信号频率的测量方法与误差

【摘 要】本文介绍了几种信号频率的测量方法，并对实现电路的构成和特点进行比较，探讨了误差引起的原因。

【关键词】电桥；谐振；差拍；时标信号

信号频率的测量在电子测量技术领域中具有重要的地位，深入了解信号频率的测量方法可以帮助我们掌握其它物理量的测量。

1.直接法

直接法是利用电路频率响应特性的可调无源网络测量频率值。如果电路的频率特性为：（式中为己知参数），根据函数关系式可以求出频率。这种测频方法的优点是简单、价廉，但精确度不高。无源测频法常用的有电桥测频法和谐振测频法，主要用于频率粗测。

1.1 电桥测频法

电桥法测频是利用交流电桥平衡条件和电桥电源频率有关这一特性来测量频率的，原理电路如图1.1所示，调节电桥平衡的可变电阻和电容的调节旋钮，电桥指示平衡时， 被测频率值为。在高频时，由于电阻或电容带来的寄生参数影响比较严重，会大幅降低测量精度，所以电桥法测频一般只适用于低频段10kHz以下的音频范围的测量。

1.2 谐振测频法

谐振法测量频率的原理和测量方法都比较简单，可作为频率粗测，误差来源主要有：

（1）实际中电感、电容损耗越大，品质因数越低，不容易找出真正的谐振点。

（2）面板上的频率刻度是在规定的标定条件下刻度的，当环境温度和湿度等因数变化时，将使电感、电容的实际值发生变化，从而使回路的固有频率变化。

（3）由于频率刻度不能分得无限细，人眼读数常常有一定误差。

2.比较法

利用标准频率与被测频率比较测量，测量是要求标准频率连续可调，并能保持其准确度。比较法可以为差拍法、差频法、示波器法。

2.1 差拍法

差拍法是利用已知的参考频率和被测频率进行差拍，产生差频，再精确差频来确定频率值，拍频法通常只用于音频的测量，而不宜用于高频测量。差拍法通过提取待测信号相对于参考信号的相位差信息作为差拍信号，差拍信号的频率值远小于原待测信号，较之直接测量待测信号，差拍法提高了测量的分辨率，但不能测量两个频率的相位差。

2.2 差频法

差频法是利用非线性器件和标准信号对被测信号进行差频变换来实现频率测量，高频段测频常用差频法测量。

2.3示波器法

示波器法是利用测量周期的方法间接测量频率，主要分为李沙育图形法和周期法，测量频率范围从音频到高频信号皆可。

2.3.1李沙育图形法

李沙育图形（李萨如图形）就是将被测频率的信号和频率已知的标准信号分别加至示波器的Y轴输入端和x轴输入端，在示波器显示屏上将出现一个合成图形，这个图形随两个输入信号的频率、相位、幅度不同，所呈现的波形也不同。

利用李沙育图形与频率的关系，可进行准确的频率比较来测定被测信号的频率。其方法是分别通过李沙育图形引水平线和垂直线，所引的水平线垂直线不要通过图形的交叉点或与其相切。若水平线与图形的交点数为，垂直线与图形的交点数，则，适用于测量频率较低的信号。

2.3.2周期法（过零检测测频法）

周期法是通过测量信号波形过零点间的时间宽度来计算频率。对于任何周期信号，可用前述的时间间隔的测量方法，先测定其每个周期的时间，再用下式求出频率。

周期测量法是在被测信号的一个周期内对固定频率的参考脉冲进行计数。由于参考脉冲的频率是固定的，因此测量误差随被测信号周期的减少（频率的增大）而增大，适用于低频信号的测量。该方法易于实现，但精度低、受谐波、噪声和非周期分量的影响，实时性较差。

3.计数法

计数器法是利用电子计数器来测量频率。测频范围宽、精确度高，用数字显示，成为目前最好的测频方法。计数法在标准时间内，测量得到周期信号重复出现的

次数，可得出被测频率值为：，常用的有直接测频和通过测周期得到频率。

3.1直接测频法

测频法其原理可以表述为在确定的闸门时间内，对被测信号的脉冲个数进行计数，则被测信号的频率为：。

误差分析：1、被测频率越高，闸门时间越长，则误差越小。但闸门时间太长，则降低测量速度，且受到显示位数的限制。2、闸门时间误差大小主要取决于晶体振荡器的频率误差。

3.2周期测频法

根据频率是周期的倒数的关系，将被测信号经放大、整形、分频及门控电路形成闸门时间，使主门的开启时间等于被测信号的周期。晶振信号形成周期为的时标脉冲信号，在主门开启时间内，计数器对时标脉冲计数，若计数值为，则=。

计数法测频的误差除忽略由高稳定度的晶振引起的频率误差外，主要是量化误差，为了提高测频的精度可采取如下措施：

（1）提高晶振频率的准确度以减小闸门的时间误差；

（2）被测频率较高时采用直接测频法，并可在计数显示不溢出的条件下扩大闸门时间或倍频被测信号以减小量化误差；

（3）被测频率较低时采用测周期的方法测频，并选择较高频率的时标信号或分频被测信号以减小量化误差。但增大时标信号频率受到计数器计数速度的限制；

（4）采用多次测量取平均值的方法，消除量化误差，但这会降低测量速度。

参考文献：

[1] 李明生《电子测量与仪器》高等教学出版社.

[2] 杨吉祥《电子测量技术基础》东南大学出版社.

[3] 蒋焕文，孙续《电子测量》中国计量出版社.