户，选择通用计数器功能多多，适合各种实验的需求。

在性能方面，高精度、高稳定度的频率计是好仪器，但价格昂贵，如果不是计量单位、认证实验室、时间基准应用，一般并不需要ding级性能(每秒12位)的频率计。普通的实验室使用每秒10位性能的，诸如Agilent53131或个人无线电爱好者选择国产入门级8位的频率计完全够用，价格上也更容易接受。要求高一些的用户可以选择配备TCXO振荡器的频率计。

实际应用中，价格高昂的高位数高端频率计并不是处处都有优势，比如业余电台爱好者用频率计来校准短波电台的频率，那么普通二三百元的频率计显示到10Hz位，对电台频率校准已经够用，这时就算用高位数频率计显示出1/10Hz甚至1/100Hz位数据，实际上并没有实际意义。

品牌和价格方面，Agilent是高端射频仪器的生产厂家，产品可信度高。以数字多用表Z为出名的Fluke在频率计方面也有不错的中档和产品。这两个品牌在国内购买也比较方便。Agilent53131A、53132A、53181A提供了领xian的高端性能，优质优价，选购这一档次产品的用户对价格不会过于敏感，寻找好的供货渠道会很有用。对于个人用户，国产品牌的频率计是不错的选择，低价位国货频率计有盛普SP1500C、胜利VC3165和VC2000等。南京盛普还有一系列中的频率计和微波频率计产品，具有相当的仪器生产实力。

在低端仪器市场和手机维修工具市场，还有很多售价仅为100多元的频率计，这些频率计也有较高的频率测量范围，大部分都属于基于廉价单片机的产品，综合性能对于简单的移动电话维修、家电维修、业余电台对讲机频率初级校准等低端应用还是够用的。

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频率计是测量电子电路信号频率的一种常用仪器，如果测试方法不当，将会带来测试误差。下面谈谈使用频率计应注意的问题和一些方法。

一、频率计的基本原理

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。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、频率计的使用步骤

diyi步，选择正确的端口。

一般的频率计有二三个信号输入端口，每个端口周围都标明对应输入信号的频率范围，同时需要注意输入端口上标明的Zda输入信号限制，输入过大的信号将损坏频率计。

第二步，操作频率计面板，选择对应的频率测试通道，并设定时间闸门。

通常，入门级频率计的闸门时间设置越短，显示分辨率越低(显示位数少)、刷新速度快。闸门时间设置越长，显示分辨率越高(显示位数多)，刷新速度慢。实际设定的原则是在满足显示分辨率的前提下，尽量选快一些的时间闸门。

第三步，正确连接测试电缆。

对于测量电器线路板上测试点的频率，除了使用直通的探针，还可以使用1：10的示波器探头。在输出信号满足测量的前提下，尽量使用示波器探头1：10挡，这样对工作中的电路影响比较小。对于测量一些频率很低的信号，建议打开有些频率计上提供的低通滤波器功能，防止外界高频信号对测量的干扰。

一般对讲机和短波电台不能直接通过直通电缆与频率计连接，因为对讲机和电台输出的信号太大，将损坏频率计。正规的连接方式应该是对讲机、电台通过适当衰减量的衰减器将信号减小后再提供给频率计测量。对于手头没有衰减器的用户，如果要测试30MHz以上的对讲机发射信号，也可以采用空中感应的方式代替电缆连接。将手持对讲机或车载台接上天线，功率调至较小，在频率计对应输入口安装上天线(天线频段并不重要)或者插入一段金属导体，凭借感应能量来测量对讲机的发射频率。这样做实际上也相当于在发射源与频率计之间加了一个衰减器。

虽然这种方式理论上不符合操作规范，测量时容易受到外界干扰，但实践证明，此法因陋就简，在要求不严格的简易测试中还是可行的，也广为HAM所采用。

第四步，注意测量方法和时机。

使用频率计测量频率应该在频率计和被测设备都处于比较稳定的状态后才能进行。有些急性子的用户，频率计刚开机或者对讲机刚开机，就开始测量，此时频率计和对讲机都未进入稳定状态，测试结果不能反映真实的情况。频率计和被测电器都需要经过充分的预热后才能进行测量。一般频率计和被测电器开机Z好半小时以上再进行测量(或按照产品说明书中的规定)。

