示波器的使用課件

第6章頻率（時間）與相位測量6.1時頻標準及測量方法6.2電子計數器測頻率6.3電子計數器測時間6.4電子計數器測相位

自然界中，周期現象普遍。而頻率和周期是從不同兩個側面來描述周期現象的，二者互為倒數關系。周期實質上是時間（即時間間隔），而時間是國際單位制中七個基本物理量之一，單位為秒，用s表示。相位與時間也是密切相關的，其關系表述為：式中的表示相位，f和T分別是頻率和周期。所以，f、T、三個量可歸結為一個量的測量問題。在電子技術領域內，頻率是最基本的參數之一，它指單位時間內周期變化或振蕩的次數，許多電參數的測量方案及結果都與之密切相關。故頻率測量十分重要，且目前頻率測量在電測量中精確度最高。6.1時頻標準及測量方法6.1.1頻段的劃分頻段劃分：

國際上規(guī)定30KHz以下為甚低頻、超低頻，30KHz以上每10倍依次劃分為低、中、高、甚高、特高、超高等頻段(微波技術按波長劃分)。一般電子技術中，20Hz～20KHz內稱音頻，20Hz～10MHz內稱視頻，而30KHz～幾十GHz內稱射頻。電子測量技術也有按30KHz（或100KHz）為界來劃分，30KHz以下為低頻，30KHz以上為高頻。6.1.2頻率或時間標準（續(xù)）微觀時標：原子秒原子時（記作AT）：以原子或分子內部能級躍遷所輻射或吸收的電磁波的頻率作為基準。銫-133（）原子基態(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，其準確度可達量級。注意：①原子時穩(wěn)定，是由原子本身結構及其運動的永恒性決定的。自1972年1月1日零時起，由天文秒改為原子秒，使時間標準由實物基準轉變?yōu)樽匀换鶞省?/p>

②電子儀器常采用石英頻率標準。原因在于：石英晶體的機械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性很高，振蕩頻率受外界因數的影響較小，因而較穩(wěn)定；石英頻標發(fā)展快，六十年來將準確度和穩(wěn)定度提高了4個數量級；石英晶體振蕩器結構簡單，制造、維護、使用方便，且準確度能滿足大多數測量要求。故，作為一種次級標準，已成為最常用的頻標。（時標就是頻標）6.1.3頻率（時間）測量方法

1.直讀法

工程中，常用電動系頻率表測量工頻信號的頻率，并用電動系相位表測量相位。因指針式電工儀表的操作簡便、成本低，能滿足工程測量的準確度。

2.電路參數測量法

通過測電路參數來測頻。電橋法：把被測作交流電橋的電源，調節(jié)橋臂參數使電橋平衡，由平衡條件得被測頻率。此法誤差較大，已很少用。（見第二章）諧振法：將被測作諧振電路的電源，通過改變電路參數使電路諧振，由電路參數可得被測頻率。兩種方法都可在所調節(jié)的電路參數上直接按頻率刻度，測量時可直接讀出結果。6.1.3頻率（時間）測量方法（續(xù)）

3.示波器法

（1）直接測量法方法：掃描微調置“校正”位，調“時基開關”（即掃描速度），使屏上顯示適中穩(wěn)定的波形，由屏上讀得的一個周期的距離（單位cm）和時基開關檔位（單位s/cm）可得：式中T為被測周期（單位s），S為掃描速度（單位s/cm）。若使用“X擴展”，則應除以擴展系數。被測信號頻率為：（6-3）6.1.3頻率（時間）測量方法（續(xù)）

（4）相位測量

a.單蹤示波器法將被測二信號先后接入Y輸入進行顯示，記住第一個輸入信號顯示時的位置，則顯示第二個輸入信號時就可讀出相位差對應的距離，同時再讀出信號一個周期的距離，則被測結果為：此法可測三相交流信號的相序。此法較為費時，操作也相對復雜。

b.雙蹤示波器法雙蹤或雙線示波器測信號的相位差非常方便（見第四章）。

c.李沙育圖形法示波器工作在“X－Y”方式，據屏上顯示的橢圓度來求二信號的相位差。6.1.3頻率（時間）測量方法（續(xù)）4.F/V變換測量法

方法：將被測f經“F/V”變換成電壓，然后用電壓表測量電壓值來反映被測頻率。（也有“F/I”轉換成電流的）優(yōu)點：在于可連續(xù)監(jiān)測被測頻率的變化。采用“F/V”集成電路做成的測頻儀，最高可測幾兆赫的頻率。（可采用“T/V”變換來測信號的周期，再得頻率）

