電子測量與技術第四章 F T 測量

1、第四章第四章 頻率與時間的測量頻率與時間的測量 一、概述一、概述 二、電子計數(shù)器的基本原理二、電子計數(shù)器的基本原理 三、測量誤差分析三、測量誤差分析 四、標準計數(shù)器的使用四、標準計數(shù)器的使用 五、標準頻率源的測量五、標準頻率源的測量一、概述一、概述頻率或時間的原始基準頻率或時間的原始基準1、采用天文觀測方法，將一天分為、采用天文觀測方法，將一天分為606024 得到的秒，經(jīng)過校正，其穩(wěn)定度為得到的秒，經(jīng)過校正，其穩(wěn)定度為8103 2、以、以1900回歸年的回歸年的1556925.9747分之一作為分之一作為歷書時的秒，其準確度可達歷書時的秒，其準確度可達9101 3、引進微觀計時標準，采用銫、

2、引進微觀計時標準，采用銫133（Cs133）原子）原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應的基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應的9192631770個周期的持續(xù)時間為一秒，其準確個周期的持續(xù)時間為一秒，其準確度可達度可達10-13 。第四章第四章 頻率與時間的測量頻率與時間的測量在電子技術領域內(nèi)，頻率的測量精確度在電子技術領域內(nèi)，頻率的測量精確度是最高的。是最高的。頻率是一個最基本的參數(shù)，與其他電參頻率是一個最基本的參數(shù)，與其他電參量的測量方案、測量結果有密切的關系。量的測量方案、測量結果有密切的關系。用電子計數(shù)器測量頻率精確度高、使用方便用電子計數(shù)器測量頻率精確度高、使用方便測量迅速、便于實現(xiàn)

3、測量過程自動化。測量迅速、便于實現(xiàn)測量過程自動化。第四章第四章 頻率與時間的測量頻率與時間的測量電子計數(shù)器一般具有測量頻率和測量周期電子計數(shù)器一般具有測量頻率和測量周期等兩種以上測量功能。等兩種以上測量功能。二、電子計數(shù)器基本原理二、電子計數(shù)器基本原理計數(shù)器計數(shù)器控制信號控制信號被測信號被測信號基準信號基準信號（時標信號）（時標信號）閘門時間信號閘門時間信號被測信號被測信號手控開關信號手控開關信號遙控開關信號遙控開關信號計數(shù)信號計數(shù)信號 f1主門主門f2N=f1/f2 =f1*T2組合為七種功能：組合為七種功能：1、頻率測量、頻率測量2、周期測量、周期測量3、頻率比測量、頻率比測量4、自校功能

4、、自校功能5、時間間隔測量、時間間隔測量分為內(nèi)控、外控分為內(nèi)控、外控6、計時、計時7、計數(shù)、計數(shù)機內(nèi)晶振頻率機內(nèi)晶振頻率達到測量的要達到測量的要求時求時當機內(nèi)晶振精當機內(nèi)晶振精度達不到要求度達不到要求時應外接晶振時應外接晶振輸入單元輸入單元主門主門十進電子計數(shù)器十進電子計數(shù)器門控門控電路電路邏輯邏輯控制單元控制單元A通道通道A通道通道fx時標信號時標信號石英石英振蕩器振蕩器110110110分頻器分頻器脈沖放大脈沖放大110110110110閘門時間閘門時間1KHz從上圖可知，頻率計數(shù)器由以下幾部分組成：從上圖可知，頻率計數(shù)器由以下幾部分組成：1、輸入單元：作用是將被測信號形成可以計數(shù)的方波、

