電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)第五章

第5章頻率時(shí)間測(cè)量

5.1概述

5.2電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻率

5.3電子計(jì)數(shù)器測(cè)周期

5.4電子計(jì)數(shù)器測(cè)時(shí)間間隔

5.1.1時(shí)間、頻率的基本概念

1.時(shí)間的定義與標(biāo)準(zhǔn)

2.頻率的定義與標(biāo)準(zhǔn)5.1.2頻率測(cè)量方法概述

5.1概述

5.2電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻率5.2.1電子計(jì)數(shù)法測(cè)頻原理頻率的定義：周期性信號(hào)在一秒鐘內(nèi)變化的周期。如果在一定的時(shí)間間隔Ts內(nèi)計(jì)有周期信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則頻率可寫為：這就是電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻的基本原理。原理框圖：

5.2.2電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻的組成框圖組成框圖：

5.2.2誤差分析據(jù)誤差傳遞公式，測(cè)頻的誤差為可得

誤差有兩部分，第一項(xiàng)是量化誤差；第二項(xiàng)是閘門時(shí)間誤差。

dfx=(dN／T)－(N／T2)dT

5.2.2誤差分析1.量化誤差也叫計(jì)數(shù)誤差或±1個(gè)字誤差，是電子計(jì)數(shù)器的固有誤差，也是數(shù)字儀表特有的誤差。T=NTx+Δt1－Δt2

5.2.2誤差分析產(chǎn)生原因：由被測(cè)信號(hào)和門控信號(hào)之間不同步及周期關(guān)系任意性引起的。被測(cè)信號(hào)與門控信號(hào)間沒有同步鎖定關(guān)系，門控信號(hào)的起始點(diǎn)隨開機(jī)時(shí)刻而隨機(jī)；被測(cè)信號(hào)周期是任意的，而門控信號(hào)周期是一定的。當(dāng)Ts與被測(cè)Tx的整數(shù)倍相當(dāng)時(shí)，產(chǎn)生±1誤差更為典型。注意：①與fxT成反比。②當(dāng)被測(cè)fx一定，閘門開啟時(shí)間Ts越大，±1量化誤差對(duì)測(cè)頻誤差影響越??；當(dāng)閘門開啟時(shí)間Ts一定，被測(cè)頻率fx越高，±1量化誤差對(duì)測(cè)頻誤差影響越小。故，電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻適于測(cè)高頻頻率。

5.2.2誤差分析2.閘門時(shí)間誤差(標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差)

閘門時(shí)間不準(zhǔn)引起閘門時(shí)間相對(duì)誤差。產(chǎn)生原因：主要是晶振頻率準(zhǔn)確度，而整形電路、分頻電路、閘門的開關(guān)速度等因素也產(chǎn)生影響。設(shè)晶振頻率為fc(周期為Tc)，分頻系數(shù)為m，所以有：微分，得

5.2.2誤差分析2.閘門時(shí)間誤差(標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差)

由前兩式可知：考慮相對(duì)誤差定義中使用的是增量符號(hào)Δ，所以用增量符號(hào)代替式(5.2-9)中的微分符號(hào)，改寫為表明：閘門時(shí)間的相對(duì)誤差在數(shù)值上等于晶振頻率的相對(duì)誤差。

5.2.2誤差分析

3.總誤差將式前幾個(gè)式子整理得：Δfc有可能大于零，也有可能小于零。若按最壞情況考慮，則測(cè)量頻率的最大相對(duì)誤差應(yīng)寫為

5.2.2誤差分析要提高頻率測(cè)量的準(zhǔn)確度，應(yīng)采取如下措施：

①提高晶振頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度以減小閘門時(shí)間誤差；②擴(kuò)大閘門時(shí)間T或倍頻被測(cè)信號(hào)頻率fx以減小±1誤差；③被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，采用測(cè)周期的方法測(cè)量。

5.3電子計(jì)數(shù)器測(cè)周期

時(shí)間測(cè)量在科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域中十分重要。時(shí)間測(cè)量主要指周期、上升時(shí)間、時(shí)間間隔等的測(cè)量。