利用频率计校准电台或对讲机的频率误差并不麻烦，一般在无线电收发信机的电路设计中都有基准频率微调校准电路，只要按照维修说明书中的指引就能轻松修正电台的频率。通常，老式的电台如TH—G71A、KG一105之类，在频率参考晶体附近会有一个用于微调频率的微型可变电容(极少数采用可调电感)，通过旋转可调电容(旋转的角度通常是非常小的)，配合频率计的读数反馈，就能方便地校准电台的频率。比较新式一点的业余电台、对讲机采用软件方式对频率进行调整，通过特殊的组合操作进入机器的工程调整菜单，就能以软件调节的方式修正频率，也有一些专业机配有专用计算机调整软件，通过计算机连线对机器进行设置调整。

普通的频率计适合测量幅度稳定的信号，不稳定、不连续的信号将严重影响普通频率计的计数。短波电台的SSB模式不适合频率计工作方式。测量SSB信号时，短波电台应该外加一个稳定的单音信号或者利用短波电台CW、FM、RTTY模式测量。用频率计来测量GSM手机的工作频率也是很困难的，因为GSM移动电话使用的TDMA(时分多址)技术是带有时隙的间隙发射体制，GSM移动电话发射的电波也不是连续电波，同样不适合普通频率计直接测量。

与频率计的使用方法相关文文章：

频率是我们日常生活和工作中Z常用的基本参量，频率的测量是Z基本的测量之一。现代电子科技的进步，极大地提高了频率计算测试的稳定度和准确度，把时间频率的测量精度提高到了一个新的高度。本文论述了在传统的等精度频率测量基础上，以量化时延法和游标内插法进一步提高等精度测频精度的特点与可行性，并且给出了以游标内插法提高测频精度的要点及关键部分电路的实现，有效的对测量精度进行了补偿校正，从而有利于在宽频范围内利用FPGA芯片实现一种高精度的频率计。

一、频率计测频基本原理

信号频率测量的一般方法，是将被测信号在设定一个高精度较长时间间隔的闸门后进行记数，这种方法称之为计数法测频。测频精度主要决定于闸门的长度T及精度。

如果只使用一种测量方法使频率变化范围较大的信号都能达到同样的精度，就只能采用等精度频率测量技术，其高精度恒误差测频原理是一种测量精度与被测频率无关的测频电路，这是一种较为成熟的测量方法。但是这种方法仍然未解决±1个字的误差，主要是因为实际闸门边沿与基准频率脉冲边沿一般并不同步。

二、防止测量受干扰的几点措施

防止测量时受干扰信号的影响，这是在使用频率计时应注意的一个问题。在实际剂量中，必须注意从各方面减少干扰的影响，这在干扰严重、被测信号幅值较小的情况下更有意义。其措施如下：

1.测试蝇的屏蔽

我们知道，干扰信号是来源于外界存在的杂散电磁场，测试绳是申入干扰信号的主要途径，所以必须将测试绳进行屏蔽供频率计使用的测试绳是采用单芯屏蔽线，其屏蔽层与频率计的机壳相连。在实际测量时有时需再加接一根测试绳，所加的测试绳也应采用屏蔽线，且其屏蔽层应与原测试绳的屏蔽层相连，这样可减少干扰信号的影响。

2.注意正确接地

频率计对平衡形式输出端的测量一般不会发生问题。下面谈谈对不平衡信号输出端的测量应注意的问题。

(1)在被测设备的“地”与大地连接，频率计的外壳也与大地连接时，即两者的“地”相连。

(2)在上述情况下，若将测试连接的芯线与“地”线接反，则会将被测信号短路，不但测不到信号频率，还会对被测设备造成人为障碍。

(3)若被测设备外壳(即“地”)不与大地相连，当测试连接的芯线与“地”接反时，则因被测设备外壳有很大的几何尺寸，会引入很大的外界电磁干扰，并通过频率计测试绳的芯线进入频率计，造成很大的误差。

频率计外壳接大地，是为了防止外界杂散电磁波对频率计计数电路产生干扰在外界影响不大的情况下，频率计的外壳也可不接地，不过对不平衡测试端的连接方法必须是频率计测试绳的屏蔽层与被测端的。“地”相连。

3.测试端应尽量少跨接其它仪表设备

在测量较小幅值的信号时.频率计对外界干扰比较敏感，所以除了要做好测试绳的屏蔽与正确接地外，在测试端Z好不要跨接其它仪表设备。其原因是，除了仪表设备本身带有一定的杂散信号之外，还因为跨接设备多，相互连接的测试绳势必复杂，往往容易引起屏蔽上的疏忽和接地的错误，以致引入干扰信号。