5、輸入單元：作用是將被測信號形成可以計數(shù)的方波如圖如圖2、 十進電子計數(shù)器：是一個二十進電子計數(shù)器：是一個二-十進計數(shù)器十進計數(shù)器3、時基信號產(chǎn)生與變換單元：通過、時基信號產(chǎn)生與變換單元：通過閘門時間閘門時間選擇選擇開關開關S1選出時標信號，加到門控電路，形成不同的顯示。選出時標信號，加到門控電路，形成不同的顯示。例如：例如：時標信號時標信號閘門時間閘門時間顯示顯示被測頻率為被測頻率為100000Hz1s1s100. 000kHz0.1s0.1s100. 00kHz輸入單元輸入單元主門主門十進電子計數(shù)器十進電子計數(shù)器門控門控電路電路邏輯邏輯控制單元控制單元A通道通道A通道通道fx時標信號時標信號

6、石英石英振蕩器振蕩器110110110分頻器分頻器脈沖放大脈沖放大110110110110閘門時間閘門時間1KHz繼續(xù)繼續(xù)4、邏輯控制單元：用來控制計數(shù)器的工作程序、邏輯控制單元：用來控制計數(shù)器的工作程序準備準備 計數(shù)計數(shù) 顯示顯示 復零復零 準備下一次測量準備下一次測量第四章第四章 頻率與時間的測量頻率與時間的測量電子計數(shù)器測量周期方法電子計數(shù)器測量周期方法引入目的引入目的：當被測頻率較低時，計數(shù)器直接測頻，：當被測頻率較低時，計數(shù)器直接測頻， 由由 1誤差引起的測頻誤差將會太大，所誤差引起的測頻誤差將會太大，所 以引入計數(shù)器測周方法。以引入計數(shù)器測周方法?；驹砘驹恚河杀粶y信號控制主

7、門開門，用時標脈沖由被測信號控制主門開門，用時標脈沖進行計數(shù)，屬于比較測量方法。進行計數(shù)，屬于比較測量方法。此原理與測頻的基本原理剛好相反。此原理與測頻的基本原理剛好相反。第四章第四章 頻率與時間的測量頻率與時間的測量測量周期的原理方框圖：測量周期的原理方框圖：石英石英振蕩器振蕩器K1主門主門十進計數(shù)器十進計數(shù)器1MHzTs脈沖脈沖形成電路形成電路門控門控電路電路門控信號門控信號TxB通道通道B輸入輸入Tx被測信號被測信號Tx時間間隔的測量時間間隔的測量信號波形上兩個點之間的時間間隔的測量。信號波形上兩個點之間的時間間隔的測量。分為分為：周期測量和同一信號波形上兩個不同點之間：周期測量和同一信

8、號波形上兩個不同點之間 的時間間隔的測量。的時間間隔的測量。基本模式基本模式：設置兩個獨立的通道，分別設置觸發(fā)電平設置兩個獨立的通道，分別設置觸發(fā)電平和觸發(fā)極性；一個作為起始通道開通主門和觸發(fā)極性；一個作為起始通道開通主門一個是終止信號通道用來關閉主門。一個是終止信號通道用來關閉主門。第四章第四章 頻率與時間的測量頻率與時間的測量時間間隔測量原理框圖：時間間隔測量原理框圖：觸發(fā)器觸發(fā)器觸發(fā)器觸發(fā)器起始起始觸發(fā)器觸發(fā)器終止終止觸發(fā)器觸發(fā)器1MHz石英石英振蕩器振蕩器門控門控電路電路主門主門時基分頻器時基分頻器十進計數(shù)器十進計數(shù)器輸入輸入B輸入C觸發(fā)沿選擇觸發(fā)沿選擇1 s 10 s 10s+S時間

9、間隔測量模式工作波形圖：時間間隔測量模式工作波形圖：輸入輸入B起始起始輸入輸入C終止終止門控信號門控信號時標時標被計時標數(shù)被計時標數(shù) 三、測量誤差分析三、測量誤差分析介紹誤差分析的思路：介紹誤差分析的思路：誤差傳遞公式誤差傳遞公式函數(shù)的表達式函數(shù)的表達式（一）、測頻模式時的誤差（一）、測頻模式時的誤差1誤差誤差標準頻率誤差標準頻率誤差固有誤差固有誤差TNf TTNNffxx 誤差傳遞公式誤差傳遞公式jmjjxxfy 11誤差誤差標準頻率標準頻率誤差誤差1、測量原理、測量原理2、誤差分析：、誤差分析：多一個或少一個脈沖另相對誤差由兩部分組成1N ccxxffNNffccxxxcccccxfdfN

