《電子測量技術(shù)》PPT課件

1、第6章 頻率與時(shí)間測量 6.1 頻率與時(shí)間測量的特點(diǎn)與方法6.2 通用電子計(jì)數(shù)器6.3 等精度時(shí)間/頻率測量6.4 EE3376型可程控通用計(jì)數(shù)器簡介思考題6 6.1 頻率與時(shí)間測量的特點(diǎn)與方法6.1.1 頻率與時(shí)間測量的特點(diǎn)與其他各種物理測量相比，頻率與時(shí)間測量具有如下特點(diǎn)： （1） 時(shí)頻測量具有動(dòng)態(tài)性質(zhì)。 （2） 測量精度高。（3） 測量范圍廣。（4） 頻率信息的傳輸和處理比較容易。 6.1.2 頻率測量的方法出現(xiàn)并得到過應(yīng)用的測頻方法與儀器主要有以下幾種： （1） 諧振法： 利用LC回路的諧振特性進(jìn)行測頻(如諧振式波長表可測無源LC回路的固有諧振頻率）, 測頻范圍為0.51500 MHz

2、。（2） 外差法： 改變標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率，使它與被測信號(hào)混合，取其差頻，當(dāng)差頻為零時(shí)讀取頻率。這種外差式頻率計(jì)可測高達(dá)3000 MHz的微弱信號(hào)的頻率，測頻精確度為10-6左右。（3） 示波法： 在示波器上根據(jù)李沙育圖形或信號(hào)波形的周期個(gè)數(shù)進(jìn)行測頻。這種方法的測量頻率范圍從音頻到高頻信號(hào)皆可。（4） 電子計(jì)數(shù)器法： 直接計(jì)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)被測信號(hào)的脈沖數(shù)，然后以數(shù)字形式顯示頻率值。這種方法測量精確度高、快速，適合不同頻率、不同精確度測頻的需要。6.1.3 電子計(jì)數(shù)器測頻法原理計(jì)數(shù)是電子計(jì)數(shù)器最基本的功能。因此，盡管電子計(jì)數(shù)器的種類很多，但其基本的工作原理可用圖6.1所示的簡化方框圖加以說明。 圖6.1

3、 電子計(jì)數(shù)器簡化方框圖 當(dāng)把周期為TA的脈沖信號(hào)由“1”端加入后，假設(shè)在閘門信號(hào)的上升沿主門打開，計(jì)數(shù)器對(duì)輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，在閘門信號(hào)的下降沿主門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，顯然計(jì)數(shù)器所計(jì)之?dāng)?shù)N為（6-1） 6.2 通用電子計(jì)數(shù)器6.2.1 通用電子計(jì)數(shù)器的主要技術(shù)性能 用于測頻的通用電子計(jì)數(shù)器其主要技術(shù)性能包括： （1） 測試性能：儀器所具備的測試功能，如測量頻率、周期、頻率比等。 （2） 測量范圍：儀器的有效測量范圍。在測頻和測周期時(shí)，測量范圍不同。測頻時(shí)要指明頻率的上限和下限； 測周期時(shí)要指明周期的最大值和最小值。（3） 輸入特性：通用電子計(jì)數(shù)器一般由23個(gè)輸入通道組成，需分別指出各個(gè)

4、通道的特性，包括： 輸入耦合方式： 有AC和DC兩種耦合方式。在低頻和脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)宜采用DC耦合方式。（4） 測量準(zhǔn)確度：常用測量誤差來表示，主要由時(shí)基誤差和計(jì)數(shù)誤差決定，時(shí)基誤差由內(nèi)部晶體振蕩器的穩(wěn)定度確定。表6.1概括了以上三類振蕩器的頻率穩(wěn)定度。 表6.1 振蕩器的標(biāo)準(zhǔn)頻率穩(wěn)定度 （5） 閘門時(shí)間和時(shí)標(biāo)： 由機(jī)內(nèi)時(shí)標(biāo)信號(hào)源所能提供的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)決定。根據(jù)測頻和測周期的范圍不同，可提供的閘門時(shí)間和時(shí)標(biāo)信號(hào)有多種供選擇，如通常的0.01 s、0.1 s、1 s、10 s等。（6） 顯示及工作方式： 包括顯示位數(shù)、顯示時(shí)間、顯示方式等。顯示位數(shù)： 可顯示的數(shù)字位數(shù)，如常見的8位。 顯示時(shí)間：

