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1、第第04章时间与频率的章时间与频率的测量测量第1页，本讲稿共42页4.1.1 4.1.1 时间、频率的基本概念时间、频率的基本概念时间有两个含义：时间有两个含义：时间有两个含义：时间有两个含义：“时刻时刻时刻时刻”：某个事件发生的瞬间；某个事件发生的瞬间；某个事件发生的瞬间；某个事件发生的瞬间；“时间间隔时间间隔时间间隔时间间隔”：某个时刻相对于另一开始时刻持续了多久。某个时刻相对于另一开始时刻持续了多久。某个时刻相对于另一开始时刻持续了多久。某个时刻相对于另一开始时刻持续了多久。频率的定义：频率的定义：频率的定义：频率的定义：周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（周期信
2、号在单位时间（1s1s1s1s）内的变化次数（周期数）。如果在一）内的变化次数（周期数）。如果在一）内的变化次数（周期数）。如果在一）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔定时间间隔定时间间隔定时间间隔T T T T内周期信号重复变化了内周期信号重复变化了内周期信号重复变化了内周期信号重复变化了N N N N次，则频率可表达为：次，则频率可表达为：次，则频率可表达为：次，则频率可表达为：f f f fN/TN/TN/TN/T时间与频率的关系：时间与频率的关系：时间与频率的关系：时间与频率的关系：二者可以互相转换。一般测量频率。二者可以互相转换。一般测量频率。二者可以互相转换。一般测量频率。
3、二者可以互相转换。一般测量频率。第2页，本讲稿共42页差频法差频法拍频法拍频法示波法示波法电桥法电桥法谐振法谐振法比较法比较法直读法直读法李沙育图形法李沙育图形法测周期法测周期法模拟法模拟法频率测量方法分类频率测量方法分类数字法数字法电容充放电法电容充放电法电子计数器法电子计数器法第3页，本讲稿共42页4.1.2 4.1.2 电子计数器概述电子计数器概述按功能可以分为如下四类：按功能可以分为如下四类：按功能可以分为如下四类：按功能可以分为如下四类：（1 1 1 1）通用计数器：）通用计数器：）通用计数器：）通用计数器：可测量频率、频率比、周期、时间间隔、可测量频率、频率比、周期、时间间隔、可测
4、量频率、频率比、周期、时间间隔、可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。累加计数等。累加计数等。累加计数等。（2 2 2 2）频率计数器：）频率计数器：）频率计数器：）频率计数器：其功能限于测频和计数。但测频范围往往其功能限于测频和计数。但测频范围往往其功能限于测频和计数。但测频范围往往其功能限于测频和计数。但测频范围往往很宽。很宽。很宽。很宽。（3 3 3 3）时间计数器：）时间计数器：）时间计数器：）时间计数器：以时间测量为基础，可测量周期、脉冲参以时间测量为基础，可测量周期、脉冲参以时间测量为基础，可测量周期、脉冲参以时间测量为基础，可测量周期、脉冲参数等，其测时分辨力和准确度很
5、高。数等，其测时分辨力和准确度很高。数等，其测时分辨力和准确度很高。数等，其测时分辨力和准确度很高。（4 4 4 4）特种计数器）特种计数器）特种计数器）特种计数器:具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。序列计数器、预置计数器等。序列计数器、预置计数器等。序列计数器、预置计数器等。最早的电子计数器通过对单位时间内被测信号的最早的电子计数器通过对单位时间内被测信号的周期个数进行计数来实现频率测量。周期个数进行计数来实现频率测量。现在的电子计数器早已突破单一计
6、数的简单功能，成为一机多能的仪器。现在的电子计数器早已突破单一计数的简单功能，成为一机多能的仪器。第4页，本讲稿共42页4.2 4.2 时间与频率标准时间与频率标准时间与频率的测量是基于时间与频率标准的。时间与频率的测量是基于时间与频率标准的。时间与频率的原始基准有时间与频率的原始基准有时间与频率的原始基准有时间与频率的原始基准有2 2种：天文时标和原子时标种：天文时标和原子时标种：天文时标和原子时标种：天文时标和原子时标1 1、天文时标、天文时标 根据天文观测确定时间与频率标准。根据天文观测确定时间与频率标准。根据天文观测确定时间与频率标准。根据天文观测确定时间与频率标准。世界时（世界时（世
