电子测量第四章.pptx

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1、1计数器 计数器是用触发器构成的。触发器的 和 端有两个稳定状态，因此可用 和 端来表示二进制代码。对应每一个输入时钟脉冲CP，触发器就翻转一次，每两个CP脉冲就使一个触发器又回复到原态，并输出一个进位信号，符合适二进一的特点，因此可利用它们作为二进制计数单元。对若干个触发器进行适当的联接，就构成二进制、十进制或N进制计数器。但在数字仪表中，最常用的是按8421编码的十进制计数器，又名二十进制计数器。QQQQ第1页/共79页2计数器（主要由若干个触发器）计数器输出n位二进制代码（代表计的脉冲的个数）译码器显示器（用十进制数把脉冲的个数显示出来）第2页/共79页3被测信号（正弦波）由信号转换成的

2、脉冲由时基信号发生器提供门控信号，作为时间基准（时基）被计数的脉冲TNfx/时基TxTxxfT1T称为闸门时间第3页/共79页412V闸门时间A通道时标信号分频器xf1、输入单元：将被测正弦信号 通过放大、整形形成计数的方波2、十进制电子计数器，用来进行脉冲计数3、时基信号产生与变换单元。4、逻辑控制单元第4页/共79页5三、误差分析 由 得 TNfxTTNNffxx:仪器特有的误差: :闸门时间的相对误差 NNTT（一）1误差 当主门开启时间 时， 达到最大计数误差。 xNTT 1N第5页/共79页60txt0txt0t0t171766第6页/共79页7xTfNNN11这时 * * 最大误差

3、总是1个计数单位称为“1误差”。 xf* * 一定时，增大闸门时间T，可减小1误差对 测频误差的影响。 * * T一定时， 越低，由1误差产生的测频误差 越大。 xf第7页/共79页8（二）标准频率误差 闸门时间T 的准确性决定于石英振荡器提供的标准频率的准确度。 设石英振荡器的频率为cf，分频系数为KccfkkTTccccffTffkT2ccffTT则 第8页/共79页9（三）结论 1、计数器直接测频的误差主要有两项ccxxxffTfff12、测量低频时，由于1误差产生的测频误差大得惊 人，所以测量低频时不宜采用直接测频方法。第9页/共79页10101k210310k10k310M10M21

4、0M31021011012103104105106107108109101010 xxff)(Hzfxccff闸门时间sT1 . 0sT1sT10第10页/共79页11第三节 电子计数器测周方法 一、测周的必要性与基本原理 xfxT 由于 较低时，1误差所引起的测频误差将会大到不可允许的程度，所以为了提高测量低频时的准确度，可预先测周期。基本原理：NTTsx第11页/共79页12 石英 振荡器十进电子计数器主门门控电路 脉冲 形成电路k1xT门控信号xT输入sTNTTsx第12页/共79页13二、误差分析 ssxxTTNNTTcxcxsxfkTkTTTTN而且1N NTTsx第13页/共79页

5、14cccxcccxxxfffTkTTfTkTT那么 由上式可知， 越大（被测频率愈低），1误差对测周精确度的影响愈小。xT第14页/共79页15101k210310k10k310M10M210M31021011012103104105106107108109101010ccff)(HzfxxxTTxTxT10 xT100第15页/共79页16三、倒数计数器 TNfx由 标准时钟主门1xT输入触发器xf计数器1定标器主门2门3预置到105N时基分频ncT10计数器2cTcxTTN )(Nfc测周期模式测频率模式NTc闸门时间fN第16页/共79页17定标器：每计满N个标准脉冲就产生一个进位脉冲

6、。计数器1：计的脉冲个数是N。TNfx测频率模式测周期模式NTTsx第17页/共79页18 标准时钟主门1xT输入触发器xf计数器1定标器主门2门3预置到105N时基分频ncT10计数器2cTcxTTN )(Nfc测周期测频率NTc闸门时间NfNncncfNNTTN10110ncxfffN10TNfx第18页/共79页19第四节 时间间隔的测量 一、基本模式 当跨接于两个输入端的选择开关S断开时，两个通道是完全独立的，来自两个信号源的信号控制计数器工 作；可用于测量两个信号的时间差（相位差）。时间间隔的测量常用两种工作方式：第19页/共79页20 两个独立的输入通道(B和C)可分别设置触发电平