5、 兩次測量之間顯示結(jié)果的時(shí)間，一般是可調(diào)的。顯示方式： 有記憶和不記憶兩種顯示方式。記憶顯示方式只顯示最終計(jì)數(shù)的結(jié)果，不顯示正在計(jì)數(shù)的過程。實(shí)際上顯示的數(shù)字是剛結(jié)束的一次測量結(jié)果，顯示的數(shù)字保留至下一次計(jì)數(shù)過程結(jié)束時(shí)再刷新。不記憶顯示方式可顯示正在計(jì)數(shù)的過程。但多數(shù)計(jì)數(shù)器沒有這種顯示方式。 （7） 輸出： 包括儀器可輸出的時(shí)標(biāo)信號(hào)種類、輸出數(shù)據(jù)的編碼方式及輸出電平等。6.2.2 通用電子計(jì)數(shù)器的測量功能1. 頻率測量頻率的測量實(shí)際上就是在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)被測信號(hào)的變化次數(shù)進(jìn)行累加計(jì)數(shù)。其原理框圖如圖6.2所示。圖6.2 頻率測量的原理框圖設(shè)開門時(shí)間為T，在時(shí)間T內(nèi)，從主門通過的脈沖個(gè)數(shù)為N，則被測

6、信號(hào)的頻率fx為用E312A型通用計(jì)數(shù)器測一輸入頻率fx=100 000 Hz的信號(hào)，顯示電路所顯示讀數(shù)隨閘門時(shí)間的不同而不同，見表6.2。 （6-2）表6.2 閘門時(shí)間與顯示 2. 周期測量周期是頻率的倒數(shù)，因此周期的測量和頻率的測量正好相反。其原理框圖如圖6.3所示。圖6.3 周期測量的原理框圖設(shè)被測信號(hào)的周期為Tx，時(shí)標(biāo)信號(hào)的周期為To，在時(shí)間Tx內(nèi)，有N個(gè)時(shí)標(biāo)脈沖通過主門，則被測信號(hào)的周期為 Tx =N To （6-3）它實(shí)際上是多個(gè)被測周期的平均值，即（6-4） 3. 時(shí)間間隔測量 時(shí)間間隔測量和周期的測量都是測量信號(hào)的時(shí)間，因此測量電路大體相同，所不同的是測量時(shí)間間隔需要B、C兩個(gè)

7、通道分別送出起始和停止信號(hào)去控制門控雙穩(wěn)電路以形成閘門信號(hào)，其工作原理如圖6.4所示。 圖6.4 時(shí)間間隔測量的原理框圖 若計(jì)數(shù)器在主門打開時(shí)間內(nèi)計(jì)得脈沖個(gè)數(shù)為N，則B和C兩脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔為tB-C=NTo （6-5）選取兩個(gè)輸入信號(hào)的上升沿或下降沿的某電平點(diǎn)作為時(shí)間間隔的始點(diǎn)和終點(diǎn)，這樣就可以測量兩個(gè)輸入信號(hào)任意兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，如圖6.5所示。 圖6.5 輸入信號(hào)任意兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔測量示意圖4. 相位差測量相位差測量通常是指兩個(gè)同頻率的信號(hào)之間的相位差的測量。相位差測量的主要方法有示波器法、比較器法、直讀法等。利用電子計(jì)數(shù)器也可進(jìn)行相位差的測量，它是時(shí)間間隔測量的一個(gè)應(yīng)用。瞬時(shí)