7、界时（世界时（UT,Universal TimeUT,Universal Time）:以以以以地球自转周期地球自转周期地球自转周期地球自转周期(1(1天天天天)确定的时间，即确定的时间，即确定的时间，即确定的时间，即1/(246060)=1/864001/(246060)=1/86400为为为为1 1秒。其误差约为秒。其误差约为秒。其误差约为秒。其误差约为10107 7量级。量级。量级。量级。历书时（历书时（历书时（历书时（ETET）：）：）：）：以地球绕太阳公转为标准以地球绕太阳公转为标准以地球绕太阳公转为标准以地球绕太阳公转为标准，即公转，即公转，即公转，即公转周期（周期（周期（周期（1
8、1年）的年）的年）的年）的31 556 925.974731 556 925.9747分之一为分之一为分之一为分之一为1 1秒。参考点为秒。参考点为秒。参考点为秒。参考点为19001900年年年年1 1月月月月1 1日日日日0 0时（国际天文学会定义）。准确度达时（国际天文学会定义）。准确度达时（国际天文学会定义）。准确度达时（国际天文学会定义）。准确度达1101109 9 。于于于于19601960年第年第年第年第1111届国际计量大会接受为届国际计量大会接受为届国际计量大会接受为届国际计量大会接受为“秒秒秒秒”的标准。的标准。的标准。的标准。第5页，本讲稿共42页4.2.2 4.2.2 4
9、.2.2 4.2.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器uu原理：原理：原理：原理：晶振基于压电效应产生稳定的频率输出。普通晶体频晶振基于压电效应产生稳定的频率输出。普通晶体频晶振基于压电效应产生稳定的频率输出。普通晶体频晶振基于压电效应产生稳定的频率输出。普通晶体频率准确度为率准确度为率准确度为率准确度为1010-5-5。uu用途：用途：用途：用途：电子计数器内部的电子计数器内部的电子计数器内部的电子计数器内部的时间、频率基准时间、频率基准时间、频率基准时间、频率基准一般都采用一般都采用一般都采用一般都采用石英晶体振石英晶体振石英晶体振石英晶体振荡器（简称荡器（简称荡器
10、（简称荡器（简称“晶振晶振晶振晶振”）为基准信号源。为基准信号源。为基准信号源。为基准信号源。uu缺点：缺点：缺点：缺点：晶振频率晶振频率晶振频率晶振频率易受温度影响易受温度影响易受温度影响易受温度影响（其频率（其频率（其频率（其频率-温度特性曲线有拐点，温度特性曲线有拐点，温度特性曲线有拐点，温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），可采用在拐点处最平坦），可采用在拐点处最平坦），可采用在拐点处最平坦），可采用温度补偿或恒温措施温度补偿或恒温措施温度补偿或恒温措施温度补偿或恒温措施（恒定在拐点（恒定在拐点（恒定在拐点（恒定在拐点处的温度）来得到高稳定、高准确度的频率输出。处的温度）来得到高稳定、
11、高准确度的频率输出。处的温度）来得到高稳定、高准确度的频率输出。处的温度）来得到高稳定、高准确度的频率输出。原子时标是国际计量的原始标准，工作基准一般用和原子时标是国际计量的原始标准，工作基准一般用和一级标准相校准的晶体振荡器来担任。石英晶体振荡器就是一级标准相校准的晶体振荡器来担任。石英晶体振荡器就是常用的时间、频率的工作基准。常用的时间、频率的工作基准。第6页，本讲稿共42页恒温晶振的组成恒温晶振的组成恒温晶振的组成恒温晶振的组成第7页，本讲稿共42页4.3.1 4.3.1 4.3.1 4.3.1 模拟测量原理模拟测量原理(直接法和比较法直接法和比较法直接法和比较法直接法和比较法)（I I
12、 I I）直接法）直接法）直接法）直接法 直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其又可细直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其又可细直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其又可细直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其又可细分为分为分为分为谐振法和电桥法谐振法和电桥法谐振法和电桥法谐振法和电桥法两种。两种。两种。两种。（1 1 1 1）谐振法：谐振法：谐振法：谐振法：将待测信号输入谐振回路，利用谐振回路的特点，调将待测信号输入谐振回路，利用谐振回路的特点，调将待测信号输入谐振回路，利用谐振回路的特点，调将待测信号输入谐振回路，利用谐振回路的特点，调节可