5.3.1電子計(jì)數(shù)器測(cè)周期的基本原理

1.原理框圖

T與f互為倒數(shù)，則將測(cè)頻的被測(cè)通道與標(biāo)準(zhǔn)通道對(duì)調(diào)即可。原路框圖：

5.3.1電子計(jì)數(shù)器測(cè)周期的基本原理工作原理：將被測(cè)信號(hào)經(jīng)分頻后作為門控信號(hào)去控制主閘門開啟與關(guān)閉，晶振標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)分頻后通過主閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器被計(jì)數(shù)。2.測(cè)量結(jié)果顯然，測(cè)周是將被測(cè)周期Tx與標(biāo)準(zhǔn)周期Tc進(jìn)行比較，若在Tx內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)值為N，則

Tc是晶振經(jīng)分頻后的脈沖周期，大小由“時(shí)標(biāo)選擇”開關(guān)來選擇。

5.3.2誤差分析類似測(cè)頻的誤差分析。據(jù)誤差傳遞公式，由Tx=NTc可得寫成增量形式

1.量化誤差因△N＝±1，而N＝Txfc，有注意：量化誤差的影響在被測(cè)周期Tx?。搭l率高）時(shí)大，這與測(cè)頻時(shí)剛好相反。

2.晶振誤差同測(cè)頻，為

5.3.2誤差分析注意：晶振準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的影響與測(cè)頻相同。則總誤差為

3.周期倍乘為了減小測(cè)量誤差，可以減小Tc(增大fc)，但這受到實(shí)際計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)速度的限制。在條件許可的情況下，應(yīng)盡量使fc增大。另一種方法是把Tx擴(kuò)大m倍，形成的閘門時(shí)間寬度為mTx，以它控制主門開啟，實(shí)施計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果為：由于ΔN=±1，并考慮上式，因此

5.3.2誤差分析4.周期倍乘的總誤差

5.3.2誤差分析5.觸發(fā)誤差：在測(cè)量周期時(shí)，被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后作為時(shí)間閘門的控制信號(hào)(簡(jiǎn)稱門控信號(hào))，因此，噪聲將影響門控信號(hào)(即Tx)的準(zhǔn)確性，造成所謂觸發(fā)誤差。

5.3.2誤差分析式中Un為被測(cè)信號(hào)上疊加的噪聲“振幅值”.當(dāng)被測(cè)信號(hào)為正弦波，即ux=Umsinωxt,門控電路觸發(fā)電平為Up，則

5.3.2誤差分析于是轉(zhuǎn)換誤差為

4.總誤差將量化誤差、晶振準(zhǔn)確度影響、觸發(fā)誤差按絕對(duì)值公式合成總誤差：誤差曲線：左圖所示。其中10Tx和100Tx兩條為采用多周測(cè)量的誤差曲線。

5.3.2誤差分析注意：利用電子計(jì)數(shù)器測(cè)周①適于低頻（因Tx大，±1誤差影響?。?；②時(shí)標(biāo)要?。╢s大，±1誤差影響?。?；③采用多周期測(cè)量?？蓽p小±1誤差影響，還可減小觸發(fā)誤差的影響。對(duì)前者，計(jì)數(shù)N大，±1誤差影響就小；對(duì)后者，因一個(gè)△Tn對(duì)應(yīng)門控輸出的一次開啟時(shí)間，若10個(gè)周期則有(△Tn)/10，即有誤差（△Tn/10）/Tx，影響就小10倍。此外，提高信噪比（即增大Um/Un），也能減少觸發(fā)誤差的影響。

5.3.3中界頻率

1）測(cè)量頻率誤差

2）測(cè)量周期誤差

5.3.3中界頻率

3）“中界頻率”是這樣定義的：對(duì)某信號(hào)使用測(cè)頻法和測(cè)周法測(cè)量頻率，兩者引起的誤差相等，則該信號(hào)的頻率定義為中界頻率，記為f0。將式中的fx換為中界頻率f0，將Tx換為T0再寫為1／f0，將Tc寫為1/fc，則式可寫為解得中界頻率為

5.3.3中界頻率若進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)以擴(kuò)大閘門時(shí)間n倍(標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)周期擴(kuò)大Tcn倍)來提高頻率測(cè)量精確度，則在進(jìn)行周期測(cè)量時(shí)，以擴(kuò)大閘門時(shí)間k倍(擴(kuò)大待測(cè)信號(hào)周期k倍)來提高周期測(cè)量精確度，這時(shí)式(5.3-5)變?yōu)?/p>