8、值數(shù)字相位差測量原理框圖如圖6.6所示，通過測量兩個(gè)正弦波上兩個(gè)相應(yīng)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，可換算出它們之間的相位差。圖6.6 瞬時(shí)值數(shù)字相位差測量原理框圖其工作波形如圖6.7所示。圖6.7 瞬時(shí)值數(shù)字相位差測量工作波形設(shè)被測信號(hào)周期為Tx，門控信號(hào)u3的寬度，亦即兩個(gè)信號(hào)相位差對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t，則式中，Ts為時(shí)標(biāo)信號(hào)周期。 由以上兩式可得： （6-6） （6-7） 兩次測量結(jié)果取平均值： 再利用式（6-7）可得相位差。5. 頻率比fB/fA測量頻率比是指兩路信號(hào)源的頻率的比值。其測量原理與頻率、周期測量的原理類似，如圖6.8所示。 圖6.8 頻率比測量原理框圖6. 累加計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)累加計(jì)數(shù)是電子計(jì)數(shù)器

9、最基本的功能，是指在一段較長時(shí)間內(nèi)累加被測信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，測量原理框圖如圖6.9所示。 圖6.9 累加計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)的原理框圖7. 自校在使用電子計(jì)數(shù)器測量之前，應(yīng)對(duì)電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行自校，一是檢驗(yàn)電子計(jì)數(shù)器的邏輯關(guān)系是否正常，二是檢驗(yàn)電子計(jì)數(shù)器能否準(zhǔn)確地進(jìn)行定量測量。自校的原理框圖如圖6.10所示。圖6.10 電子計(jì)數(shù)器的自校原理框圖6.2.3 通用電子計(jì)數(shù)器的基本組成通用電子計(jì)數(shù)器一般由六大部分組成，如圖6.11所示。 圖6.11 通用電子計(jì)數(shù)器的基本組成框圖1. 輸入通道部分通用計(jì)數(shù)器的輸入電路一般包含A、B、C三個(gè)輸入通道（圖6.11中只畫出A、B兩個(gè)通道，因此在測量時(shí)間間隔時(shí)需配時(shí)間間隔測量

10、插件通道C），其中A為主通道，頻帶較寬； B、C主要在測量周期、頻率比以及時(shí)間間隔時(shí)使用，稱為輔助通道。三個(gè)輸入通道都由放大器、衰減器及整形電路等組成。2. 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器由觸發(fā)器構(gòu)成, 對(duì)來自主門的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。在數(shù)字儀表中，最常用的是按8421碼進(jìn)行編碼的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的最高工作頻率決定了儀器的最高測量頻率。目前計(jì)數(shù)器都已集成化，在使用時(shí)可當(dāng)做一個(gè)邏輯部件使用。3. 顯示部分顯示部分將累計(jì)的結(jié)果以十進(jìn)制數(shù)字的形式顯示出來。它包括譯碼和顯示電路。電子計(jì)數(shù)器以數(shù)字方式顯示出被測量，目前常用的有LED顯示器和LCD顯示器。LED為數(shù)碼顯示，其優(yōu)點(diǎn)是工作電壓低，能與COMS/TTL電路兼容

11、，發(fā)光亮度高，響應(yīng)快，壽命長。LCD為液晶顯示，其突出優(yōu)點(diǎn)是供電電壓低和微功耗，它是各類顯示器中功耗最低的。同時(shí)，LCD制造工藝簡單，體積小而薄，特別適用于小型數(shù)字儀表。特別是近年來圖形點(diǎn)陣LCD的大量應(yīng)用，為儀器帶來了更加豐富、直觀、智能的操作界面。4. 時(shí)間基準(zhǔn)部分時(shí)間基準(zhǔn)電路包括晶體振蕩器、分頻器、倍頻器以及時(shí)基選擇電路。5. 主門及控制部分控制電路一般由雙穩(wěn)電路、單穩(wěn)電路等構(gòu)成，它包括門控電路，工作方式選擇電路，記憶、顯示時(shí)間和復(fù)原控制電路等。控制電路的作用是產(chǎn)生各種指令信號(hào)，如閘門脈沖、閉鎖脈沖、顯示脈沖、復(fù)零脈沖、記憶脈沖等，控制和協(xié)調(diào)各單元電路的工作，使整機(jī)按一定的工作程序完成測

