電子測量：第三章 頻率測量

1、 第三章 頻率測量3.1 概述 :頻率與電壓一樣，是最基本參數，精度最高， 的量級； 時間的倒數，與之同等精度。 定義：頻率是指周期性信號在單位時間(秒)內變化的次數。 一、標準頻率源： 1、原子頻標：據量子理論，原子和分子只能處于一定能級， 分子能量不能連續(xù)變化，只能躍遷，其時以電磁波的形式輻射 或吸收能量，其頻率極為穩(wěn)定。如銫原子鐘精度達 氫原子鐘短期穩(wěn)定度 ，離子阱頻標更高一數量級。 2、陜西天文臺氫、銣原子鐘，誤差三萬年正負一秒。 3、波段劃分：30khz、10倍頻程，低、中、高、甚高、- 4、本課程：100khz為界分高、低頻。1 5、對頻率源的主要要求: 準、穩(wěn)(1)頻率準確度(2

2、)頻率穩(wěn)定度：指在一定時間間隔內頻率準確度的變化。即頻率 的不穩(wěn)定度。 A、長期穩(wěn)定度：按年或月范圍內的頻率變化。 變化率：一定時間間隔內頻率的平均相對漂移。B、短期穩(wěn)定度：日或小時范圍內頻率值最大變化(日波動) C、瞬時穩(wěn)定度：秒或毫秒范圍內頻率波動。2二、常用的頻率測量方法(1)、電子計數法適于全頻帶精確測頻，直接用數字顯示結果。(2)、諧振法適于測量1500MHz以下的頻率。(3)、外差法可測量3000MHz的微弱信號。(4)、示波法用李沙育圖形法測量頻率比。3.2電子計數器測頻率電子計數器是一種多功能的測量儀器：測周、測頻、測相差、計時一、電子計數器的測頻原理 一定時間間隔內測得某周期

3、性信號的重復變化次數。 若T=1s, 則f=N(hz)345原理框圖閘 門計 數 器 若T1S, 若計得N100,000個數，則 =100.000Hz。顯示單位為“ KHZ”，則顯示100.000KHz。 若T0.1s，計數值N為10,000，則 =10,000 10=100.000Hz 顯示為100.00KHz。 區(qū)別：記數周期不同，小數點向右移動一位。（誤差將不同）據f定義：周期性信號在單位時間內變化的次數6放 大 整形 電 路閘門十 進 制計 數 器顯示器晶振分頻器門控電路邏 輯 控制 電 路A輸入工作波形：放大整形電路：二 極 管 限 幅寬 帶 放大器整 形施密特觸發(fā)器至主門T工作過程

4、：寄存7二、測頻誤差：包括量化誤差和標準頻率源誤差根據誤差傳遞公式：若 附近各階偏導數存在，將y用泰勒級數展開舍棄高階小量則總合絕對誤差：上式即絕對誤差傳遞公式，而 為誤差傳遞系數分項誤差8將上式兩邊除以y=f(x1-),則相對誤差的表達式此式即相對誤差表達式 ，是誤差理論的基本公式。積函數的合成誤差 ：設Y=A*B, A與B的誤差為A與B,則 上式說明：積函數的總相對誤差等于各分項誤差之和 同理 商-兩-差9- 量化誤差，也叫 1誤差 - 標準頻率源誤差閘門時間準度=標準頻率準度K=常數由上式可得測頻相對誤差：測頻誤差：fx=f(N、T)因為測頻時:10(一)量化誤差 ( 1誤差，數字式儀器

5、的固有誤差)可以看出：頻率測量是以比較法為基礎，把fx和時基信號頻率相比較，相比的結果以數字形式顯示的過程。該過程有兩種情況：第一種情況 ： 有以下兩種可能： (a)：計數N(b)：計數（首先忽略頻率源誤差）非整量化（因被測信號與鐘源不同步）1:2: T=NTx由：11(a),(b)測量的是同一頻率，T固定相等： 計數值只能是 或 在 這種情況下， 產生的測量誤差如下：當計數值為N時（a)，測量誤差為可以是 之間任意一個數。最大誤差-1從量化的角度看，此誤差是量化誤差。12 當計數值為 時(b)，測量誤差為 其最大值趨于1個字。上述兩種誤差是由量化過程產生的非整量化誤差,最大取值 第二種情況：

6、 整量化 只有下列三種可能：13測量誤差： a) b) c)不存在量化誤差。其測量誤差等于1個字。綜上所述：一臺正常的數字頻率計，它的 個字誤差 其最大值趨 近于 個字。 舉例：由量化誤差造成的示值變化只能是+1或-1，而不能同時存在。(只是在不存在標準頻率誤差及干擾的情況下)時，N計數值為14 由此可知，不管計數值N為多少，其最大誤差總是 個計數單位，故稱“ 個字誤差”，簡稱“ 誤差”。 誤差對測頻相對誤差的影響與N值有關，為減少相對誤差，可增大總計數值N。例如，可將 倍頻至 ，也可將閘門時間 延長至 ，這樣量化誤差變?yōu)?二)標準頻率誤差 若在計數器設計和制造中盡可能地消除了整形，分頻和閘門