5.3.3中界頻率可得中介頻率更一般的定義式，即

【例1】某電子計(jì)數(shù)器，若可取的最大的T、fc值分別為10s、100MHz，并取k=104,n=102，試確定該儀器可以選擇的中界頻率f0。

5.4電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔我們講的時(shí)間間隔，指交流信號(hào)上任意兩點(diǎn)間距離代表的時(shí)間。對(duì)脈沖波，主要有上升時(shí)間、脈寬等。交流信號(hào)的周期，實(shí)際上也是時(shí)間間隔，只是為兩周波形上同電位點(diǎn)間的時(shí)間間離。原理框圖：

B1、B2：兩個(gè)同特性的獨(dú)立通道，各自均有觸發(fā)性極選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)。K：開關(guān)，用于選擇兩個(gè)通道輸入信號(hào)的種類，當(dāng)K閉合時(shí)兩個(gè)通道輸入同一信號(hào)。

5.4電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔工作原理：

K閉合：B1、B2輸入同一信號(hào)。若B1、B2選同極性觸發(fā)，但觸發(fā)電平選得不同，則可測(cè)上升時(shí)間，如（c）圖所示；若B1、B2選擇同觸發(fā)電平，但觸發(fā)極性選得不同，則可測(cè)脈沖寬度，如（d）圖所示。

K斷開：B1、B2分別輸入兩個(gè)信號(hào)。調(diào)各自的觸發(fā)極性和電平，可測(cè)兩個(gè)信號(hào)上升沿間的時(shí)間間隔，如（b）圖所示.

5.4電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔5.4.2誤差分析

5.4電子計(jì)數(shù)器測(cè)量相位

相位差的測(cè)量，前述示波器測(cè)量法，雖直觀方便，但準(zhǔn)確度較低；電子計(jì)數(shù)器測(cè)量法，則準(zhǔn)確度較高。

6.4.1電路組成原理框圖：通道1、通道2：特性類似過零比較器，在被測(cè)信號(hào)由負(fù)向正通過零點(diǎn)或由正向負(fù)通過零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生脈沖，加到門控電路。

5.4.1電路組成（續(xù)）門控：如“R-S”觸發(fā)器電路，一個(gè)通道來的脈沖使門控輸出高電平，而另一通道來的脈沖使之輸出低電平。時(shí)標(biāo)信號(hào)：包括晶振、分頻電路。門控輸出高電平期間閘門開啟，時(shí)標(biāo)信號(hào)通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器被計(jì)數(shù)，再譯碼顯示結(jié)果。波形圖：基本原理：就是時(shí)間間隔的測(cè)量。即在通道1、通道2輸入信號(hào)相位差的時(shí)間間隔內(nèi)，用標(biāo)準(zhǔn)脈沖來填充。

5.4.2測(cè)量結(jié)果

設(shè)兩信號(hào)相位差的時(shí)間為，被測(cè)信號(hào)周期為Tx，時(shí)標(biāo)信號(hào)周期為Ts，在內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)的時(shí)標(biāo)脈沖為N，則有被測(cè)相位差為

1.瞬時(shí)值相位計(jì)數(shù)法一個(gè)周期測(cè)一次，即有上述結(jié)果。注意：①適于測(cè)低頻信號(hào)的相位差。因?yàn)闀r(shí)標(biāo)信號(hào)頻率是有限的，則測(cè)高頻信號(hào)相位差的準(zhǔn)確度就會(huì)降低。②測(cè)量結(jié)果與被測(cè)頻率有關(guān)，需測(cè)出被測(cè)信號(hào)的周期或頻率，才會(huì)按上式得出結(jié)果。

5.4.2測(cè)量結(jié)果（續(xù)）

2.平均值相位計(jì)數(shù)法

此法是對(duì)多個(gè)相位差的脈沖計(jì)數(shù)后再平均。如利用時(shí)標(biāo)使計(jì)數(shù)器一秒“清零”一次，或再用一閘門開啟一秒來對(duì)時(shí)標(biāo)脈沖通過閘門輸出的脈沖進(jìn)行累計(jì)，則有記數(shù)N′=fxN（N為一個(gè)相位差內(nèi)計(jì)的脈沖數(shù)），因而可見：測(cè)量結(jié)果與被測(cè)頻率無關(guān)，不需要測(cè)被測(cè)頻率。

5.