5.比較法

將被測頻率與標準已知頻率進行比較來得測量結果。

（1）拍頻法原理電路（見右）6.1.3頻率（時間）測量方法（續(xù)）將被測與標準頻率信號通過線性電路進行迭加，然后把迭加結果在示波器上觀察波形（或者送入耳機進行監(jiān)聽）。當fx＝fs時，線性迭加的振幅恒定；若fx≠fs，迭加的振幅是變化的。適于測低頻，且被測與標準信號波形應相同，目前很少應用。

(2)差頻法原理電路：將被測與標準信號送入非線性電路進行混頻，然后再用示波器等來監(jiān)測?；祛l結果中有fo＝fx－fs，若fx＝fs，則fo＝0，輸出直流，示波器易觀測。6.2電子計數器測頻率電子計數器不但能測頻率，還能測周期、相位差等，故稱為“通用計數器”。6.2.1測頻基本原理頻率的定義：周期性信號在一秒鐘內變化的周期。如果在一定的時間間隔Ts內計有周期信號的重復變化次數N，則頻率可寫為：這就是電子計數器測頻的基本原理。原理框圖：6.2.2電子計數器測頻的組成框圖組成框圖：各電路：放大整形：放大是對小信號，整形是將各種被測波形整形成脈沖（如采用施密特電路）。晶振：石英晶體振蕩器，產生頻率非常穩(wěn)定的脈沖信號。通常是1MHz或5MHz，穩(wěn)定度達～數量量級。6.2.2電子計數器測頻的組成框圖（續(xù)）分頻器：即為計數器，每輸入十個脈沖才輸出一個脈沖。多次分頻可獲得不同的時間基準（或時標信號）。門控：雙穩(wěn)電路，提高分頻信號的前沿陡度，使時基準確。主閘門：有與門電路一樣的功能，只有在門控信號作用下才能開啟，即在門控信號高電平期間脈沖通過閘門進入計數器被計數。此外，還有計數、譯碼、顯示等電路。6.2.3頻率測量原理工作過程：被測信號經放大整形后送入閘門；晶振信號經分頻得時間基準送門控電路，門控電路在所選時間基準內輸出高電平，從而打開主閘門；在主閘門打開期間，被測信號整形后的脈沖通過主閘門進入計數器被計數；然后再譯碼和顯示。6.2.4誤差分析

據誤差傳遞公式，測頻的誤差為最大誤差

誤差有兩部分，第一項是計數相對誤差；第二項是主閘門開啟時間誤差，取決于晶振的準確度。

1.計數誤差計數誤差也叫量化誤差或±1個字誤差，是電子計數器的固有誤差，也是數字儀表特有的誤差。6.2.4誤差分析（續(xù)）產生原因：由被測信號和門控信號之間不同步及周期關系任意性引起的。被測信號與門控信號間沒有同步鎖定關系，門控信號的起始點隨開機時刻而隨機；被測信號周期是任意的，而門控信號周期是一定的。當Ts與被測Tx的整數倍相當時，產生±1誤差更為典型。波形圖中，Ts與8Tx相當，無論t1時刻是提前還是推遲均計數脈沖N=8。對圖示t1時刻，若Ts約小于8Tx，則計數脈沖N=7（即前后兩個脈沖不被計入）；若Ts約大于8Tx，則計數脈沖N=9（即前后兩個脈沖被計入）。所以，dN=±1，量化誤差的相對誤差為6.2.4誤差分析（續(xù)）注意：①與fxTs成反比。②當被測fx一定，閘門開啟時間Ts越大，±1量化誤差對測頻誤差影響越小；當閘門開啟時間Ts一定，被測頻率fx越高，±1量化誤差對測頻誤差影響越小。故，電子計數器測頻適于測高頻頻率。

