频率与时间测量

第6章频率与时间测量第6章6.1频率与时间测量的特点与方法6.2通用电子计数器6.3等精度时间/频率测量6.4EE3376型可程控通用计数器简介思考题6第6章频率与时间测量6.16.1.1与其他各种物理测量相比，频率与时间测量具有如下特点：（1）时频测量具有动态性质。（2）测量精度高。（3）测量范围广。（4）频率信息的传输和处理比较容易。第6章频率与时间测量6.1.2出现并得到过应用的测频方法与仪器主要有以下几种：（1）谐振法：利用LC回路的谐振特性进行测频(如谐振式波长表可测无源LC回路的固有谐振频率）,测频范围为0.5~1500MHz。（2）外差法：改变标准信号频率，使它与被测信号混合，取其差频，当差频为零时读取频率。这种外差式频率计可测高达3000MHz的微弱信号的频率，测频精确度为10-6左右。第6章频率与时间测量（3）示波法：在示波器上根据李沙育图形或信号波形的周期个数进行测频。这种方法的测量频率范围从音频到高频信号皆可。（4）电子计数器法：直接计数单位时间内被测信号的脉冲数，然后以数字形式显示频率值。这种方法测量精确度高、快速，适合不同频率、不同精确度测频的需要。第6章频率与时间测量6.1.3计数是电子计数器最基本的功能。因此，尽管电子计数器的种类很多，但其基本的工作原理可用图6.1所示的简化方框图加以说明。第6章频率与时间测量图6.1电子计数器简化方框图主门计数显示电路21TBTA第6章频率与时间测量当把周期为TA的脉冲信号由“1”端加入后，假设在闸门信号的上升沿主门打开，计数器对输入脉冲信号进行累加计数，在闸门信号的下降沿主门关闭，计数器停止计数，显然计数器所计之数NBABAABffTfTTN（6-1）第6章频率与时间测量6.2通用电子计数器6.2.1通用电子计数器的主要技术性能用于测频的通用电子计数器其主要技术性能包括：（1）测试性能：仪器所具备的测试功能，如测量频率、周期、频率比等。（2）测量范围：仪器的有效测量范围。在测频和测周期时，测量范围不同。测频时要指明频率的上限和下限；测周期时要指明周期的最大值和最小值。第6章频率与时间测量（3）输入特性：通用电子计数器一般由2~3个输入通道组成，需分别指出各个通道的特性，包括：输入耦合方式：有AC和DC两种耦合方式。在低频和脉冲信号计数时宜采用DC耦合方式。（4）测量准确度：常用测量误差来表示，主要由时基误差和计数误差决定，时基误差由内部晶体振荡器的稳定度确定。表6.1概括了以上三类振荡器的频率稳定度。第6章频率与时间测量表6.1振荡器的标准频率稳定度第6章频率与时间测量（5）闸门时间和时标：由机内时标信号源所能提供的时间标准信号决定。根据测频和测周期的范围不同，可提供的闸门时间和时标信号有多种供选择，如通常的0.01s、0.1s、1s、10s等。（6）显示及工作方式：包括显示位数、显示时间、显示方式等。显示位数：可显示的数字位数，如常见的8位。显示时间：两次测量之间显示结果的时间，一般是可调的。第6章频率与时间测量显示方式：有记忆和不记忆两种显示方式。记忆显示方式只显示最终计数的结果，不显示正在计数的过程。实际上显示的数字是刚结束的一次测量结果，显示的数字保留至下一次计数过程结束时再刷新。不记忆显示方式可显示正在计数的过程。但多数计数器没有这种显示方式。（7）输出：包括仪器可输出的时标信号种类、输出数据的编码方式及输出电平等。6.2.21.频率的测量实际上就是在单位时间内对被测信号的变化次数进行累加计数。其原理框图如图6.2所示。第6章频率与时间测量图6.2频率测量的原理框图A通道主门计数显示门控双稳时基选择分频器晶振T2fx1第6章频率与时间测量设开门时间为T，在时间T内，从主门通过的脉冲个数为N，则被测信号的频率fx用E312A型通用计数器测一输入频率fx=100000Hz的信号，显示电路所显示读数随闸门时间的不同而不同，见表6.2。