13、变电容器节可变电容器节可变电容器节可变电容器C C使回路发生谐振使回路发生谐振使回路发生谐振使回路发生谐振，此时回路电流达到最大，则，此时回路电流达到最大，则，此时回路电流达到最大，则，此时回路电流达到最大，则4.3 4.3 时间和频率的测量原理时间和频率的测量原理可测量可测量可测量可测量1500MHz1500MHz以下以下以下以下的的的的频率，准确度频率，准确度频率，准确度频率，准确度(0.25(0.251)%1)%。第8页，本讲稿共42页 (2 2）电桥电桥电桥电桥法：法：法：法：利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率利用电桥的平衡条件和频
14、率有关的特性来进行频率利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量。通常采用如下图所示的测量。通常采用如下图所示的测量。通常采用如下图所示的测量。通常采用如下图所示的文氏电桥文氏电桥文氏电桥文氏电桥来进行测量。来进行测量。来进行测量。来进行测量。调节调节调节调节R R1 1、R R2 2使电桥达到平衡，则有使电桥达到平衡，则有使电桥达到平衡，则有使电桥达到平衡，则有测量准确度测量准确度测量准确度测量准确度：受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度和受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度和受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度和受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确
15、程度和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为(0.5(0.5(0.5(0.51)%1)%1)%1)%。第9页，本讲稿共42页（II II）比较法）比较法）比较法）比较法基本原理：基本原理：基本原理：基本原理：利用利用利用利用标准频率标准频率标准频率标准频率f f f fs s s s和被测量频率和被测量频率和被测量频率和被测量频率f f f fx x x x进行比较进行比较进行比较进行比较来测量频率。有来测量频率。有来测量频率。有来测量频率。有拍频拍
16、频拍频拍频法、外差法、示波法法、外差法、示波法法、外差法、示波法法、外差法、示波法等。（等。（等。（等。（P154P154P154P154）拍频法：拍频法：拍频法：拍频法：将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率叠加叠加叠加叠加，由指示器（耳机或电压表）指示。适于，由指示器（耳机或电压表）指示。适于，由指示器（耳机或电压表）指示。适于，由指示器（耳机或电压表）指示。适于音频范围内的测量音频范围内的测量音频范围内的测量音频范围内的测量（很少用）。（很少用）。（很少用）。（很少用）。外差法：外差法：外差法：外差法：将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率将标
17、准频率与被测频率将标准频率与被测频率混频混频混频混频，取出差频并测量。可测量范围达，取出差频并测量。可测量范围达，取出差频并测量。可测量范围达，取出差频并测量。可测量范围达几十几十几十几十MHzMHzMHzMHz（外差式频率计）。（外差式频率计）。（外差式频率计）。（外差式频率计）。示波法：示波法：示波法：示波法：李沙育图形法李沙育图形法李沙育图形法李沙育图形法：将：将：将：将f f f fx x x x和和和和f f f fs s s s分别接到示波器分别接到示波器分别接到示波器分别接到示波器Y Y Y Y轴和轴和轴和轴和X X X X轴（轴（轴（轴（X-YX-YX-YX-Y图示方式），图示
18、方式），图示方式），图示方式），当当当当f f f fx x x xf f f fs s s s时显示为斜线（椭圆或圆）；时显示为斜线（椭圆或圆）；时显示为斜线（椭圆或圆）；时显示为斜线（椭圆或圆）；测周期法测周期法测周期法测周期法：直接根据显示波形由：直接根据显示波形由：直接根据显示波形由：直接根据显示波形由X X X X通道通道通道通道扫描速率扫描速率扫描速率扫描速率得到周期，进而得到得到周期，进而得到得到周期，进而得到得到周期，进而得到频率。频率。频率。频率。第10页，本讲稿共42页4.3.2 4.3.2 数字测量原理数字测量原理1 1 1 1、门控计数法测量原理、门控计数法测量原理、门
