頻率測量是電子測量中經(jīng)常遇到的問題，如何提高頻率測量的準(zhǔn)確度是關(guān)鍵。通常采用的方法有低頻端測周高頻端測頻和多周期同步測量頻率。采用低頻端測周高頻端測頻時(shí)存在中界頻率測量誤差很大即測量死區(qū)問題，也就是說不論低端和高端測量準(zhǔn)確度有多高，中界頻率測量誤差總是最大。因此從理論上講頻率的測量準(zhǔn)確度很難提高到某個(gè)數(shù)量級；多周期同步測頻法則不存在這樣的問題，只要周期數(shù)足夠大，測量的準(zhǔn)確度總可以提高到一定程度。但多周期同步測量實(shí)際上只是對被測信號進(jìn)行同步，對時(shí)鐘信號并未同步，因此它只是一種準(zhǔn)同步。本文根據(jù)多周期同步測頻原理及測量誤差，提出完全同步頻率測量的新方法，最后使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)這種測量，使測量頻率的準(zhǔn)確度大大提高。
1 多周期同步測頻原理及誤差分析
多周期測頻是在測周的基礎(chǔ)上，在信號的多個(gè)時(shí)間周期內(nèi)測量信號的頻率。由于被測信號控制門控信號的開啟，所以稱為同步測量。由于測頻和測周都會(huì)產(chǎn)生±1誤差(計(jì)數(shù)脈沖和門控信號不同步而產(chǎn)生)和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差(所使用的晶振不穩(wěn)定引起)，且±1誤差較標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差更大，多周期同步測頻也就是使測量的引誤差盡可能小。測量原理如圖1所示。

被測信號fx和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號f0分別作為計(jì)數(shù)器A和B的計(jì)數(shù)脈沖，同步門信號作為主門A和B的門控信號，而同步門信號由被測信號fx和時(shí)間控制器共同控制。被測信號作為同步門的觸發(fā)信號，時(shí)間控制器控制同步門的預(yù)置時(shí)間Tˊ。開始測量時(shí)，稍滯后的預(yù)置時(shí)間處于被測信號的某一周期低電子或高電子處，同步門尚未開啟，這時(shí)被測信號和晶振脈沖信號都不會(huì)被計(jì)數(shù)。只有當(dāng)被測信號下一個(gè)周期的上升沿到達(dá)時(shí)同步門才開啟(這里假定觸發(fā)器為上升沿觸發(fā))，被測信號和晶振脈沖信號才開始計(jì)數(shù)。當(dāng)時(shí)間控制器預(yù)置時(shí)間了，結(jié)束時(shí)，同步門不會(huì)立即關(guān)閉，而是等到被測信號下一個(gè)上升沿到來時(shí)才關(guān)閉。這時(shí)計(jì)數(shù)器A和B都停止計(jì)數(shù)，實(shí)際上同步門的開啟時(shí)間為T而不是Tˊ。所以可以得到：

其中：T為同步門控時(shí)間；fx（Tx）為被測信號頻率(周期)；f0(T0)為標(biāo)準(zhǔn)晶振信號頻率(周期)；M為計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)值；N為計(jì)數(shù)器B的計(jì)數(shù)值。
根據(jù)誤差傳遞公式可以得到被測信號頻率的相對誤差

其中：△f0/ f0為標(biāo)準(zhǔn)晶振的頻率準(zhǔn)確度；△M/M為計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)相對誤差；△N/N為計(jì)數(shù)器B的計(jì)數(shù)相對誤差。
由于計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)是在與被測信號相關(guān)的同步門T進(jìn)行的，被測信號又作為同步門的觸發(fā)信號，且T/Tx為整數(shù)，故被測信號的計(jì)數(shù)值M不存在計(jì)數(shù)誤差，即△M/M =0。所以稱這種測量誤差與被測信號無關(guān)的測量方法為同步測量。但由于晶振信號與門控信號不相關(guān)，門B必會(huì)產(chǎn)生量化誤差，所以△N ±1。而N=T/T0=M Tx/T0，M越大時(shí)，N就越大，△N/N就越小減，所以進(jìn)行多周期測量能小測量誤差。由此可見，這種多周期同步測頻法較簡單的測頻測周法能明顯提高測量的準(zhǔn)確度，而且測量誤差與被測信號頻率無關(guān)，可以省去計(jì)算中界頻率和選擇測量模式；但由于△N/N 的存在，而且︱△N/N︱也遠(yuǎn)大于︱△f0/ f︱ (目前雙恒溫晶振的頻穩(wěn)度可達(dá)10-11~10-12數(shù)量級)，所以這種測量模式對于要求10-7以上的高準(zhǔn)確度測量仍不能滿足需要，這種測量只能稱作準(zhǔn)同步測量。
2多周期完全同步測頻原理
完全同步測量就是門控信號與被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都相關(guān)，測量開始和結(jié)束時(shí)門控信號與被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都同步，也就是門控時(shí)間既是被測信號周期的整數(shù)倍又是晶振信號周期的整數(shù)倍。這樣在門控時(shí)間內(nèi)被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都沒有量化誤差，從而實(shí)現(xiàn)兩信號的完全雙同步。這里巧妙地利用相位檢測技術(shù)控制同步觸發(fā)即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩路信號在某點(diǎn)相位相同，經(jīng)過若干周期后它們在同一相位點(diǎn)相位又相同，那么這段時(shí)間兩路信號一定都經(jīng)過整數(shù)個(gè)周期(但周期數(shù)不一定相同)，用．它作為同步門控時(shí)間控制兩個(gè)主門的開啟，兩個(gè)計(jì)數(shù)器都不會(huì)產(chǎn)生±1誤差，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的同步測量。測量原理如圖2所示。

被測信號和晶振信號經(jīng)過整形后都加到相位檢測器；相位檢測器檢測到兩路信號都在某一相位點(diǎn)(零相位點(diǎn))時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)信號，門控電路輸出高電平，主門A和B同時(shí)打開，計(jì)數(shù)器A和B同時(shí)計(jì)數(shù)；經(jīng)過時(shí)間了后，相位檢測器又檢測到兩路信號到達(dá)同一相位點(diǎn)，產(chǎn)生一觸發(fā)信號，這時(shí)門控電路輸出低電平，主門A和B同時(shí)關(guān)閉，計(jì)數(shù)器A和B停止計(jì)數(shù)。由于相檢器是從兩路信號的同一零相位點(diǎn)開始觸發(fā)，另一個(gè)零相位點(diǎn)再次觸發(fā)，兩次觸發(fā)的時(shí)間間隔與兩路信號都相關(guān)，且是每路信號周期的整數(shù)倍。與前面的多周期測量一樣，T=MTx=NT0，fx=M/Nf0，△fx/fx=△M/M-△N/N+△f0/f0。但這時(shí)△M/M=0，△N/N=0，所以△fx/fx=△f0/f0。即被測信號的頻率準(zhǔn)確度與晶振的頻穩(wěn)度相等。從理論上看，被測信