電子測量與儀器課件第七章頻率和時間測量及儀器2

7.4電子計數器的測量誤差

7.4.1測量誤差的來源

電子計數器的測量誤差來源主要包括量化誤差、觸發(fā)誤差和標準頻率誤差。 1.量化誤差(±1誤差) 量化誤差是在將模擬量變換為數字量的量化過程中產生的誤差，是數字化儀器所特有的誤差，是不可消除的誤差。它是由于電子計數器閘門的開啟與計數脈沖的輸入在時間上的不確定性，即相位隨機性而產生的誤差。1

量化誤差的相對誤差為：

計數脈沖閘門開啟時間T閘門開啟時間T圖7.13量化誤差產生示意圖計數脈沖N=8計數脈沖N=922.觸發(fā)誤差

觸發(fā)誤差又稱為變換誤差。被測信號在整形過程中，由于整形電路本身觸發(fā)電平的抖動或者被測信號疊加有噪聲和各種干擾信號等原因，使得整形后的脈沖周期不等于被測信號的周期，由此而產生的誤差稱為觸發(fā)誤差。

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觸發(fā)電平VB0A1A'1A'2A2干擾信號干擾信號Tx閘門開啟閘門關閉ΔT1ΔT2T'x=ΔT1+Tx+ΔT2被測信號圖7.14觸發(fā)誤差產生示意圖4經推導得知，觸發(fā)誤差的相對誤差等于

(7-2)式中，Un為噪聲或干擾信號的最大幅度，包括因觸發(fā)電平抖動而產生的影響，一般情況下，可以不考慮觸發(fā)電平抖動或漂移的影響；Um為被測信號電壓幅度；Kf為B通道分頻器分頻次數。 觸發(fā)誤差對測量周期的影響較大，而對測量頻率的影響較小，所以測頻時一般不考慮觸發(fā)誤差的影響。 為了減小測周時觸發(fā)誤差的影響，除了盡量提高被測信號的信噪比外，還可以采用多周期測量法測量周期，即增大B通道分頻器分頻次數。5

3.標準頻率誤差Δfs/fs

標準頻率誤差是指由于晶振信號的不穩(wěn)定等原因而產生的誤差。測頻時，晶振信號用來產生門控信號（即時基信號），標準頻率誤差稱為時基誤差；測周時，晶振信號用來產生時標信號，標準頻率誤差稱為時標誤差。一般情況下，由于標準頻率誤差較小，不予考慮。

7.4.2測量誤差的分析

上述測量誤差中，對頻率測量影響最大的是量化誤差，其他誤差一般不予考慮。周期測量則主要受量化誤差和觸發(fā)誤差的影響。下面對測頻和測周誤差進行分析： 6 1.測頻誤差

經過推導得知，測頻量化誤差等于

由此可見，要減小量化誤差對測頻的影響，應設法增大計數值N。即在A通道中選用倍頻次數m較大的倍頻器，亦即選用短時標信號；在B通道中增大分頻次數Kf，亦即延長閘門時間；可以直接測量高頻信號的頻率，否則，測出周期后再進行換算，該方法屬于間接測量法，這是由測周誤差的特性所決定的。7 2.測周誤差

（1）量化誤差 經過推導得知，測周量化誤差為：

由此可見，要減小測周量化誤差，應設法增大計數值N。即在A通道中選用倍頻次數m較大的倍頻器，亦即選用短時標信號；在B通道中增大分頻次數Kf，亦即延長閘門時間，該方法稱為多周期測量法；可以直接測量低頻信號的周期，否則，測出頻率后再進行換算，該方法屬于間接測量法。8