10、dNfdffNdfdNfdfffNTNf得同時除以兩邊同時求偏差：為標準頻率源x 1誤差：誤差： ttx tt0TxN Tx0 tTxab t對于對于 a圖，計得圖，計得5個數(shù)個數(shù);對于對于 b圖，當圖，當 t趨向趨向0時，有兩種可能的計數(shù)結果：時，有兩種可能的計數(shù)結果：1、當?shù)谝粋€脈沖和第六個脈沖都能通過主門，則可、當?shù)谝粋€脈沖和第六個脈沖都能通過主門，則可計得計得6個數(shù)。個數(shù)。第四章第四章 頻率與時間的測量頻率與時間的測量2、當?shù)谝粋€和第六個脈沖都沒有通過主門，則可計、當?shù)谝粋€和第六個脈沖都沒有通過主門，則可計得得4個數(shù)。個數(shù)。所以，最大誤差總是所以，最大誤差總是1個計數(shù)單位，故稱為個計數(shù)

11、單位，故稱為“1誤差誤差”。xTfNNN11 標準頻率誤差：標準頻率誤差：決定于由石英振蕩器提供的標準頻率的準確度。決定于由石英振蕩器提供的標準頻率的準確度。第四章第四章 頻率與時間的測量頻率與時間的測量表達式：表達式：)1(ccxxxffTfff 測頻模式時的測頻模式時的總誤差總誤差可采用可采用分項誤差絕對值合成分項誤差絕對值合成，表達式如下：表達式如下：第四章第四章 頻率與時間的測量頻率與時間的測量被測頻率越低，誤差越大；被測頻率越低，誤差越大；閘門時間越大，誤差越小。閘門時間越大，誤差越小。結論：結論：測量總誤差不可能優(yōu)于標準頻率誤差測量總誤差不可能優(yōu)于標準頻率誤差（二）、測周模式時的誤

12、差（二）、測周模式時的誤差 量化誤差（量化誤差（1誤差）誤差）標準頻率誤差標準頻率誤差轉換誤差（觸發(fā)誤差）轉換誤差（觸發(fā)誤差）ssxxTTNNTT csxfNTNT/ccncXcccXccXXccxxcccxfffTKfffTffNTTfdfNdNTdTfNdfdNfdT10112石英石英振蕩器振蕩器K1主門主門十進計數(shù)器十進計數(shù)器1MHzTs脈沖脈沖形成電路形成電路門控門控電路電路門控信號門控信號TxB通道通道B輸入輸入Tx如上圖所示，如上圖所示，kfTkTTTTNkTTncxcnxsnxcs101010,1 N一般情況下，周期測量法多采用多周期測量可以減少一般情況下，周期測量法多采用多周期

13、測量可以減少轉換誤差對測周的影響。轉換誤差對測周的影響。那么，什么是轉換誤差呢？那么，什么是轉換誤差呢？當被測信號受干擾時可能會提前觸發(fā)門控信號，當被測信號受干擾時可能會提前觸發(fā)門控信號，造成誤差，稱為造成誤差，稱為轉換誤差轉換誤差或或觸發(fā)誤差觸發(fā)誤差。mnxnVVTT 21干擾或噪聲的幅度干擾或噪聲的幅度信號的振幅信號的振幅電網(wǎng)電源在逆變器開關時有很多毛刺，使門控信號由電網(wǎng)電源在逆變器開關時有很多毛刺，使門控信號由T-T產(chǎn)生產(chǎn)生T1、 T2誤差，稱為轉換誤差。誤差，稱為轉換誤差。近似分析：近似分析：a,b為比較點正弦波切線，為比較點正弦波切線，Vn為噪聲幅度為噪聲幅度mnmn2221x1Xm