7、和触发极性(触发沿)。输入通道B为起始通道，用来开启主门，而来自输入通道C的信号为计数器的终止信号。第20页/共79页21221tt 相位差1t2t1tT触发极性置于“”触发极性置于“”t第21页/共79页22 当S闭合时，两个输入端并联，仅一个信号加到计数器，但可独立地选择触发电平和触发极性，以完成起始和终止功能。可用于测量一个信号任意两点问的时间间隔，可以测脉冲宽度。 二、脉冲宽度的测量第22页/共79页23 当需要测量脉冲的宽度时，开关S应闭合，而且，B输入触发沿应置于“十”，C输入触发沿应置于“一”。可见主门的开启时间为 ，即脉冲宽度，在 时间内，时标通过主门计数。由于脉冲宽度是以50

8、脉冲幅度来定义的，为了获得高的测量准确度，触发电平必须准确设置在50的脉冲幅度上。利用这种工作方式可以测量一个波形上任意两点间的时间间隔，因此利用电子计数器可以进行波形分析。第23页/共79页24第24页/共79页25第五节 不同测量模式的测量误差一、测频模式时的误差 在不同测量模式中，由于由被测信号受噪声和干扰 的影响或触发电平不准确，引起测量误差。 由前面讨论过土1误差和标准频率误差而引起的固 有误差。 在测频模式中，被测信号首先通过触发器转变成方波，并在主门开通期间计数。在计致器中，都采用斯密特电路作为触发器，实现把正弦波形成方波的过程。第25页/共79页26BVBVxTxT输出 当正弦

9、电压上升到Al点，达到斯密特电路的接通电平 ，电路翻转，处于一个稳态。由于电路具有滞后特性，故直到正弦电压下降至断开电压 (Bl点)，电路才回到起始状态，这样在斯密特电路的输出，可得到方波。若无噪声干扰，则方波的重复周期等于输入正弦信号周期。BVBV第26页/共79页27BVBVxTxT输出“触发窗”（也称“滞后带”） ： 与 之差。BVBV第27页/共79页281、噪声干扰引起的计数误差 叠加在信号波形上的噪声海峰值很大时，每个信号周期与“滞后带”相交的次数将大于两次，即产生了额外的触发达时计致器就会发生额外计数。触发窗第28页/共79页29 为了消除噪声干扰引起的计数误差，可将信号通道(A

10、通道)增益调小，这样叠加在信号上的噪声幅度同时减小，使得噪声幅度小于触发窗宽度，在这种情况下，每一个信号周期内与触发窗只相交两次(图中A和B两点)，即不发生额外触发。2、消除噪声干扰引起的计数误差触发窗A第29页/共79页30二、测周模式的的误差 在测周时，门控信号由通过B通道的被测信号所控制，即通过斯密持电路把被测信号变成方波，并触发门控电路产生控制主门开启的门控信号。当无噪声干扰时，主门开启时间刚好等于一个被测周期。 石英 振荡器十进电子计数器主门门控电路 脉冲 形成电路k1xT门控信号xT输入sTNTTsx第30页/共79页31 当被测信号受干扰时，假设干扰为一尖峰脉冲 ，可见，斯密特电

11、路将提前在 触发，于是形成的方波周期为 ，即产生 的误差，称“转换误差（或触发误差）”。nV1AxT1T1、转换误差（或触发误差）1TnV1A1AtVvxmxsinxTxTBVBVxTBVBV2A第31页/共79页32 直线a b为Al点的正弦波切线， 即接通电平处正弦曲线的斜率为2、转换误差（或触发误差） 的计算1TabnV1A1A1TBxVvxdtdvtantan1nVT 第32页/共79页332)(12costanmBxmBxmxVvxVVTVtVdtdvBxmBVV abnV1A1A1TmnxVVTT21第33页/共79页34 同样在正弦信号下一个上升沿上(图中A2点附近)也可能存在于