所謂的高頻或低頻是相對于電子計數器的中界頻率而言的。中界頻率是指采用測頻和測周兩種方法進行測量，產生大小相等的量化誤差時的被測信號的頻率。 （2）測周觸發(fā)誤差 減小測周觸發(fā)誤差的方法如式(7-2)結論所述，不再贅述。 綜上所述，多周期測量法以及提高信噪比、選用短時標信號等方法，可以減小測量周期的誤差。 7.4.3頻率擴展技術 由于受十進制計數器處理速度等因素的限制，上述類型的電子計數器比較適合頻率低于700MHz左右的信號，在A通道分別采用倍頻器時，頻率范圍就更窄了。通常采用外差降頻變換法、預定標法、轉移振蕩器法、諧波外差變換法、取樣法等方97.4.3頻率擴展技術 由于受十進制計數器處理速度等因素的限制，上述類型的電子計數器比較適合頻率低于700MHz左右的信號，在A通道分別采用倍頻器時，頻率范圍就更窄了。通常采用外差降頻變換法、預定標法、轉移振蕩器法、諧波外差變換法、取樣法等方法來擴展計數器的測頻范圍，這樣的計數器適合用來測量高頻信號頻率，稱之為數字頻率計，測頻上限可高達170GHz。下面主要介紹外差降頻變換法和預定標法。

1.外差降頻變換法

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輸入混頻器調諧濾波器調諧倍頻器放大器測頻電子計數器晶振圖7.15手動外差降頻變換法擴頻原理框圖112.預定標法 如圖7.16所示，預定標數字頻率計與通用計數器的區(qū)別就是對被測信號進行N分頻，即預定標。預定標法的缺點是降低了單位時間內的分辨力，為了提高測量分辨力，如果十進制計數器位數足夠多，通常也對晶振進行N分頻。放大整形輸入Afx分頻器（1/N）閘門十進制計數器晶振分頻器（1/N）時基分頻器顯示N×0.1sN×1sN×10s圖7.16預定標法數字頻率計原理框圖127.5通用計數器實例7.5.1技術指標（1）測試功能（2）測量范圍測頻范圍：0.1Hz～100MHz；測周范圍：0.4μs～10s；累加計數范圍：1～108。（3）輸入特性輸入耦合方式；輸入電壓范圍；輸入阻抗：R,Ci。（4）閘門時間:10ms、0.1s、1s、10s。（5）時標（晶振）:時標為0.1μs。（6）顯示位數及顯示器件:8位LED（7）輸出:輸出頻率;輸出電壓;輸出波形137.5.2工作原理:如圖7.17所示主機測量單元直接計數頻率為10MHz，在輸入高于10MHz頻率的信號時，需要經過預定標分頻器后，送入主機測量單元。輸入fx(Tx)輸入通道預定標分頻器主機測量單元晶振顯示圖7.17NFC-100型通用電子計數器組成框圖14主機測量單元如圖所示溢出閘門uskHzICM7226B段碼輸出（a、b、c、d、e、f、g、dp）88位碼輸出（D1～D8）功能選擇閘門時間（周期倍乘）頻率自檢周期計數10s1s0.1s10ms44晶振圖7.18NFC-100型電子計數器主機測量單元邏輯框圖abcdefgdp復位157.5.3電子計數器的使用及注意事項