12、量任務(wù)。 6. 電源部分這部分電路包括整機(jī)電源電路、晶體振蕩器和恒溫槽電源電路。 6.2.4 通用電子計(jì)數(shù)器的測量誤差1. 測量誤差的來源1） 量化誤差如圖6.12所示，雖然閘門開啟時(shí)間都為T，但因?yàn)殚l門開啟時(shí)刻不一樣，計(jì)數(shù)值一個(gè)為9，另一個(gè)卻為8，兩個(gè)計(jì)數(shù)值相差1。圖6.12 量化誤差的形成量化誤差的相對(duì)誤差為（6-8）2） 觸發(fā)誤差 施密特電路輸出規(guī)則的矩形波，如圖6.13（a）所示。 圖6.13 噪聲和干擾產(chǎn)生的觸發(fā)誤差3） 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差電子計(jì)數(shù)器在測量頻率和時(shí)間時(shí)是以晶振產(chǎn)生的各種時(shí)標(biāo)信號(hào)作為基準(zhǔn)的。顯然，如果時(shí)標(biāo)信號(hào)不穩(wěn)定，則會(huì)產(chǎn)生測量誤差，這種誤差稱為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。 2. 測量誤差

13、分析與提高測量精度的方法1） 測頻誤差通過前面的介紹，測頻量化誤差可用下式表示： （6-9） 2） 測周誤差測周誤差包括測周量化誤差和觸發(fā)誤差。(1) 測周量化誤差。參照?qǐng)D6.3，以及對(duì)測頻量化誤差的分析，測周量化誤差為（6-10） (2) 測周觸發(fā)誤差。因?yàn)橐话汩T電路采用過零觸發(fā)，可以證明觸發(fā)誤差可按下式近似表示： 3） 中界頻率的確定忽略隨機(jī)誤差，根據(jù)中界頻率的定義，可得到中界頻率的計(jì)算公式： （6-12） （6-11） 例如，用電子計(jì)數(shù)器測量fx=2 kHz信號(hào)的頻率，分別采用測頻（閘門時(shí)間為1s）和測周（晶振頻率fc=10 MHz）兩種測量方法，由于量化誤差所引起的相對(duì)誤差如下： 測頻

14、時(shí)，量化誤差為測周時(shí)，量化誤差為 中界頻率為4） 多周期測量除采取以上措施外，測量時(shí)還應(yīng)注意以下事項(xiàng)： (1) 每次測試前應(yīng)先對(duì)儀器進(jìn)行自校檢查，當(dāng)顯示正常時(shí)再進(jìn)行測試。(2) 當(dāng)被測信號(hào)的信噪比較差時(shí)，應(yīng)降低輸入通道的增益或加低通濾波器。(3) 為保證機(jī)內(nèi)晶體穩(wěn)定，應(yīng)避免溫度有大的波動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)，避免強(qiáng)的工業(yè)磁電干擾，儀器的接地應(yīng)良好。6.3 等精度時(shí)間/頻率測量6.3.1 等精度測量原理 圖6.14示出了等精度測量原理。測量時(shí)，儀器先產(chǎn)生閘門預(yù)備信號(hào)，由被測信號(hào)脈沖的上升沿觸發(fā)同步門E，主門E開啟，E計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。與此同時(shí)，時(shí)鐘脈沖的上升沿觸發(fā)同步門T，主門T開啟，T計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。圖6.15是