12、扰，即也可能产生触发误差2TmnxVVTT221TnV1A1AtVvxmxsinxTxTBVBVxTBVBV2A第34页/共79页35 由于干扰或噪声都是随机的， 和 都属于随机误差，并进行误差合成：1T2T2221)()(TTTnmnxxnVVTTTTT21)()(2221nmVV信噪比第35页/共79页363、利用“多周期测量法”减小转换误差对测周的影响 所谓“多周期测量法” 是用计数器测量多个周期值，比如计数器计十个被测周期的数，即测 ，然后将计得的数除以10就等于一个周期 的数。xT10 xT第36页/共79页37xT1AV12V12 多周期测量的测周方框图第37页/共79页38xTx

13、T10 xT10BVBV 多周期测量减少转换误差的原因 以 为例，两相邻周期由于转换误差所产生的 是互相抵消的，当测10个周期时，只有第一个周期开始产生的转换误差 和第十个周期终了产生的 才产生10个周期引起的总测周误差。1010 n1T2T第38页/共79页39 以 为例，两相邻周期由于转换误差所产生的 是互相抵消的，当测10个周期时，只有第一个周期开始产生的转换误差 和第十个周期终了产生的 才产生10个周期引起的总测周误差：T2221)()(TTTn1010 n1T2T一个周期的误差为10)()(2221TTTn第39页/共79页404、结论 用计数器直接测周的误差主要有： 量化误差 转换

14、误差 标准频率误差合成误差按下式计算：)102110(ccmnncxnxxffVVfTkTT第40页/共79页41采用多周期测量可提高测量准确度；选用小的时标(即k小)可提高测周分辨力；测量过程中尽可能提高传噪比 。nmVV)102110(ccmnncxnxxffVVfTkTT第41页/共79页42三、测时间间隔模式时的误差 在这一测量模式中，同样也会产生由噪声干扰引起的触发误差。此外，由于斯密持触发电路的滞后，也会产生误差，称“触发滞后误差” 。1、误差的种类BVBV%5012触发窗标称触发电平21第42页/共79页43 以测量脉冲宽度为例，由于触发电路存在滞后，电路不是在标称触发电平A点(

15、50脉冲幅度)产生触发，而是在接通电平 ( 点)产生触发；同样，在下降沿上，电路不是在B点翻转，而是在断开电平 ( )上翻转，故测得的脉冲宽度为 ，而不是所定义的脉冲宽度 。BVABVB212、产生触发滞后误差的原因BVBV%5012触发窗标称触发电平21第43页/共79页44121222SVSVBB触发窗宽度上升沿斜率；下降沿斜率。BV1S2SBBBVVV3、触发滞后误差的计算第44页/共79页454、消除触发滞后误差的方法 现代时间间隔计数器，内部装有补偿网络，借助于移动触发窗的方法，可自动消除触发滞后误差。对正斜率(上升沿)，将触发窗往下移半个窗口宽度，而对负斜率(下降沿)则向上移半个窗

16、口宽度，则触发点A和B正好处在50脉冲幅度的电平上。AB%50触发窗0第45页/共79页46第六节 标准频率源的测量一、引 言1、标准频率源指的是什么？ 标准频率源(简称频率源)主要是指各级频率标准、频率合成器和通用计数器中的高稳定石英振荡器（常称小晶振）。2、标准频率源的基本要求 频率准确度和频率稳定度是标准频率源的两项主要 指标。第46页/共79页473、标准频率源测量的特点 标准频率源的测量属于频率精密测量(频率计量)的内容，这种测量是在一个(被测的)频率源和另一个准确度更高的频率源之间进行比对来实现的。由于一个频率源的准确度是由它的频率稳定度来保证的，因此，检定一个频率源的主要内容是测

17、量它的频率稳定度。第47页/共79页48 二、频率准确度 频率准确度是指频率实际值 对其标称值 。的相对偏差，其表达式为xf0f000fffffax三、频率稳定度1、频率稳定度的定义 频率稳定度是指在一定时间间隔内，频率源的频率准确度的变化，所以实际上是频率不稳定度，它表征频率源维持其工作于恒定频率上的工作能力。第48页/共79页49 (1) 系统性的或确定性的变化，比如，构成频率源 的元器件的老化或系统性漂移；环境温度、供 电电压等外界条件变化所引起的频率漂移。 (2) 非确定性的或随机性的变化，其主要原因是各 种噪声对输出信号进行寄生调频和调相，从而 产生频率的随机起伏。2、影响频率稳定度