19、控计数法测量原理、门控计数法测量原理时间、频率量的特点时间、频率量的特点时间、频率量的特点时间、频率量的特点 频率频率频率频率是单位时间内的周期个数，因此，对频率量的测量需确是单位时间内的周期个数，因此，对频率量的测量需确是单位时间内的周期个数，因此，对频率量的测量需确是单位时间内的周期个数，因此，对频率量的测量需确定一个取样时间定一个取样时间定一个取样时间定一个取样时间T T，在该时间内对被测信号的周期，在该时间内对被测信号的周期，在该时间内对被测信号的周期，在该时间内对被测信号的周期累加计数累加计数累加计数累加计数(若计数值若计数值若计数值若计数值为为为为N)N)，根据，根据，根据，根据f
20、 fx x=N/T=N/T得到频率值。得到频率值。得到频率值。得到频率值。时间时间时间时间是两个时刻之间的长度，为实现数字化测量，需将被测时间是两个时刻之间的长度，为实现数字化测量，需将被测时间是两个时刻之间的长度，为实现数字化测量，需将被测时间是两个时刻之间的长度，为实现数字化测量，需将被测时间按尽可能小的时间单位（称为时标）进行量化，通过按尽可能小的时间单位（称为时标）进行量化，通过按尽可能小的时间单位（称为时标）进行量化，通过按尽可能小的时间单位（称为时标）进行量化，通过累计累计累计累计被测时间内被测时间内被测时间内被测时间内所包含的时间单位数得到被测时间。所包含的时间单位数得到被测时间
21、。所包含的时间单位数得到被测时间。所包含的时间单位数得到被测时间。测量原理测量原理测量原理测量原理 将需将需将需将需累加计数累加计数累加计数累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信号），由一个为时标信号），由一个为时标信号），由一个为时标信号），由一个“闸门闸门闸门闸门”（主门）控制，并由一个（主门）控制，并由一个（主门）控制，并由一个（主门）控制，并由一个“门门门门控控控控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止），信号控制闸门的开启（计数允许）与关
22、闭（计数停止），信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止），信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止），通过计数器计数得测量结果。通过计数器计数得测量结果。通过计数器计数得测量结果。通过计数器计数得测量结果。第11页，本讲稿共42页 图中，图中，图中，图中，“与与与与”逻辑门作为闸门，其门控信号为逻辑门作为闸门，其门控信号为逻辑门作为闸门，其门控信号为逻辑门作为闸门，其门控信号为 11时闸门时闸门时闸门时闸门开启（允许计数），为开启（允许计数），为开启（允许计数），为开启（允许计数），为 00时闸门关闭（停止计数）。时闸门关闭（停止计数）。时闸门关闭（停止计数）。时闸门关闭（停止计
23、数）。若若若若A A路为被测信号，路为被测信号，路为被测信号，路为被测信号，闸门开启时间（称为闸门开启时间（称为闸门开启时间（称为闸门开启时间（称为“闸门时间闸门时间闸门时间闸门时间”）即为采样）即为采样）即为采样）即为采样时间，此时称为时间，此时称为时间，此时称为时间，此时称为测频测频测频测频。若若若若B B路为被测信号，路为被测信号，路为被测信号，路为被测信号，闸门开启时间即为被测时间，此时称为闸门开启时间即为被测时间，此时称为闸门开启时间即为被测时间，此时称为闸门开启时间即为被测时间，此时称为测时测时测时测时间间隔（测周）间间隔（测周）间间隔（测周）间间隔（测周）。门控计数法示意图门控计
24、数法示意图门控计数法示意图门控计数法示意图第12页，本讲稿共42页2 2 2 2、通用计数器的基本组成、通用计数器的基本组成、通用计数器的基本组成、通用计数器的基本组成1）整形、放大电路用来实现脉冲变换；）整形、放大电路用来实现脉冲变换；2）门控电路的控制脉冲周期远大于另一路信号的周期；）门控电路的控制脉冲周期远大于另一路信号的周期；3）采用测频法时，）采用测频法时，fA是被测信号，是被测信号，fB是机内时基信号；是机内时基信号；采用测周法时，采用测周法时，fB是被测信号，是被测信号，fA是机内时基信号。是机内时基信号。第13页，本讲稿共42页4.4.1 4.4.1 4.4.1 4.4.1 电
25、子计数器的组成框图电子计数器的组成框图电子计数器的组成框图电子计数器的组成框图数字显示器寄存器十进制计数器 A通道(放大、整形)B通道(放大、整形)主 门功能开关闸门选择、周期倍乘 10 10 10 1010s(104)1s(103)100ms(102)10ms(10)1ms(1)时标选择12345332112445时基部分 10 10 10 10 101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制时序电路开门锁存复位控制时序电路波形4.4 4.4 电子计数器的组成原理和测量功能电子计数器的组成原理和测量功能1MHz第15页，本讲稿共42页4.4.2 4.4.2 4.4.2 4.4.2