①按照要求接入正確的電源。8位LED顯示OVFLGATEuskHzMODELNFC—100MULTFUNCTIONCOUNTERSTBYONRESETTOTPERFREQCHKFREQMEASURETIME10ms0.1s1s10sPERIODAVERAGE1101001000FUNCTIONTIMEBASEOUT50Ω10MHz＞10VP-P1MΩ8MHz100MHz0.1HzINPUT圖7.19NFC-100型電子計數器前面板圖16②在使用電子計數器進行測量之前，應對儀器進行“自檢”，以初步判斷儀器工作是否正常。③被測信號的大小必須在電子計數器允許的范圍內，否則，輸入信號太小測不出被測量，輸入信號太大有可能損壞儀器。④當“溢出（OVFL）”指示燈亮時，表明測量結果顯示有溢出，不能漏記數字。⑤在允許的情況下，盡可能使顯示結果精確些，即所選閘門時間應長一些。⑥在測量頻率時，如果選用閘門時間為10s時，“閘門（GATE）”（或“采樣”）指示燈熄滅前顯示的數值是前次的測量結果，并非本次測量結果，記錄數據時務必等采樣指示燈變暗后進行。177.6數字相位計相位差的測量方法包括示波器法、比較法、直讀法等。數字相位計采用直讀法測量，是由電子計數器擴展而成的相位測量儀器。數字相位計包括相位-時間變換式相位計和相位-電壓變換式相位計，瞬時值數字相位計和平均值數字相位計屬于前一種。7.6.1瞬時值數字相位計瞬時值數字相位計原理框圖如圖7.20所示。當被測信號u1、u2由負變正通過零點時，分別由零比較器1和2產生脈沖信號u'1、u'2。設u1超前于u2，則u'1、u'2分別用作門控電路的開啟信號、關閉信號，使門控電路產生門控信號u3，u3的脈寬與兩個信號的相位差相對應，u3脈寬期間打開計數門，時標信號則18經由計數門至計數顯示電路，得到對應的相位差數值。其工作波形如圖7.21所示。 設被測信號周期為Tx，門控信號u3的寬度，亦即兩個信號相位差Δφ對應的時間為tφ，則（7-3）tφ=NTs（7-4）式中，Ts為時標信號周期。比較器1比較器2門控電路計數門計數顯示時標信號u1u2u3u4置零圖7.20瞬時值數字相位計原理框圖u'1u'219ttttt00000u(t)u'1u'2u3u4u1u2tφtφ圖7.21瞬時值數字相位計工作波形圖Tx20(7-3)tφ=NTs（7-4）式中，Ts為時標信號周期。(7-5)217.6.2平均值數字相位計平均值數字相位計是在瞬時值數字相位計的基礎上，采用平均技術而構成的數字相位計。它能夠減小干擾信號、量化誤差等的不良影響，提高測量的準確度。平均值數字相位計原理框圖及其工作波形如圖7.22、7.23所示。比較器1比較器2門控電路1計數門1分頻(1/Kf)門控電路2計數門2計數顯示u1(t)u2(t)u'1u'2u3u4fsu5u6圖7.22平均值數字相位計原理框圖頻標fs22u(t)u'1u'2u1u2u3u4u5u6Tx000000N∑T∑ttttttt圖7.23平均值數字相位計工作波形圖0計數門1的工作過程與瞬時值數字相位計完全相同，存在關系：23

門控信號u5是利用頻標信號fs分頻得到的。分頻系數為Kf，其門控時間T∑為： 對應于每個被測信號的一個周期Tx，計數門1輸出一組脈沖，每組脈沖數為N。如果用m組脈沖平均，則計數門2每開門一次，應通過m組脈沖，存在關系：T∑=mTx=KfTsKf=mTx/Ts 在時間T∑內，對通過計數門2的m組脈沖計數，并求平均值，則有24用平均值代替式（7-5）中的N表示測量結果，存在關系：式中，N∑是在T∑時間內實際通過計數門1和計數門2的脈沖總個數，也就是在時間TΣ內通過計數門2的脈沖累加值；Kf為分頻次數，由分頻器的分頻指示值讀出。相位差Δφ與NΣ成正比，計數值N∑能直接用來表示測量結果。平均值數字相位計的測量結果只決定于計數值N∑，而與被測頻率fx無關。

25為了便于讀數，通常Kf選用36×10n，NΣ則可以直接表示度數，只是小數點位置要隨取值的不同而產生移位。在實際工作中，平均值數字相位計應用比較廣泛，如BX-13A型數字相位計等。BX-13A型數字相位計工作頻率為20Hz～200kHz，測相范圍為0～360°，分辨力為±0.03°。26本章小結

本章介紹了時間和頻率的測量方法、通用電子計數器的組成及功能、測量原理和測量誤差，以及數字相位計組成及其工作原理等。 （1）頻率測量方法包括無源測量法、比較法、示波器法和計數法等。無源測量法包括諧振法和電橋法；比較法包括拍頻法和差頻法。 （2）電子計數器分為通用電子計數器、頻率計數器