18、内外因素第49页/共79页50四、频率稳定度的描述用长期稳定度、短期稳定度来描述频率稳定度。 长期稳定度指长时间(年或月范围内)的频率变化，在石英振荡器中，长时间的频率漂移主要是由石英谐振器(晶体)的老化引起的，它属于系统性的或确定性的变化其值与频率的随机性变化无关所以，长期稳定度一般是指年或月的老化率。 短期稳定度是秒或毫秒内的随机频率变化，这种无规则的随机变化与长期的频率漂移无关比如，用于计数器的石英振荡器，其输出频率在一秒内稳不稳具有重要意义，故常用“秒级稳定度”来表征。第50页/共79页511、长期稳定度表征 长期稳定度是指石英谐振器老化而引起的振荡频率在其平均值上的缓慢变化，即频率的

19、老化漂移多数高稳定的石英振荡器，经过足够时间的预热后，其频率的老化漂移往往呈现良好的线性(增加或减小)。 长期稳定度的定义ft（天、月、年）第51页/共79页52 对石英振荡器，通常用一天内的频率平均漂移作为长期稳定度的表征，叫做“日老化率”。用一天内频率平均漂移的相对值表示。 日老化率012fffK老化曲线上相隔一天(24小时)的两个频率值；标称频率12ff、0f第52页/共79页53 老化曲线是由离散的测试点通过数据处理后得到的，通常是利用最小二乘法得到日老化率。在实际测量中，需要连续测一周或一个月，设每天测一个数据，共测n天，则依次得n个等精度测量数据 于是可利用最小二乘法拟合得到一条老

20、化曲线，不难求得其斜率的估计值。设回归方程为：tf根据最小二乘法原理，对于等精度测量，应满足 min)(21miiitf第53页/共79页540)(0)(2121miiimiiixfxf正规方程2112121)()(ttttffnttf t ntfniiniiiiniiniii第54页/共79页55)21 (11111nntntfnfniinii0012ffffK日老化率ft1f2f第55页/共79页56 当外界条件(温度、供电电压等)恒定时，一天内的振荡频率，除老化漂移外，还将产生频率的随机起伏，可用日波动来综合表征老化漂移和随机起伏这两种频率变化，日波动是指频率源经规定时间的预热以后在24

21、小时内频率的最大变化。日波动0minmaxfffSftmaxfminf第56页/共79页57四、频率稳定度的时域测量 频率稳定度的时域测量是建立在与标准频率比对的基础上。完成这种比对必须具备两个条件： (1)作为基准的标准频率，其准确度和稳定度至少 应比被测频率源高一个数量级 (2)测量(比对)设备的测量准确度至少应比被测频 率源商3倍第57页/共79页58(一)计数器直接测频例 一台标准频率为25MKz的石英振荡器，用计数器直接测频，若提供计数器的时基信号频率准确度为1x109，则当T1s时的测频误差为 计数器直接测频的测量准确度，主要受到 误差的限制，即使闭门时间选为10 s，也只能达到1

22、08 量级，而且闸门时间的选择往往受到取样时间的限制，例如，测量秒级稳定度，闸门时间必须为1s7001041Tfff第58页/共79页59(二)测差频周期法测差频周期法是先把被测频率降低，然后测其周期。周期计数器被测频率标准频率鉴相器xfrfrxffF 被测频率 和标淮频率 由混频器检出两者的差频 ，用测周计数器测差频信号的周期 然后计算 ，可测得被测频率值xfrfrxffFFT1FrxfFf1、什么是测差频周期法？第59页/共79页602、测差频周期法的误差分析设土1误差所产生的周期绝对误差为T21TTFFTrxfFf由得最后的测频误差为2000TfTfFffx：被测频率源的标准频率0f第6