4.被测设备产生干扰信号

在某些情况下，与信号输出端相连的被测设备内部的布线及电路也可能产生干扰信号，通过测试端串入频率计给被测信号的测试带来干扰，造成误差。必要时，应先将它们与信号测试端断开，然后再测试。

5.频率计输入电容的影响

频率计的输入电容，在A通道“<5V”档为60pF，“<20V”档为8pF。在被测信号频率较高的场合，如果测量点选择得不合理，频率汁的输入电容就可能对被测信号电路产生影响(改变被测信号频率)。一般来说，测试点应远离信号发生器中决定振荡频率的相关元件，如LC振荡器中的LC谐振回路元件，张弛振荡器中的RC充放电回路元件等。若在频率计之前接有衰耗器、放大器等作为隔离，则可更好地避免输入电容的影响。

三、提高频率测量精度的方法

下面我们论述用两种方法来测出实际闸门触发时刻和下一个基准频率上升沿的时间间隔，一种是基于FPGA内部的延迟单元来实现，一种是利用游标卡尺的原理来实现，下面分别介绍这两种方法。

1.量化时延法

从结构尽量简单同时兼顾精度的角度出发，将多周期同步法与基于量化时延的短时间间隔测量方法结合，实现宽频范围内的等精度高分辨率测量。其基本原理是“串行延迟、并行计数”，它不同于传统计数器的串行计数方法。将被测时间间隔的开始信号作为延迟链的输入信号，而以其结束信号作为取样信号。用串联在一起的延迟单元构成的延迟链作为被测时间间隔的传输通道。这些延迟单元具有相同的、稳定的时间延迟特性。则开始信号在延迟链中所经过的延迟单元的个数就正比于所测的时间间隔值。

它依靠延时单元的延时稳定性，对延时状态进行高速采集与数据处理，从而实现了对短时间间隔的精确测量。

这种方法在一些文献中都有说明，但是这种方法其实也有一个问题，由于FPGA中的每一个单元在FPGA内部的真实布局是我们无法看到的，并且随着温度的变化，其延迟单元的延时其实是不稳定的，会有温度漂移。这为测量时间间隔带来了很大的误差，而且经过简单的仿真我们也发现，延时单元的延时不是的均匀。

因此用这种方法测出的真正闸门的触发事件到下一基准信号上升沿之间的时间间隔是不准确的，特别是有些时候后一个延时单元的延时值却比前一个延时单元的延时值短，出现时间倒流的情况，这中情况的出现就使得测量结果的值和真实值之间存在较大的误差。因此我们更倾向于采用游标卡尺内插法来测量这个短时间间隔。

2.游标卡尺内插法

游标内插法模拟了游标卡尺的思想，是当前广泛应用的高精度测时测频方法，它采用一种全数字化的测量方法，具有稳定性好，技术指标高的特点。

当实际闸门信号满足触发条件时，触发信号就驱动触发振荡器起振，利用监控器检测触发振荡器产生的信号是否和基准信号同相位，同时利用计数器对这个两个时钟信号进行计数。当监控器检测到振荡时钟和基准信号时钟同相位时，根据计数器的计数值推算出触发事件到与下一个采样时钟的时间间隔，即实现了短时间间隔的测量。

四、结论

本文阐述了在等精度测量频率的基础上，以量化时延法和游标内插法进一步提高测频精度的特点与可行性，并且给出了以游标内插法提高测频精度的要点及关键部分的实现，有效的对测量精度进行了补偿校正，满足了宽频范围内频率测量的需要，进一步提高了频率测量的精度与分辨率。

与提高频率计精度的方法相关文文章：

本文介绍一种基于等精度测量的数字频率计的设计方案，该频率计在每个不同测频范围内保持精度不变，且对于幅度值较小的高低频信号能够准确测出。采用多通道的放大整形电路，故能在较宽的频率和幅度范围内对频率、周期、占空比、两路信号的时间间隔等参数进行测量。又结合STM32单片机强大的数据处理能力，将基准频率提高以获取更高的测量精度，还增加软件滤波使测量结果更为稳定。仿真和实验结果表明其测量精度高，有较高的稳定性。

数字频率计引入先进的可编程和显示技术，在现代的电子设备中用途广泛，主要应用在科技领域和日常生活居多，与示波器相比，数字频率计测量手段更简单，测验过程快捷直观，对于频率等电参数的丈量来说，其丈量越来越精确。