BABAABffTfTTN（6-2）第6章频率与时间测量表6.2闸门时间与显示第6章频率与时间测量2.周期是频率的倒数，因此周期的测量和频率的测量正好相反。其原理框图如图6.3所示。第6章频率与时间测量图6.3周期测量的原理框图倍频器时标选择晶振分频器主门门控双稳计数显示闸门选择分频器B通道1ToTxTx2第6章频率与时间测量设被测信号的周期为Tx，时标信号的周期为To，在时间Tx内，有N个时标脉冲通过主门，则被测信号的周Tx=NTo（6-3）它实际上是多个被测周期的平均值，（6-4）nxNTT10第6章频率与时间测量3.时间间隔测量和周期的测量都是测量信号的时间，因此测量电路大体相同，所不同的是测量时间间隔需要B、C两个通道分别送出起始和停止信号去控制门控双稳电路以形成闸门信号，其工作原理如图6.4所示。第6章频率与时间测量图6.4时间间隔测量的原理框图倍频器时标选择主门计数显示To12门控双稳分频器晶振tB－CtBtCB通道C通道tBtCB信号C信号第6章频率与时间测量若计数器在主门打开时间内计得脉冲个数为N，则B和C两脉冲信号之间的时间间隔为tB-C=NTo（6-5）选取两个输入信号的上升沿或下降沿的某电平点作为时间间隔的始点和终点，这样就可以测量两个输入信号任意两点之间的时间间隔，如图6.5所示。NTtCB第6章频率与时间测量图6.5输入信号任意两点间的时间间隔测量示意图起始脉冲起始脉冲终止脉冲开门信号开门信号(50%)(50%)(50%)uB终止脉冲uC(a)uB(b)(50%)uC第6章频率与时间测量4.相位差测量通常是指两个同频率的信号之间的相位差的测量。相位差测量的主要方法有示波器法、比较器法、直读法等。利用电子计数器也可进行相位差的测量，它是时间间隔测量的一个应用。瞬时值数字相位差测量原理框图如图6.6所示，通过测量两个正弦波上两个相应点之间的时间间隔，可换算出它们之间的相位差。第6章频率与时间测量图6.6瞬时值数字相位差测量原理框图B通道C通道门控电路计数门计数显示时标信号置零u1u2u3u41u2u第6章频率与时间测量其工作波形如图6.7所示。第6章频率与时间测量图6.7瞬时值数字相位差测量工作波形u(t)Ou1u2Tx1uO2uOu3Ou4Ottttttt第6章频率与时间测量设被测信号周期为Tx，门控信号u3的宽度，亦即两个信号相位差Δφ对应的时间为tφ，式中，Ts为时标信号周期。由以上两式可得：sxNTtTt360（6-6360360sxxsffNTNT（6-7第6章频率与时间测量两次测量结果取平均值：再利用式（6-7）可得相位差。5.频率比fB/fA频率比是指两路信号源的频率的比值。其测量原理与频率、周期测量的原理类似，如图6.8所示。221ttt第6章频率与时间测量图6.8频率比测量原理框图A通道主门B通道门控信号fAfB计数TBTA译码显示第6章频率与时间测量6.累加计数是电子计数器最基本的功能，是指在一段较长时间内累加被测信号的脉冲个数，测量原理框图如图6.9所示。第6章频率与时间测量图6.9累加计数和计时的原理框图放大整形主门门控信号被测信号计数Tc译码显示开始停止Tx第6章频率与时间测量7.在使用电子计数器测量之前，应对电子计数器进行自校，一是检验电子计数器的逻辑关系是否正常，二是检验电子计数器能否准确地进行定量测量。自校的原理框图如图6.10所示。第6章频率与时间测量图6.10电子计数器的自校原理框图晶体振荡倍频电路时标选择主门Tc计数译码显示门控信号时基选择分频电路Ts第6章频率与时间测量6.2.3通用电子计数器一般由六大部分组成，如图6.11所第6章频率与时间测量图6.11通用电子计数器的基本组成框图A通道控制电路B通道主门倍频器计数器显示器晶振时标选择分频器闸门选择分频器电源S3514126第6章频率与时间测量1.