26、电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能1 1）频率测量）频率测量）频率测量）频率测量 原理原理原理原理：计数器严格按照：计数器严格按照：计数器严格按照：计数器严格按照 的定义实现频率测量。的定义实现频率测量。的定义实现频率测量。的定义实现频率测量。其中，其中，其中，其中，T T为采样时间，为采样时间，为采样时间，为采样时间，N N为为为为T T内的周期数。采样时间内的周期数。采样时间内的周期数。采样时间内的周期数。采样时间T T预先由闸预先由闸预先由闸预先由闸门时间门时间门时间门时间T Ts s确定（对应时基频率为确定（对应时基频率为确定（对应时基频率
27、为确定（对应时基频率为f fs s）。则）。则）。则）。则 例如例如例如例如：闸门时间：闸门时间：闸门时间：闸门时间Ts=1sTs=1s，若计数值，若计数值，若计数值，若计数值N=10000N=10000，则显示的，则显示的，则显示的，则显示的fxfx为为为为10000Hz 10000Hz。通常电子计数器的闸门时间有通常电子计数器的闸门时间有通常电子计数器的闸门时间有通常电子计数器的闸门时间有5 5档：档：档：档：1ms1ms、10ms10ms、0.1s0.1s、1s1s和和和和10s10s。第16页，本讲稿共42页测量速度与分辨力的矛盾测量速度与分辨力的矛盾测量速度与分辨力的矛盾测量速度与分
28、辨力的矛盾：闸门时间：闸门时间：闸门时间：闸门时间TsTs为频率测量的采样时间，为频率测量的采样时间，为频率测量的采样时间，为频率测量的采样时间，TsTs愈大，则测量时间愈长，计数值愈大，则测量时间愈长，计数值愈大，则测量时间愈长，计数值愈大，则测量时间愈长，计数值N N愈大，分辨力愈高，但测量速度越愈大，分辨力愈高，但测量速度越愈大，分辨力愈高，但测量速度越愈大，分辨力愈高，但测量速度越慢。慢。慢。慢。TB放放 大大、整形整形闸闸门门门控电路门控电路计数计数显示显示Afx分频电路分频电路时基时基Ts原理框图原理框图工作波形图工作波形图第17页，本讲稿共42页2 2）频率比的测量）频率比的测量
29、）频率比的测量）频率比的测量测量两个信号的频率之比测量两个信号的频率之比测量两个信号的频率之比测量两个信号的频率之比原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频率比的测原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频率比的测原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频率比的测原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频率比的测量：量：量：量：f fx x对对对对f fs s的频率比。的频率比。的频率比。的频率比。据此，若要测量据此，若要测量据此，若要测量据此，若要测量f fA A对对对对f fB B的频率比（假设的频率比（假设的频率比（假设的频率比（假设f fA AffB
30、B），只要用），只要用），只要用），只要用f fB B的周期的周期的周期的周期T TB B作为闸门，在作为闸门，在作为闸门，在作为闸门，在T TB B时间内对时间内对时间内对时间内对f fA A作周期计数即可。作周期计数即可。作周期计数即可。作周期计数即可。测量方法：测量方法：测量方法：测量方法：第18页，本讲稿共42页注意注意注意注意：频率较高者由：频率较高者由：频率较高者由：频率较高者由A A通道输入，频率较低者由通道输入，频率较低者由通道输入，频率较低者由通道输入，频率较低者由B B通道输入。通道输入。通道输入。通道输入。提高频率比测量精度的方法提高频率比测量精度的方法提高频率比测量精度
31、的方法提高频率比测量精度的方法：扩展扩展扩展扩展B B通道信号的周期个数通道信号的周期个数通道信号的周期个数通道信号的周期个数。例如：以例如：以例如：以例如：以B B通道信号的通道信号的通道信号的通道信号的1010个周期作为闸门信号，则计数值为：个周期作为闸门信号，则计数值为：个周期作为闸门信号，则计数值为：个周期作为闸门信号，则计数值为：,即计数值扩大了即计数值扩大了即计数值扩大了即计数值扩大了1010倍，相应的测量精度也就提高了倍，相应的测量精度也就提高了倍，相应的测量精度也就提高了倍，相应的测量精度也就提高了1010倍。为得倍。为得倍。为得倍。为得到真实结果，需将计数值到真实结果，需将计