另外，经常使用两种方案来进行频率计的设计，一种方案是用单片机内部的计数器对待测信号进行计数，但低频时的测量误差变大，另一种方案是用单片机自带的定时器测量周期，由单片机读取计算值，导致测量高频时误差增大。

一般来说，市场上很多频率计都利用频率计专用模块以及数字集成电路完成制作，首先成本较高，其次是结构繁杂，而用软件开发的频率计实用且功能强大。为了保证整个范围的测量精度，可以同时测量周期和单位时间内的脉冲个数，这种方法叫M/T法，即等精度测量法，该方法在高频时相当于M法，低频时相当于T法。本数字频率计采用等精度测量法，使用CPLD芯片和VHDL语言开发出测频系统，选取一个非常稳定的50MHz有源晶体振荡源，进一步倍频到400MHz作为基准频率信号输入测频系统，通过在1s的预置门控时间内对待测信号同步计数，算出待测信号的频率值，其频率刷新时间为1s。

1、系统的硬件结构

考虑到输入的待测信号的幅度值较小且可变，故需要输入的不同频率或不同波形进行放大整形处理为幅值较高的脉冲信号，使其电平变换可被FPGA所识别。数字频率计的等精度测量过程中运用了四则运算理论，需要比较大的资源，若只用中小规模FPGA芯片设计难度较大，结合实际，选择单片机和FPGA相结合的方式来实现。

FPGA通过使用不同的硬件描述语言在线编程设计出不同的逻辑电路结构，且支持运算大量数据，工作速度极快，几乎不存在延时情况，满足本设计需要。其中单片机负责测量系统的控制、数据传输处理和更新显示内容；由EP4CE6E22C8N芯片构成的FPGA测量系统完成各种测试功能；FPGA获取键盘控制指令，及时切换测量频率和周期、测量两路信号相位差及测量占空比等不同功能；单片机不断从FPGA读取Zxin的测量数据并进行处理，然后把测量结果拆字送到显示屏LCD12864显示；由单片机进行显示屏的并口传输控制。

1.1单片机主控器硬件电路

考虑到STM32单片机方便GX的开发环境使操作更加简便，运算速率快、工作频率高、功耗小等优点，选择了STM32F103RBT6作为主控制器的芯片。

1.2整形放大硬件电路

高速运算放大器可以实现高频率小信号放大，但是增益带宽有限。然而，高频小信号放大器采用分立元件设计思路时，针对线路的设计要求简单，而且单个晶体管工作效率很高，能有效减少电路噪声，放大器也有很宽的频带范围。于是选择低噪声的分立元件来实现低频和高频放大，选用高频三极管NPN9018设计了宽带通道放大器更加适合高频率小信号放大。

由于测量通道采集的是模拟量信号，容易受到干扰而带来误差，所以采取独立电源供电方式.另引入RC滤波电路吸收外界脉冲干扰，进一步增加低噪声前置放大器使得微弱信号不至于被电路噪声湮没。宽带通道放大器功能是将高频小信号或低频小信号的正弦波转换成方波。采用低频三极管NPN9014设计低频小信号放大电路。采用斯密特触发器构成整形电路，使输出波形的整形效果稳定可靠。分别设计了两个低频小信号的测量通道和两个高频小信号的测量通道，根据设计要求，输入的毫伏级信号，经过高频或低频三极管前置放大后再经过共射电路二级放大，Z后由SN74lVC1G14斯密特触发器整形输出可被识别的脉冲波。

2、软件的设计与实现

传统的直接测量法无法同时满足高低频信号的测量要求，设计起来比较复杂，测量结果的相对误差较大。而使用等精度测量法在量程范围内可以确保高精度、误差率一致。

3、实验结果

测量的正弦波、方波和矩形波信号的峰峰值电压范围均为0.15～1V，正弦波的频率测量范围为1～10000000Hz，方波和矩形波的测量范围为1～1000000Hz。

4、结语

本数字频率计与其他频率计相比，整个测量系统采用分别针对高低频的输入信号各自设置有两个测量通道供用户选择的设计思路，测量精度高、测量量程宽、测量多功能等。其中，STM32微处理器可以控制测量模式的切换以及内容的显示。另外，FPGA测量系统采用等精度测量方法将测量误差转移到标准时钟源计数的±1减少误差，并将经过放大整形的被测信号运算后送往STM32单片机处理。其可扩展范围较广，只需要更改控制芯片、有源晶振、放大整形电路的相关参数，就可以在测量控制、资源勘探、电子信息等领域进行推广，应用前景可观，具有较高的实用价值。

