提高频率计精度的方法

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。