15、等精度測量的邏輯時(shí)序圖。 圖6.14 等精度測量原理圖6.15 等精度測量邏輯時(shí)序圖在閘門時(shí)間T內(nèi)，E計(jì)數(shù)器累計(jì)了NE=fxT個(gè)被測信號(hào)脈沖，T計(jì)數(shù)器累計(jì)了NT=f0T個(gè)時(shí)鐘脈沖，由運(yùn)算部分（微處理器）可算出： ，并顯示出來。當(dāng)鐘頻f0選為100 MHz時(shí)，對(duì)1 s閘門時(shí)間測量的分辨力恒為10-8， 如圖6.16所示。 圖6.16 1 s閘門時(shí)間測量分辨力示意圖6.3.2 時(shí)間間隔平均測量原理時(shí)間間隔測量時(shí)序圖如圖6.17所示。 圖6.17 時(shí)間間隔測量時(shí)序圖6.4 EE3376型可程控通用計(jì)數(shù)器簡介6.4.1 EE3376型可程控通用計(jì)數(shù)器原理及電路介紹圖6.18示出了EE3376型可程控通

16、用計(jì)數(shù)器的原理框圖。圖6.18 EE3376型可程控通用計(jì)數(shù)器邏輯原理框圖1. A、B輸入通道A 通道中輸入保護(hù)電路包括由兩只二極管組成的雙向限幅電路及由一只穩(wěn)壓管等組成的源極跟隨器，其作用是過壓保護(hù)、阻抗變換及電平移位。B通道同A通道。 2. C輸入通道C通道由放大、分頻及電平控制三大部分組成，其中放大器由五級(jí)ERB90組成，分頻由SP8668完成。圖6.19所示為C通道方框圖。圖6.19 C通道方框圖3. 預(yù)定標(biāo)EE3376的鐘頻周期為100 ns，最大可測信號(hào)頻率為10 MHz。為了測量高于10 MHz的信號(hào)頻率，需進(jìn)行預(yù)定標(biāo)法。A 通道頻寬為DC120 MHz，C通道頻寬為100 MH

17、z1.5 GHz。在C通道中，信號(hào)經(jīng)放大、整形后通過SP8668預(yù)先進(jìn)行分頻。 4. 主門電路主門電路是實(shí)現(xiàn)倒數(shù)計(jì)數(shù)的關(guān)鍵部件，由微機(jī)送出各種不同的功能碼，經(jīng)由選擇開關(guān)選擇，來實(shí)現(xiàn)各種功能的測量。5.預(yù)選閘門電路 EE3376的預(yù)選閘門電路是由單穩(wěn)電路T555組成的。單穩(wěn)電路的脈寬受控于前面板上的可調(diào)電位器，因此閘門時(shí)間約在0.0510 s之間連續(xù)可調(diào)。6.計(jì)數(shù)電路EE3376采用兩塊40位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 LS7061和兩塊十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74LS93分別組成 E 、T計(jì)數(shù)器。其中LS7061包括32位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、40位寄存器、掃描選通譯碼電路及8位三態(tài)門輸出電路。微處理器接到測量結(jié)束指令后開

18、始取數(shù)。 7.送顯電路送顯電路是由掃描驅(qū)動(dòng)顯示器7812 完成的。8.取樣率電路取樣率電路是由T555 組成單穩(wěn)電路來執(zhí)行的。9.微處理器單元微處理器單元對(duì)儀器的運(yùn)行進(jìn)行管理、數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理。 10.GPIB通用接口EE3376配置了GPIB接口，其通用性強(qiáng)，加上通用接口所需的應(yīng)用軟件，可以很方便地將該機(jī)接入自動(dòng)測試系統(tǒng)。 6.4.2 EE3376型可程控通用計(jì)數(shù)器的使用1.面板功能啟動(dòng)“POWER”鍵，接通電源, 這時(shí)面板上除“LEVEL A”、“LEVEL B”兩燈外，所有指示燈全亮，顯示器顯示全“8”1秒鐘，然后顯示本機(jī)型號(hào)“EE3376”。 2.功能鍵操作 功能鍵可以上下?lián)Q擋，只要

