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1、第5章 频率时间测量5.1 概概 述述5.2 电子计数法测量频率电子计数法测量频率5.3 电子计数法测量周期电子计数法测量周期5.4 电子计数法测量时间间电子计数法测量时间间隔隔5.5 典型通用电子计数器典型通用电子计数器5.6 其他测量频率的方法其他测量频率的方法v内容提要：内容提要：介绍时间和频率测量的基本方法。重点介绍电子计数器的电路组成、工作原理及电子计数器测量频率、周期、时间间隔方法，并对测量的误差进行分析，提出减小误差的方法，同时扼要介绍一些其他测频方法。v重点：重点：电子计数器测频测频、测周测周、测量时间间隔测量时间间隔的方法。v难点：难点：电子计数器测频、测周的误差分析；提高测
2、量准确度的方法。多功能计数器函数发生器/计数器频率计5.1 概述v目前，在电子测量中，时间和频率的测量精确度是最高的。v在检测技术中，常常将一些非电量或其它电参量转换成频率进行测量。1、时间、频率的基本概念 1）时间和频率的定义时间有两个含义：“时刻”：即某个事件何时发生；“时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。频率的定义：周期信号在单位时间（1s）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化了N次，则频率可表达为：fN/Tv周期性现象，是指经过一段相等的时间隔又出现相同状态的现象，在数学上可用一个周期函数来表示所谓周期性现象。v v式中 f 频率，用赫兹（HZ）表
3、示；n正整数，相同的现象重复出现的次数；T周期过程的周期时间。v正弦波是一种典型常见的周期性信号，可表示为v对一个周期现象来说，周期和频率都是描述它的重要参数。周期与频率互为倒数关系，只要测出其中一个，便可取倒数而求得另一个。v式中 f 频率，用赫兹（HZ）表示；T周期过程的周期时间。2)时频测量的特点最常见和最重要的测量时间是7个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。测量准确度高时间频率基准具有最高准确度（可达10-14），校准（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。因此，许多物理量的
4、测量都转换为时频测量。自动化程度高测量速度快3）测量方法概述频率的测量方法可以分为：v（1）直接法 指直接利用电路的某种频率响应特性来测量频率的方法。电桥法和谐振法是这类测量方法的典型代表。v（2）比对法 是利用标准频率与被测频率进行比较来测量频率。其测量准确度主要取决于标准频率的准确度。拍频法、外差法及计数器测频法是这类测量方法的典型代表。v各种测量方法有着不同的实现原理，其复杂程度不同。v各种测量方法有着不同的测量准确度和适用的频率范围。v数字化电子计数器法是时间、频率测量的主要方法，是本章的重点。电子计数器面板及控键示意图v（1）功能选择）功能选择 有6个键，完成计数、测量频率、测量周期
5、、测量时间间隔、测量频率比和自校功能。v（2）时间选择）时间选择 测量频率时，用于选择闸门时间；测量周期时，用于选择周期倍乘。v（3）输入通道）输入通道 具有A、B和C三个通道，其中A、B通道可对输入信号进行衰减。v（4）触发选择）触发选择 用于选择触发方式。置“+”时，为上升沿触发；置“-”时，为下降沿触发。v（5）触发电平）触发电平 可连续调节触发电平。v（6）数码显示器）数码显示器 用于测量值显示，小数点自动定位。5.2 电子计数法测量频率一、原理：计数器严格按照 的定义实现频率测量。根据上式的频率定义，T为采样时间，N为T内的周期数。采样时间T预先由闸门时间Ts确定（时基频率为fs）。
6、则或 该式表明，在数字化频率测量中，可用计数值N表示fx。它体现了数字化频率测量的比较法测量原理。v计数式频率计测频的框图。它主要由下列三部分组成。放大整形主门(与门)计数译码器显示器控制(逻辑)晶振分频整形门控(双稳态电路)Ux(fx)闸门时间脉冲计数脉冲1、时间基准时间基准T 产生电路产生电路，提供准确的计数时间，提供准确的计数时间T.2、计数脉冲形成电路，将被测的周期信号转换成可计数、计数脉冲形成电路，将被测的周期信号转换成可计数的窄脉冲的窄脉冲3、计数显示电路计数显示电路，计数被测信号重复的次数，并显示它，计数被测信号重复的次数，并显示它的频率的频率v（1）输入单元电路 由放大、整形电