14、V21V222T20VVTTTTVVTTVVVVTtgvTVtgvvvXmnxmnmnXnmBB轉換誤差：因為是隨機誤差同理：信號電壓噪聲電壓遠小于或取一般加屏蔽合理接地可以降低加屏蔽合理接地可以降低Vn。22x112sin1cossinmBmxBxmxxmxxmBxxnvvVTtVtVtgtVVvvdtdvtgtgVT設表達式：表達式： ccmnncxnxxffVVfTkTT 102110在考慮了以上三項誤差的情況下，采用多周期測量在考慮了以上三項誤差的情況下，采用多周期測量的方法，其合成誤差如下式所示：的方法，其合成誤差如下式所示：結論：結論：1、測周誤差主要有：量化誤差、轉換誤差、測周誤

15、差主要有：量化誤差、轉換誤差、標準頻率誤差。標準頻率誤差。2、采用多周期測量可提高測量準確度。、采用多周期測量可提高測量準確度。3、選用小時標（小、選用小時標（小k）可提高測周分辨力。）可提高測周分辨力。4、測量過程中應盡可能提高信噪比。、測量過程中應盡可能提高信噪比。四、標準計數(shù)器的使用：四、標準計數(shù)器的使用：1、工作特性：、工作特性：輸入特性輸入特性 計數(shù)頻率計數(shù)頻率 標準頻率源標準頻率源 顯示位數(shù)顯示位數(shù) 顯示方式顯示方式 記憶能力記憶能力2、正確使用：、正確使用：（1）、晶振預熱：只有在恒定溫度條件下工作，才能達）、晶振預熱：只有在恒定溫度條件下工作，才能達到指標內(nèi)的準確度和穩(wěn)定度。一

16、般預熱兩小時以上。到指標內(nèi)的準確度和穩(wěn)定度。一般預熱兩小時以上。 （2）、標準頻率的選擇：）、標準頻率的選擇： 作為基準的標準頻率的準確度比被測頻率至少要高作為基準的標準頻率的準確度比被測頻率至少要高一個數(shù)量級。一個數(shù)量級。 如果內(nèi)部晶振量級不夠，可外接標準頻率源。如果內(nèi)部晶振量級不夠，可外接標準頻率源。測量（比對）設備即電子計數(shù)器的測量準確度（主要測量（比對）設備即電子計數(shù)器的測量準確度（主要指指1誤差）至少比被測頻率準確度高三倍。誤差）至少比被測頻率準確度高三倍。（3）、閘門時間的選擇：）、閘門時間的選擇：正確選擇閘門、時標可把量化誤差降為最小。正確選擇閘門、時標可把量化誤差降為最小。（4

17、）、關于輸入信號：）、關于輸入信號：測量時被測信號的幅度應足夠大，以保證有關電路測量時被測信號的幅度應足夠大，以保證有關電路的正常工作，否則會導致讀數(shù)不穩(wěn)定。的正常工作，否則會導致讀數(shù)不穩(wěn)定。（5）、關于自校）、關于自校在進行各種測量前應進行自校。在進行各種測量前應進行自校。本章內(nèi)容及要求本章內(nèi)容及要求1、掌握利用電子計數(shù)器實現(xiàn)頻率、周期、頻率比、內(nèi)、掌握利用電子計數(shù)器實現(xiàn)頻率、周期、頻率比、內(nèi)控（外控）時間間隔測量及自校功能的基本原理；控（外控）時間間隔測量及自校功能的基本原理；2、掌握電子計數(shù)器測頻測周模式時的誤差分析；、掌握電子計數(shù)器測頻測周模式時的誤差分析； 表達式：表達式：)1(ccxxxffTfff ccmnncxnxxffVVfTkTT 1021103、了解電子計數(shù)器的工作特性及正確使用；、了解電子計數(shù)器的工作特性及正確使用；4、了解標準頻率源的測量。、了解標準頻率源的測量。工作特性：工作特性