通用计数器的输入电路一般包含A、B、C三个输入通道（图6.11中只画出A、B两个通道，因此在测量时间间隔时需配时间间隔测量插件——通道C），其中A为主通道，频带较宽；B、C主要在测量周期、频率比以及时间间隔时使用，称为辅助通道。三个输入通道都由放大器、衰减器及整形电路等组成。2.计数器由触发器构成,对来自主门的脉冲信号进行计数。在数字仪表中，最常用的是按8421码进行编码的十进制计数器。计数器的最高工作频率决定了仪器的最高测量频率。目前计数器都已集成化，在使用时可当做一个逻辑部件使用。第6章频率与时间测量3.显示部分将累计的结果以十进制数字的形式显示出来。它包括译码和显示电路。电子计数器以数字方式显示出被测量，目前常用的有LED显示器和LCD显示器。LED为数码显示，其优点是工作电压低，能与COMS/TTL电路兼容，发光亮度高，响应快，寿命长。LCD为液晶显示，其突出优点是供电电压低和微功耗，它是各类显示器中功耗最低的。同时，LCD制造工艺简单，体积小而薄，特别适用于小型数字仪表。特别是近年来图形点阵LCD的大量应用，为仪器带来了更加丰富、直观、智能的操作界面。第6章频率与时间测量4.时间基准电路包括晶体振荡器、分频器、倍频器以及时基选择电路。5.控制电路一般由双稳电路、单稳电路等构成，它包括门控电路，工作方式选择电路，记忆、显示时间和复原控制电路等。第6章频率与时间测量控制电路的作用是产生各种指令信号，如闸门脉冲、闭锁脉冲、显示脉冲、复零脉冲、记忆脉冲等，控制和协调各单元电路的工作，使整机按一定的工作程序完成测量任务。6.这部分电路包括整机电源电路、晶体振荡器和恒温槽电源电路。第6章频率与时间测量6.2.41.1）如图6.12所示，虽然闸门开启时间都为T，但因为闸门开启时刻不一样，计数值一个为9，另一个却为8，两个计数值相差1。第6章频率与时间测量图6.12量化误差的形成计数脉冲闸门开启时间T脉冲数N＝9闸门开启时间T脉冲数N＝8第6章频率与时间测量量化误差的相对误差为（6-82）触发误差施密特电路输出规则的矩形波，如图6.13（a）所示。%1001%1001%100xCNTfNNN第6章频率与时间测量图6.13噪声和干扰产生的触发误差(a)(b)(c)E1E2第6章频率与时间测量3）标准频率误差电子计数器在测量频率和时间时是以晶振产生的各种时标信号作为基准的。显然，如果时标信号不稳定，则会产生测量误差，这种误差称为标准频率误差。2.1）通过前面的介绍，测频量化误差可用下式表示：%1001%1001%100sNNTfNNN（6-9）第6章频率与时间测量2）测周误差包括测周量化误差和触发误差。(1)测周量化误差。参照图6.3，以及对测频量化误差的分析，测周量%1001%1001%100xCxTfNNNTT（6-10）第6章频率与时间测量(2)测周触发误差。因为一般门电路采用过零触发，可以证明触发误差可按下式近似表示：3）忽略随机误差，根据中界频率的定义，可得到中界频率的计算公式：（6-12）mMTTxn21（6-11）ScTmff0第6章频率与时间测量例如，用电子计数器测量fx=2kHz信号的频率，分别采用测频（闸门时间为1s）和测周（晶振频率fc=10MHz）两种测量方法，由于量化误差所引起的相对误差如下：测频时，量化误差为测周时，43105110211sxTfNN473102101021xcxxTfTT第6章频率与时间测量4）除采取以上措施外，测量时还应注意以下事项：(1)每次测试前应先对仪器进行自校检查，当显示正常时再进行测试。(2)当被测信号的信噪比较差时，应降低输入通道的增益或加低通滤波器。(3)为保证机内晶体稳定，应避免温度有大的波动和机械振动，避免强的工业磁电干扰，仪器的接地应良好。kHzTmffsc16.311070第6章频率与时间测量6.3等精度时间/6.3.1等精度测量原理图6.14示出了等精度测量原理。测量时，仪器先产生闸门预备信号，由