7、路构成，它将输入频率为fx的被测周期性信号放大、整形，变换成计数器能接受的计数脉冲信号，并加到闸门电路输入端。v（2）时基Ts产生电路 包括石英晶体振荡器、分频器及时基选择电路。用于产生准确的时间间隔Ts。v（3）主门电路 通常由一个与门（或一个或门）构成。它进行时间或频率的量化比较，完成时间或频率的数字转换。v（4）计数显示电路 包括多级十进制计数器、寄存器、译码器和数字显示器等。它对主门输出的脉冲个数进行计数，再用数字显示出来。v（5）逻辑控制电路 包括门电路和触发器组成的时序逻辑电路。它产生各种控制信号，如寄存、显示、复位信号等，控制整机各单元电路的工作，使整机按一定的工作程序完成测量任
8、务。v电子计数器的测频原理实质是：以比较法为基础，将被测信号的频率fx和已知的时基信号频率fs相比，将相比的结果以数字的形式显示出来。频率测量相对误差由计数器累计脉冲数相对误差和标准时间相对误差两部分组成。二、测频方法的误差分析二、测频方法的误差分析1）量化误差什么是量化误差：由前述频率测量fx=N/Ts=Nfs和周期测量Tx=NT0，可见，由于计数值N为整数，fx和Tx必然产生“截断误差”，该误差即为“量化误差”。也称为“1误差”，它是所有数字化仪器都存在的误差。产生原因：量化误差并非由于计数值N的不准确（也并非标准频率源fs或时标T0的不准确）造成。而是由于闸门开启和关闭的时间与被测信号不
9、同步引起（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时间零头没有被计算在内而造成的测量误差。下图为频率测量时量化误差的示意图。求N（计数误差）求T(闸门时间误差）依依电路电路，闸门信号，闸门信号T 是由晶振分频而得，设晶振频率是由晶振分频而得，设晶振频率为为fc(周期为周期为Tc),分频系数为分频系数为m(即周期倍乘即周期倍乘m)，则有，则有表明：闸门时间相对误差在数值上等于晶振频率的相表明：闸门时间相对误差在数值上等于晶振频率的相对误差。对误差。计数式测频的误差综合频率最大相对误差应为：提高测量准确度的措施：1、提高晶振准确度及稳定度2、扩大闸门时间（
10、即扩大分频系数）3、将被测信号进行倍频（n倍），但有其局限 2)量化误差的影响从频率测量的误差表达式：可知，量化误差为它是频率测量的主要误差（标准频率误差可忽略）。为减小量化误差，需增大计数值N：增大闸门时间Ts或在相同的闸门时间内测量较高的频率可得到较大的N。但需注意：增大闸门时间将降低测量速度，并且计数值的增加不应超过计数器的计数容量，否则将产生溢出（高位无法显示）。例如：一个6位的计数器，最大显示为999999，当用Ts=10s的闸门测量fx=1MHz时,应显示“1000000.0”Hz或1.0000000”MHz,显然溢出。3）实例分析例 被测频率fx1MHz，选择闸门时间Ts1s，则
11、由1误差产生的测频误差(不考虑标准频率误差)为：若Ts增加为10s，则计数值增加10倍，相应的测频误差也降低10倍，为1107，但测量时间将延长10倍。注意：该例中，当选择闸门时间Ts1s时，要求标准频率误差优于1107（即比量化误差高一个数量级），否则，标准频率误差在总测量误差中不能忽略。三、测量频率范围的扩大三、测量频率范围的扩大外差法扩大频率测量范围的基本原理：整形整形放大放大主门主门(与门与门)计数计数(能力fA)译码器译码器显示显示控制控制晶振晶振分频整分频整形形门控门控 fx混混频频倍频倍频*fcmfc fA=fx-mfc mfc+fA1测量周期的基本原理测量周期的基本原理v电子计
12、数器测周的基本原理与测频类似，也是一种比较测量方法。用被测信号控制主门的开门，用标准时标脉冲进行计数的。v整机电路包括输入整形电路、时标、时基产生电路、主门电路、计数显示及逻辑控制电路等。v电子计数器测量周期的原理如图所示。5.3 电子计数法测量周期放大整形主门(与门)计数译码器显示器控制(逻辑)晶振倍频倍频 整形整形门控(双稳态电路)Ux(fx)TcTx被测信号（周期被测信号（周期Tx）用作闸门脉冲。已知周期的）用作闸门脉冲。已知周期的Tc 脉脉冲作为计数脉冲。冲作为计数脉冲。TxN Tc 2测周方法的误差分析测周方法的误差分析v（1）公式误差测量周期的相对误差为措施：1、增大 fc，但受计
13、数能力限制2、周期倍乘：即把闸门时间 Tx 扩大 m 倍（降频），受显示位数的限制以上为由公式推导得到的误差，其实还有一项：以上为由公式推导得到的误差，其实还有一项：触发误差触发误差，即被测信，即被测信号来产生闸门脉冲所引入的误差。号来产生闸门脉冲所引入的误差。（2）触发误差什么是触发误差：输入信号都需经过通道电路放大、整形等，得到脉冲信号，即输入信号(转换为)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，若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”，也称为“转换误差”。被测信号产生闸门脉冲的误差分