7、開關電路速度及其不穩(wěn)定性等因素的影響，則閘門開啟的誤差就只與時基晶振的準確度有關。（忽略量化誤差）15即：閘門時間的準確度在數值上等于標準頻率的準確度。一般比 誤差引起的測頻誤差小一個量級。反之亦反Eg：E312A型通用計數器的最高測量頻率為10MHz，具有八位十進 制數碼顯示，在閘門時間為T1s時，其最小量化單位為1Hz, 因此， 誤差為 ，則晶振頻率誤差應在 量級。為了 使被測頻率得到最高測量準確度，當 低于儀器最高測量頻率 時，應使儀器滿位顯示。若 5MHz，應選閘門時間T10s “ ”：由 引起的閘門時間的誤差為 16 計數器直接測頻 計數器直接測頻的誤差主要是 誤差。 Eg：一臺標準

8、頻率為2.5MHz的石英振蕩器，用計數器直接測頻，若 提供計數器的時基信號頻率準確度為 ,則當T1s時的測頻 誤差為 從上例可見，計數器直接測頻的測量準確度，主要受到 誤差的限制。為什么？（物理意義: fc-晶振頻率； ）若取T=10s, 其誤差也只有17 測頻誤差主要有兩項， 誤差，標準頻率源誤差。測頻誤差與 及T的關系曲線如右圖 (1)隨著 升高和T的增大，測頻誤差減少。(2)當 誤差的影響足夠小時，測量精確度實際上受到時基晶振準確度的限制，并以 為極限。(3) 越低時， 誤差越大。且起決定性作用。Eg： 顯示只能2位100Tx10TxTx18減少測頻誤差的方法：(1)將被測信號倍頻，閘門

9、時間分頻。(2)提高晶振穩(wěn)定度。3.2電子計數器測周期一、測周期原理主 門計數器ABTxTs Tx=NTs N=Tx/Ts eg:Tx=10ms Ts=1us 則N10000 Tx=10.000ms 顯示 10.000msfx19 周期測量原理框圖： 主門 計數器 控制電路時基倍頻分頻系統(tǒng)B輸入放大器B輸入恒溫石英晶體振蕩器時標選擇Ts=KTcTs周期倍乘選擇周期倍乘信號 -倍乘率倍頻、多周期測量目的：提高測量精度被測周期：20二、測周期誤差根據誤差傳遞公式 ：綜合誤差 （Ts=KTc=K/fc）因為是同一臺儀器頻率源不變，在測頻與測周時的量化誤差相等：21轉換（觸發(fā)誤差：由于測周時的門控信號

10、是由被測信號轉換而來 ，當被測信號受到干擾時將產生誤差； 經計算因為干擾是隨機的，可按“方和根”合成法合成為：由上述可見：轉換誤差和信躁比成反比轉換誤差nV22例：用某電子計數器測量一個fx=10Hz的信號周期，當信號的信噪比S/N20dB時，分別計算當周期倍乘置于 時，由于轉換誤差所產生的測周誤差。解：當周期倍乘置于1時，由轉換誤差造成的測量誤差為當周期倍乘置于1000時 總結：測周與測頻 一樣、除具有相同的量化誤差和標準頻率源誤差外，還存在轉換誤差，它和信噪比成反比，均可通過頻標分頻、周期倍頻來減小233.3 測時間間隔時基倍頻分頻系統(tǒng)恒溫石英晶體振蕩器主門計數器控制電路放大整形電路放大整

11、形電路(啟動)(停止)開門關門時標選擇包括：a：同一信號的時間間隔； b：第一個脈沖上升沿與第 二個脈沖下降沿之間的； 輸入B輸入C24包括：a：同一信號的時間間隔； b：第一個脈沖上升沿與第 二個脈沖下降沿之間的時間間隔； c：脈沖寬度；P201 d：相位差的測量； e：信號沿不同兩點間的時間間隔。 信號角頻率25誤差分析同測周一樣，只需去掉多周期及轉換誤差。3.4電子計數器的其它測量功能 測頻率比；累加計數；計時；轉速;脈沖寬度等 等。26）頻率計數器的組成框圖：與門：有零便是零。全一才是一27282) 測量Tr: 調節(jié)RP14改變比較器A1-3的參考電平，從而選擇被測信號的幅度，U3=0

12、.1UM, U1=0.9UM,比較器A2,A3輸出控制與門計數.測量Tw:將S1a接到U2，斷開A2,調節(jié)RP2,使U2=0.5Um,對應的前后沿有兩次0.5Um通過，使輸出一個與脈沖相對應的方波。29測量Tr即Tw的波形圖：為提高精度，須采用精密電位器，比較器、放大器需用高速電路。303)脈沖累計的測量框圖：脈沖累計是指在一較長時間內，用計數器累計信號的變化次數，是具有統(tǒng)計性質的測量。只要人為地控制開關S1、S2的啟停，即可累計被測信號的變化次數。314)頻率比的測量： 即測量兩個被測信號的頻率之比，如計數器、分頻器、倍頻器等。 將頻率較高的被測信號作為計數脈沖，接入A端，其周期為TA，頻率

13、低的接入B端，其周期為TB作為測頻門控信號，則 fA/fB=TB/TA=N 為提高準確度可用 周期倍乘。 其誤差和測周相同。324）相位的測量：通常是指兩個同頻率的信號之間相位差的測量，主要測量RC、LC網絡的相頻特性，以及依靠信號相位傳遞信息的電子設備。 相位測量的方法：1、示波法；2、數字式相位計(直接、準確） A、 脈沖計數法測相位： 廣泛應用的是直讀式數字相位計，原理基于時間間隔測量法，相-時轉換（另外還有相-頻轉換，相-壓轉換）。 若兩同頻信號相差為,可測得其時間間隔 T0-時標周期 如果把時標周期倍乘3610n ( n為正整數），則顯示值即為以度為單位的相位差值。3334因為若讓計數器在一秒內連續(xù)計數，即一秒內有f