32、数值到真实结果，需将计数值到真实结果，需将计数值N N缩小缩小缩小缩小1010倍（小数点左移倍（小数点左移倍（小数点左移倍（小数点左移1 1位），即位），即位），即位），即应用应用应用应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。：可方便地测得电路的分频或倍频系数。：可方便地测得电路的分频或倍频系数。：可方便地测得电路的分频或倍频系数。第19页，本讲稿共42页3 3）周期的测量）周期的测量）周期的测量）周期的测量 测量原理测量原理测量原理测量原理：“时标计数法时标计数法时标计数法时标计数法”周期测量。周期测量。周期测量。周期测量。对被测周期对被测周期对被测周期对被测周期T Tx x，用已知的较小单位
33、时间刻度，用已知的较小单位时间刻度，用已知的较小单位时间刻度，用已知的较小单位时间刻度T T0 0（“时标时标时标时标”）去量化，由）去量化，由）去量化，由）去量化，由T Tx x所包含的所包含的所包含的所包含的“时标时标时标时标”数数数数N N得到得到得到得到T Tx x。即即即即T Tx x=N T=N T0 0 实现方法实现方法实现方法实现方法：由：由：由：由TxTx得到得到得到得到闸门闸门闸门闸门；在；在；在；在TxTx内计数器对时标计数。内计数器对时标计数。内计数器对时标计数。内计数器对时标计数。TxTx由由由由B B通道输入，内部时标信号由通道输入，内部时标信号由通道输入，内部时标
34、信号由通道输入，内部时标信号由A A通道输入。通道输入。通道输入。通道输入。第20页，本讲稿共42页例如：时标例如：时标例如：时标例如：时标T T T T0 0 0 0=1us=1us=1us=1us，若计数值，若计数值，若计数值，若计数值N=10000N=10000N=10000N=10000，则显示的，则显示的，则显示的，则显示的TxTxTxTx为为为为10000us10000us10000us10000us。原理框图：原理框图：测量速度与分辨力：测量速度与分辨力：一次测量时间即为一个周期一次测量时间即为一个周期T Tx x，T Tx x愈大愈大(频频率愈低率愈低)则测量时间愈长；计数值则
35、测量时间愈长；计数值N N与时标有关，时标愈小分辨力愈高。与时标有关，时标愈小分辨力愈高。第21页，本讲稿共42页4 4 4 4）时间间隔的测量）时间间隔的测量）时间间隔的测量）时间间隔的测量 时间间隔时间间隔时间间隔时间间隔：指两个时刻点之间的时间段长度。：指两个时刻点之间的时间段长度。：指两个时刻点之间的时间段长度。：指两个时刻点之间的时间段长度。在测量技术中，两个时刻点通常由两个事件确定。如，一个周在测量技术中，两个时刻点通常由两个事件确定。如，一个周在测量技术中，两个时刻点通常由两个事件确定。如，一个周在测量技术中，两个时刻点通常由两个事件确定。如，一个周期信号的两个同相位点所确定的时
36、间间隔即为周期。期信号的两个同相位点所确定的时间间隔即为周期。期信号的两个同相位点所确定的时间间隔即为周期。期信号的两个同相位点所确定的时间间隔即为周期。两个事件的例子及测量参数还有：两个事件的例子及测量参数还有：两个事件的例子及测量参数还有：两个事件的例子及测量参数还有：a)a)a)a)同一信号波形上两个不同点之间同一信号波形上两个不同点之间同一信号波形上两个不同点之间同一信号波形上两个不同点之间脉冲信号参数脉冲信号参数脉冲信号参数脉冲信号参数；b)b)b)b)两个信号波形上，两点之间两个信号波形上，两点之间两个信号波形上，两点之间两个信号波形上，两点之间相位差的测量相位差的测量相位差的测量
37、相位差的测量；c)c)c)c)手动触发手动触发手动触发手动触发定时、累加计数。定时、累加计数。定时、累加计数。定时、累加计数。测量方法测量方法测量方法测量方法：由：由：由：由两个事件两个事件两个事件两个事件触发得到触发得到触发得到触发得到起始信号和终止信号起始信号和终止信号起始信号和终止信号起始信号和终止信号，经过门控双，经过门控双，经过门控双，经过门控双稳态电路得到稳态电路得到稳态电路得到稳态电路得到“门控信号门控信号门控信号门控信号”，门控时间即为被测的时间间隔。在门控时，门控时间即为被测的时间间隔。在门控时，门控时间即为被测的时间间隔。在门控时，门控时间即为被测的时间间隔。在门控时间内，