与多通道测量的等精度频率计相关文文章：

文章首先针对数字频率计的相关概念，以及其工作方式展开了分析，而后进一步给出了数字频率计的系统结构，并且在此基础之上对频率计的工作原理加以讨论，对于加深其工作特征方面的认识有着一定的积极价值。

当前电子工业迅猛发展，从客观上对于极ng准测量的需求也与日俱增，如何获取到关于电路中的频率、电压、电流等参数的更为详尽和精确的数据，已经成为当前相关领域中共同关注的问题。在电子技术环境中，频率与其他诸多电参量息息相关，并且其精确测定更是影响到其他诸多方面的测定以及计算结果是否可靠，因此频率的计量和计算需求日渐突出，与之对应的频率计也成为科研以及工业控制等多个领域中不容忽视的重要应用仪器。

一、数字频率计的相关概念

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设备。在传统环境中，频率计结构复杂并且稳定性一直受到质疑，精度也因为旧有技术的制约而难以提升，更为重要的在于传统频率计单一的测频特征，从客观上无法满足当前测量环境的实际发展需求。

随着信息技术的发展和在其各个领域的深入应用，数字频率计也开始在应用环境中涌现。数字频率计相对于传统频率计而言，主要是用于实现对于既有低精度以及相对较窄的测量范围的改善。综合当前的模拟电子技术、单片机技术、电子测量技术、数字电子技术以及计算机通信技术等相关成熟技术体系，展开对于实际频率测试工作需求环境典型特征的分析，对数字频率计加以设计和实现。

从工作原理的角度看，数字频率计体系中，待测定的输入信号首先需要展开放大和整形，这一环节可以由放大器与门电路加以实现，使其能够被单片机所接受，而后进行分频处理，并送达至单片机环节。单片机首先展开采样处理，而后通过按键选择判断测量功能并对脉冲展开计数，完成待测信号频率、周期、脉宽、占空比的测量，Z后将结果交由LED数码管显示输出。

这样的一个工作过程，可以考虑在电子计数器的基础上展开改进和拓展加以实现，在允许的误差范围内，完成对于待测信号的频率、周期以及脉冲宽度和占空比的测量。此种频率计，可以对正弦波信号、锯齿波信号、三角波信号、方波信号、矩形波信号和尖脉冲信号等其他各种单位时间内信号展开有效频率测定，对于获取电信号基本频率特征有着不容忽视的积极价值。

二、数字频率计的系统工作原理分析

以单片机作为核心组件的数字频率计，从整个频率计系统结构中可以看出，单片机以及输入信号预处理单元是整个系统的两个ZD所在，其中输入信号预处理单元进一步可以从功能结构上分为信号整形处理单元和信号分频处理单元两个部分。待测信号首先进入信号整形处理单元环节，在实际测量过程中，为防止因信号过大而造成的器件烧毁，多考虑采用二极管展开波形方面的限幅。阻抗变换器和电压跟随器可以考虑采用低噪声和高频效应良好的运算放大构成同向比例放大器，发挥阻抗变换作用，借以实现提高输入阻抗，保证信号的采样质量的目标。

对对于信号分频处理工作而言，主要是考虑到单片机内部晶振为12MHz，其理论测量Zgao频率为500kHz水平，因此在实际工作中，需要将测量频率范围加以过滤。通常是将测量频率范围分为三个层级，即1kHz-400kHz、400kHz-1MHz以及1MHz-50MHz，并且针对1kHz-400kHz范围内信号直接展开单片机测量，而对于另外两个范围的信号则首先在硬件上展开16分频和128分频，而后在软件上倍频，扩大信号测量范围。

从单片机的工作角度看，工作的稳定性以及抗干扰性是必须考虑的方面，在此基础之上综合考虑性价比，才能获取良好选择。美国STC公司的16位STC89C52RC单片机可以作为理想的备选，其可靠性和功耗都保持在良好范围内，并且其Zgao时钟频率为80MHz，内部继承了三个16位计数器，在干扰性方面也表现良好。通常在实际工作中，为了保证信号测量精度，单片机可预置测量闸门时间，通过软件控制定时计数，使在闸门时间内Zda限度地测量多个信号频率、周期。

三、结论

数字频率计本身是当前信息环境发展的必然结果，在实际工作中，应当以环境需求作为基础展开设计和实现，综合考虑频率计的结构、性能以及成本等方面因素，在切实保证系统强壮型的基础上作出综合设计，为对应的测量工作提供坚实基础。

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