14、析（触发误差）T1T2TxUn 触发误差的推导K（3）计数法测量周期、频率的总误差比较共三项，式中共三项，式中k 为被测信号为被测信号“周期倍乘周期倍乘”数。数。共两项，式中共两项，式中n 为被测信号为被测信号“倍频倍频”数。数。由此可见：测高频信号时直接测频率，测低频信号时先测周由此可见：测高频信号时直接测频率，测低频信号时先测周期，再换算为频率。期，再换算为频率。三、中介频率v定义：对某信号使用测周期法和测频率法，两者引起的误差相等时，则该信号的频率即为中介频率，记为 f0 式中式中 k 为被测信号的为被测信号的“周期倍乘周期倍乘”数，数，n 为被测信号的为被测信号的“倍频倍频”数，数，T
15、 为直接测频时选用的闸门时间为直接测频时选用的闸门时间,(仪器一般标出以上可选参数，作为已知值。仪器一般标出以上可选参数，作为已知值。)被测信号频率高于中介频率时采用测频法，反之用测周期法被测信号频率高于中介频率时采用测频法，反之用测周期法v例 某电子计数器，若可取的最大的T、f0值分别为10s、100MHz，并取k=104，n=102，试确定该仪器可以选择的中界频率f0。解：将题目中的条件代入式()得所以本仪器可选择的中界频率 。电子计数法测量时间间隔其原理显然应与测周期的原理相仿其原理显然应与测周期的原理相仿:倍乘倍乘/触发触发门电路门电路(斜率、电平斜率、电平)门电路门电路(斜率、电平斜
16、率、电平)倍乘倍乘/触发触发时间时间闸门闸门时标时标脉冲脉冲计数计数显示显示AB KtgU1U2U3tgtgU2U1时标时标脉冲脉冲被测信号被测信号用作门控脉冲用作门控脉冲测量时间间隔误差分析电子计数器测量时间间隔的误差与测周期时类类似，主要电子计数器测量时间间隔的误差与测周期时类类似，主要由量化误差、触发误差、标准频率误差三部分构成；但它不能由量化误差、触发误差、标准频率误差三部分构成；但它不能象测周期那样将被测时间象测周期那样将被测时间Tx 放大放大K 倍来减少量化误差。倍来减少量化误差。如何提高测量准确度？如何提高测量准确度？实际应用中的其他的方法：数字游标法、内插法、平均测实际应用中的
17、其他的方法：数字游标法、内插法、平均测量技术量技术v电子计数器测频率、周期、时间间隔的原理是相似的，所用主要部件也相同。因此，一般做成通用仪器，称为“通用计数器”或“电子计数式频率计”，可以用来测待测信号的频率、周期、时间间隔脉冲宽度、频率比等5.5 典型通用电子计数器例 一、E一312型电子计数式频率计的主要技术指标 晶振频率：1MHz，频率精确度为210-7；测量频率范围：10Hz10MHz；闸门时间：1ms、10ms、0.1s、1s、10s五档；测量周期范围 时基频率周期：周期倍乘：1、10、102、103、104五档；显示：七位数字显示。v二、E-312型电子计数式频率计的原理框图v三
18、、应用E一312进行测量 1测量频率v2测量周期其他测量频率的方法1一、直读法测频：一、直读法测频：1、电桥法测频（使电桥平衡）、电桥法测频（使电桥平衡）PAR3R1R2R4C1C2其他测量频率的方法2A一、直读法测频：一、直读法测频：2、谐振法测频（使电路谐振）、谐振法测频（使电路谐振）回路谐振时，其等效阻抗为纯电阻。回路谐振时，其等效阻抗为纯电阻。对串联回路，此时的对串联回路，此时的R最小；最小；对并联回路，此时的对并联回路，此时的R最大。最大。其他测量频率的方法33、频率电压转换法测频。如何将频率转换为电压，然后进行测量？UxtttUAUBUoUm其他测量频率的方法3一、比较法测频1、拍
19、频法测频拍频法测频误差分析：F为振幅变化频率，显然F与振幅变化次数n以及相应时间t 有关，即Fn/t绝对误差一般为零点几赫兹。增加n（相应t 也大），选用高稳定度频标其他测量频率的方法4一、比较法测频2、差频法测频分析：当调节本振时，总有一些n，m使得：nfL-mfx=0故有：fx=nfL/m，但往往有多组n，m；故较难确定，需配以粗测设备；其主要误差来源有三种P165。l为了有效减少测量误差，可采用改进的差频法测频，为了有效减少测量误差，可采用改进的差频法测频，如差频法与如差频法与拍频法相结合，得到双重差拍法；或者差频法与电子计数法结合拍频法相结合，得到双重差拍法；或者差频法与电子计数法结合
20、实用差频测量误差优于实用差频测量误差优于105 量级。量级。混频fxfL滤波LPF零差指示fx，fL，nfL，mfx，nfLmfx调节其他测量频率的方法5（示波器法）李沙育图形法测频v一般用于测量从音频到几十兆赫范围的频率，同时要求被测频率与已知频率（一般接X通道）有较高的稳定度，且两者之比在（0.110）之间。n将频率比转换为交点比，垂直通道交于水平X轴，水平通道交于Y轴。v（例子）用计数式频率计测量fx200Hz的信号频率，采用测频率(选闸门时间为 1s)和测周期(选晶振周期Tc=0.1 s)两种测量方法。试比较这两种方法由于“1误差”所引起的相对误差，并讨论所得结果。第一次：第一次：5.55.7第二次：第二次：5.85.第五章作业第五章作业：