38、仍采用间内，仍采用间内，仍采用间内，仍采用“时标计数时标计数时标计数时标计数”方法测量（即所测时间间隔由方法测量（即所测时间间隔由方法测量（即所测时间间隔由方法测量（即所测时间间隔由“时标时标时标时标”量化）。量化）。量化）。量化）。第22页，本讲稿共42页原理框图原理框图原理框图原理框图 时间间隔的起始、终止信号分别由时间间隔的起始、终止信号分别由时间间隔的起始、终止信号分别由时间间隔的起始、终止信号分别由B B、C C通道输入。通道输入。通道输入。通道输入。时标由机内提供。时标由机内提供。时标由机内提供。时标由机内提供。第23页，本讲稿共42页时序关系时序关系时序关系时序关系第24页，本讲
39、稿共42页相位差的测量相位差的测量利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。的相位差。的相位差。的相位差。测量原理如图：测量原理如图：测量原理如图：测量原理如图：两个信号分别由两个信号分别由两个信号分别由两个信号分别由B B、C C通道输入，并选择相同的触发极通道输入，并选择相同的触发极通道输入，并选择相同的触发极通道输入，并选择相同的触发极性和触发电平。性和触发电平。性和触发电平。性和触发电平。为减小测量误差，分别取为减小测量误差，分
40、别取为减小测量误差，分别取为减小测量误差，分别取+、-触发极性作两次测量，触发极性作两次测量，触发极性作两次测量，触发极性作两次测量，得到得到得到得到t1 t1、t2t2再取平均，则再取平均，则再取平均，则再取平均，则第25页，本讲稿共42页5 5）自检（自校）自检（自校）自检（自校）自检（自校）功能：功能：功能：功能：检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常，即是否能正确计检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常，即是否能正确计检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常，即是否能正确计检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常，即是否能正确计数。数。数。数。实现方法实现方法实现方法实现方法：为判断自检结果是否正确，该结
41、果应该在自检实施前即是已知：为判断自检结果是否正确，该结果应该在自检实施前即是已知：为判断自检结果是否正确，该结果应该在自检实施前即是已知：为判断自检结果是否正确，该结果应该在自检实施前即是已知的。为此，的。为此，的。为此，的。为此，用机内的时基用机内的时基用机内的时基用机内的时基TsTs（闸门信号）对时标（闸门信号）对时标（闸门信号）对时标（闸门信号）对时标T T0 0计数计数计数计数，则计数，则计数，则计数，则计数结果应为：结果应为：结果应为：结果应为：放放 大大、整形整形晶振晶振放放 大大、整形整形闸闸门门计数器计数器显示显示门控电路门控电路分频电路分频电路T0Ts例如：例如：例如：例如
42、：若选择若选择若选择若选择T Ts s=10ms,T=10ms,T0 0=1us,=1us,则则则则自检显示应稳定在自检显示应稳定在自检显示应稳定在自检显示应稳定在N=10000N=10000。自检自检自检自检不能检测内部基准源不能检测内部基准源不能检测内部基准源不能检测内部基准源。自检的方框图：自检的方框图：自检的方框图：自检的方框图：第26页，本讲稿共42页4.5.1 4.5.1 测量误差的来源测量误差的来源测量误差的来源测量误差的来源1 1 1 1）量化误差）量化误差）量化误差）量化误差什么是量化误差：什么是量化误差：什么是量化误差：什么是量化误差：由前述频率测量由前述频率测量由前述频率
43、测量由前述频率测量fx=N/Ts=Nfsfx=N/Ts=Nfs和周期测量和周期测量和周期测量和周期测量Tx=NTTx=NT0 0，可见，可见，可见，可见，由于计数值由于计数值由于计数值由于计数值N N为整数为整数为整数为整数，fxfx和和和和TxTx必然产生必然产生必然产生必然产生“截断误差截断误差截断误差截断误差”，该误差即为该误差即为该误差即为该误差即为“量化误差量化误差量化误差量化误差”。也称为。也称为。也称为。也称为“11误差误差误差误差”，它是所有数字化，它是所有数字化，它是所有数字化，它是所有数字化仪器都存在的误差。仪器都存在的误差。仪器都存在的误差。仪器都存在的误差。产生原因：产
44、生原因：产生原因：产生原因：量化误差并非由于计数值量化误差并非由于计数值量化误差并非由于计数值量化误差并非由于计数值N N的不准确（也并非标准频率的不准确（也并非标准频率的不准确（也并非标准频率的不准确（也并非标准频率源源源源fs fs或时标或时标或时标或时标T T0 0的不准确）造成。而是的不准确）造成。而是的不准确）造成。而是的不准确）造成。而是由于由于由于由于闸门开启和关闭的时间闸门开启和关闭的时间闸门开启和关闭的时间闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步引起与被测信号不同步引起与被测信号不同步引起与被测信号不同步引起（亦即开门和关门时刻与被测信号出现的时（亦即开门和关门时刻与被测信号出现