19、分別按、鍵即可。按一次鍵功能上（或下）移一次。按“RESET”鍵是對(duì)微機(jī)重新進(jìn)行初始化。在進(jìn)行某一測量時(shí)，如不需要繼續(xù)測量，而要重新測量時(shí)可按下“CLEAR”鍵，此時(shí)仍進(jìn)行原功能的測量。3. A通道頻率測量（fA）、周期測量（PA）被測信號(hào)fx從“INPUT A”輸入，“COM”鍵彈起?！癓EVEL A”可以調(diào)節(jié)觸發(fā)電平，調(diào)節(jié)范圍為-1.5+1.5 V，觸發(fā)電平可用萬用表從旁邊的檢測孔測量。當(dāng)電位器調(diào)至燈閃亮?xí)r，觸發(fā)靈敏度為最高。如 fx 為正信號(hào)，觸發(fā)電平往“+”方向調(diào)節(jié)； 如fx為負(fù)信號(hào)，觸發(fā)電平往“-”方向調(diào)節(jié)。 4. AB 時(shí)間間隔測量(TA-B) 啟動(dòng)信號(hào)從“INPUT A”輸入，停

20、止信號(hào)從“INPUT B”輸入，調(diào)節(jié)觸發(fā)電平使A、B通道觸發(fā)指示燈閃爍。調(diào)節(jié)LEVEL A和LEVEL B的電平要一致（用萬用表在檢測孔檢測）。 5. TOT A（累計(jì)測量） 信號(hào)從“INPUT A”輸入，同時(shí)按下“STA/STP”鍵，燈亮，表示計(jì)數(shù)開始； 再按一次該鍵，燈滅，表示停止計(jì)數(shù)，顯示計(jì)數(shù)結(jié)果； 再按一次，燈亮，則表示繼續(xù)計(jì)數(shù)，并在上次測量結(jié)果上繼續(xù)累計(jì)。如果需觀測測量的結(jié)果，則可將取樣率電位器調(diào)節(jié)到需要的位置觀察。 6. FC（C通道測頻）當(dāng)被測信號(hào)頻率在100 MHz1.5 GHz范圍時(shí)，fx應(yīng)從“INPUT C”輸入。7. GPIB通用接口GPIB通用接口具有完全的源掛鉤功能、

21、完全的受者掛鉤功能、除只講外的完全講功能、除只聽外的完全聽功能、完全的串行點(diǎn)名功能和完全的遠(yuǎn)控/本控功能。 8. EE3376用于自動(dòng)測試EE3376 型可程控通用計(jì)數(shù)器用于自動(dòng)測試時(shí)，其使用說明如下： (1) 由于接入自動(dòng)測試系統(tǒng)的主控機(jī)不同，發(fā)布程控命令的方式也不同。(2) 在遠(yuǎn)控狀態(tài)下，每次測量完畢數(shù)據(jù)送顯示的同時(shí)，用這組數(shù)據(jù)去刷新數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，以備系統(tǒng)主控機(jī)隨時(shí)讀數(shù)。(3) 當(dāng)系統(tǒng)主控機(jī)要求該儀器“聽”時(shí)，無論儀器處于什么測量狀態(tài)，均能立即響應(yīng)，并按輸入的程控命令調(diào)整狀態(tài)。(4) 當(dāng)系統(tǒng)主控機(jī)要求該儀器“講”時(shí)，若這時(shí)儀器正處于測量狀態(tài)，則該儀器暫不響應(yīng)，直到本儀器測量完畢，數(shù)據(jù)刷新之后，再響應(yīng)系統(tǒng)主控機(jī)的“講”命令，將這組數(shù)據(jù)上傳； 若此時(shí)該儀器未處于測量狀態(tài)，則儀器立即響應(yīng)此命令，并將最新測量的一組數(shù)據(jù)上傳。(5) 接口輸出格式： 以一行為單位，一行最多為32個(gè)字符（包括空白字符）。 思考題6 1. 目前常用的測頻方法有哪些？ 電子計(jì)數(shù)器法有何特點(diǎn)？2. 畫出通用電子計(jì)數(shù)器測量頻率、周期的原理框圖，簡述其基本原