23、0页/共79页61 例：设 和 的标称频率 ，差频 ，即 ，若计数器的时标为 ，“周期倍乘”置于“1”，求测频误差。xfrfMHzf5 . 20HzffFrx1sFT11s1解：土1误差所产生的周期绝对误差sTTTTTTcc1101613200104TfTffx）周期倍乘为1(0)102110(nffVVTfkTTccmnncn如果只考虑 误差，那么1第61页/共79页62讨论1、为了保证测差额周期法的高准确度，作为比对用 的标准频率 ，其准确度应比被测频率源 至 少高一个量级。 可认为完全由 的不稳定产 生的。rfFxfxf第62页/共79页63 2 、利用这种方法来测一个频率源的秒级稳定度

24、，这 时我们必须把被测频率源的频率 调整到 使 。即 ，这是因为计数器测 周时的取样时间等于被测信号周期(当周期倍增置 于 “1”)但是，这一点不是在任何情况下都做得 到的，特别是当测量高稳定的石英振荡器时，其 频率微调范围较小(一般只能在其稳定度范围内调 节)，差额不能调到1Hz，同时，频率调得太偏， 会使石英振荡器的频率稳定度变坏。xfHzffFrx1sT1第63页/共79页64(三)差额倍增技术 差额倍增技术是目前频率测量中广泛采用的一种方案，其实质是将被测频率源的频率起伏进行倍增。m) 1( mmxfrfmFmfmfrxrfm) 1(mFfrFmfr2Fmfnrrf1M2MnM至频率计

25、数器至周期计数器被测频率标准频率鉴相器Fmn0ffffFxrx第64页/共79页65由计数器测得的差频为 ，且 FmFnm被测频率源的准确度为000fmFfFffnmxFmFnm第65页/共79页66（四）示波测量法被测频率标准频率xfrfrxff rxffF第66页/共79页67 由于 和 有偏差，两信号之间的相位差将随时间而变，相位差从 变到 ，椭圆图形将转动一次，所需时间相当于一个差频 的周期，也就是说， (可看作基准 )和 的频差越大，椭圆转动越快。测量椭圆转动一圈所需的时间 ，就不准求得频差tTF11xfrfo0o360rxffFrf0fxft0001tffFffx被测频率源的准确度

26、或00ftnffnx李沙育图形转动的圈数；转动n圈所需时间。nnt第67页/共79页68 测量误差00ftnffnxntfttfnnnf0201 例 ，取n1为减小测量误差取 t40s人手反应误差一般为 ，圈数观测误差 则MHzf50st2周02. 0n100201025. 11ntfttfnnnf第68页/共79页6941xxxTfff1测频模式：1 1误差产生的测频误差sT176102105111xxxTfffsT1 . 0661021051 . 011xxxTfff5610210501. 011xxxTfffsT1 . 0第69页/共79页7042xxxTfff1测频模式：1 1误差产生

27、的测频误差测周模式：1 1误差产生的测周误差cxxxfTkTT3100 . 5200111xxxTfff56100 . 2101 . 0200cxcxxxTffTkTT 当被测频率较低时，测频模式1 1误差产生的测频误差比测周模式1误差产生的测周误差要大得多。第70页/共79页7144001tfff)10(90ff)10(90ff)10(90ff4.214.94 5.48 4.715.48 6.356.674.76 6.065.711.33 2.76 3.961.97 1.952.05 1.24 0.902.551.782.452.02 2.353.703.70)1 (000ffffffx第7

28、1页/共79页72890min0max0minmax0minmax10037. 110)70. 367. 6(ffffffffffS91097. 2第72页/共79页7345)102110(ccmnncxnxxffVVfTkTT测周误差转换误差所产生的测周误差mnnVV1021VVVdBNSVVmnnm1 . 020lg20第73页/共79页74110 n225. 01 . 014. 31211021mnnVV100010 n41025. 21 . 014. 31000211021mnnVV 利用“多周期测量法”可以减小转换误差对测周的影响，提高周期倍增数，可以降低测周误差。第74页/共79页75欲得到两信号的频率比，选频率高的信号加到A通道形成时标选频率低的信号加到B通道形成时基，计数器读数便是在闸门时间T5内时标7A的变化次数，即NBAABffTN12、15 电子测量技术里面找第75页/共79页76第76页/共79页77第77页/共79页78第78页/共79页79感谢您的观看！第79页/共79页