45、的时（亦即开门和关门时刻与被测信号出现的时（亦即开门和关门时刻与被测信号出现的时刻是随机的），使得在闸门开始和结束时刻有一部分刻是随机的），使得在闸门开始和结束时刻有一部分刻是随机的），使得在闸门开始和结束时刻有一部分刻是随机的），使得在闸门开始和结束时刻有一部分时间零头时间零头时间零头时间零头没有没有没有没有被计算在内而造成的测量误差。被计算在内而造成的测量误差。被计算在内而造成的测量误差。被计算在内而造成的测量误差。4.5 4.5 电子计数器的测量误差电子计数器的测量误差第27页，本讲稿共42页如图，对同一被测信号，在相同的闸门时间内，计数结果不同。如图，对同一被测信号，在相同的闸门时间内
46、，计数结果不同。如图，对同一被测信号，在相同的闸门时间内，计数结果不同。如图，对同一被测信号，在相同的闸门时间内，计数结果不同。频率测量时的量化误差频率测量时的量化误差量化误差的量化误差的量化误差的量化误差的影响相当于影响相当于影响相当于影响相当于计数值计数值计数值计数值N N N N的的的的“1111”个个个个字。字。字。字。测量结果：测量结果：8Hz测量结果：测量结果：9Hz测量结果：测量结果：7Hz第28页，本讲稿共42页2 2 2 2）触发误差）触发误差）触发误差）触发误差 输入信号都需经过通道电路放大、整形等预处理后得到脉冲信号，即输入信号都需经过通道电路放大、整形等预处理后得到脉冲
47、信号，即输入信号都需经过通道电路放大、整形等预处理后得到脉冲信号，即输入信号都需经过通道电路放大、整形等预处理后得到脉冲信号，即输入信输入信输入信输入信号号号号(转换为转换为转换为转换为)脉冲信号脉冲信号脉冲信号脉冲信号。这种转换要求只对信号幅值和波形变换，不能改变其频率。但是，这种转换要求只对信号幅值和波形变换，不能改变其频率。但是，这种转换要求只对信号幅值和波形变换，不能改变其频率。但是，这种转换要求只对信号幅值和波形变换，不能改变其频率。但是，若若若若输入被测信号叠加有干扰信号输入被测信号叠加有干扰信号输入被测信号叠加有干扰信号输入被测信号叠加有干扰信号，则信号的频率（周期）及相对闸门信
48、，则信号的频率（周期）及相对闸门信，则信号的频率（周期）及相对闸门信，则信号的频率（周期）及相对闸门信号的触发点就可能变化。由此产生的测量误差称为号的触发点就可能变化。由此产生的测量误差称为号的触发点就可能变化。由此产生的测量误差称为号的触发点就可能变化。由此产生的测量误差称为“触发误差触发误差触发误差触发误差”，也称，也称，也称，也称为为为为“转换误差转换误差转换误差转换误差”。3 3）标准频率误差）标准频率误差 机内时基（闸门时间）和时标是频率和时间间隔测量的参考基准，它们由内机内时基（闸门时间）和时标是频率和时间间隔测量的参考基准，它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍频后产生。因此
49、，其准确度和测量时间之部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍频后产生。因此，其准确度和测量时间之内的短期稳定度将直接影响测量结果。通常，内的短期稳定度将直接影响测量结果。通常，要求标准频率误差小于测量误差要求标准频率误差小于测量误差的一个数量级的一个数量级。因此，内部晶振要求较高稳定性。因此，内部晶振要求较高稳定性。若不能满足测量要求，还可外若不能满足测量要求，还可外接更高准确度的外部基准源。接更高准确度的外部基准源。电子计数器的测量误差主要决定于电子计数器的测量误差主要决定于电子计数器的测量误差主要决定于电子计数器的测量误差主要决定于量化误差量化误差量化误差量化误差和和和和标准频率误差标准频率误
50、差标准频率误差标准频率误差第29页，本讲稿共42页4.5.2 4.5.2 频率测量的误差分析频率测量的误差分析1 1 1 1）误差表达式）误差表达式）误差表达式）误差表达式 由频率测量表达式：由频率测量表达式：由频率测量表达式：由频率测量表达式：f f f fx x x x=N/T=N/T=N/T=N/Ts s s s=Nf=Nf=Nf=Nfs s s s可知计数器直接测频可知计数器直接测频可知计数器直接测频可知计数器直接测频的误差主要由两项组成：即的误差主要由两项组成：即的误差主要由两项组成：即的误差主要由两项组成：即量化误差（量化误差（量化误差（量化误差（1111误差）误差）误差）误差）和