2.標準頻率誤差閘門時間不準引起閘門時間相對誤差。產生原因：主要是晶振頻率準確度，而整形電路、分頻電路、閘門的開關速度等因素也產生影響。設晶振頻率fc，分頻系數為K，則Ts=KTc=K/fc，其誤差為：6.2.5頻率比測量指測量兩個被測信號頻率的比。原理框圖：與測頻率框圖比，除晶振電路被另一輸入電路所代替外，其余均相同。工作原理：類似測頻，只是控制閘門的不是標準信號，而是被測信號而已。當K置“1T”時，若計數器計N個A信號脈沖，則有TB=NTA，即當K置其它位(設周期倍率為m)，則同理有mTB=NTA，即注意：當fA/fB不變，則倍率m大，計數N值也大，其±1量化誤差影響減小。應用，調試數字電路（如計數器、分頻器、倍頻器等）。6.2.6脈沖累計測量指在一較長時間內對脈沖次數的累計，具有統(tǒng)計性質的測量。原理框圖：注意：類似測頻，只是閘門開啟時間較長，由人工手動使門控翻轉來打開和關閉閘門進行計數。

綜上三種測量，原理類似，只是門控輸入信號不同：測頻是石英晶體振蕩器產生的標準作時標，測頻率比是以被信號之一作時標，脈沖累計是人工給時標。6.3電子計數器測時間

時間測量在科學技術各領域中十分重要。時間測量主要指周期、上升時間、時間間隔等的測量。6.3.1電子計數器測周期的基本原理

1.原理框圖

T與f互為倒數，則將測頻的被測通道與標準通道對調即可。原路框圖：6.3.1電子計數器測周期的基本原理（續(xù)）注意：采用周期倍率是為了增大主閘門的開啟時間，使N′值大，減小量化誤差影響。因為顯示數字位數是一定的，則被測周期?。l率高）時，周期倍率就要選大，而時標就要選??；相反，被測周期大（頻率低），周期倍率就要選小，而時標就要選大一些?？梢?，采用周期倍率和時標，是為了擴展測量范圍的。6.3.2誤差分析類似測頻的誤差分析。據誤差傳遞公式，由Tx=NTs可得寫成增量形式

1.量化誤差因△N＝±1，而N＝Txfs，有注意：量化誤差的影響在被測周期Tx?。搭l率高）時大，這與測頻時剛好相反。2.晶振誤差同測頻，為

6.3.2誤差分析（續(xù)）注意：晶振準確度和穩(wěn)定性的影響與測頻相同。則總誤差為

3.轉換誤差（或觸發(fā)誤差）被測信號受干擾時（如尖脈沖Un），門控電路提前在A′觸發(fā)，使門控輸出開啟閘門信號時間為Tx′，產生ΔT1轉換誤差。近似分析，利用（b）圖來計算ΔT1。圖中ab為正弦波上A點的切線，其斜率為：6.3.2誤差分析（續(xù)）于是轉換誤差為

4.總誤差將量化誤差、晶振準確度影響、觸發(fā)誤差按絕對值公式合成總誤差：誤差曲線：左圖所示。其中10Tx和100Tx兩條為采用多周測量的誤差曲線。6.3.2誤差分析（續(xù)）注意：利用電子計數器測周①適于低頻（因Tx大，±1誤差影響?。虎跁r標要?。╢s大，±1誤差影響小）；③采用多周期測量?？蓽p小±1誤差影響，還可減小觸發(fā)誤差的影響。對前者，計數N大，±1誤差影響就小；對后者，因一個△Tn對應門控輸出的一次開啟時間，若10個周期則有(△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。6.3.3時間間隔的測量我們講的時間間隔，指交流信號上任意兩點間距離代表的時間。對脈沖波，主要有上升時間、脈寬等。交流信號的周期，實際上也是時間間隔，只是為兩周波形上同電位點間的時間間離。原理框圖：

B1、B2：兩個同特性的獨立通道，各自均有觸發(fā)性極選擇和觸發(fā)電平調節(jié)。K：開關，用于選擇兩個通道輸入信號的種類，當K閉合時兩個通道輸入同一信號。6.3.3時間間隔的測量（續(xù)）工作原理：K閉合：B1、B2輸入同一信號。若B1、B2選同極性觸發(fā)，但觸發(fā)電平選得不同，則可測上升時間，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，則可測脈沖寬度，如（d）圖所示。K斷開：B1、B2分別輸入兩個信號。調各自的觸發(fā)極性和電平，可測兩個信號上升沿間的時間間隔，如（b）圖所示.6.4電子計數器測量相位

相位差的測量，前述示波器測量法，雖直觀方便，但準確度較低；電子計數器測量法，則準確度較高。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，在被測信號由負向正通過零點或由正向負通過零點時產生脈沖，加到門控電路。6.4.1電路組成（續(xù)）門控：如“R-S”觸發(fā)器電路，一個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。時標信號：包括晶振、分頻電路。門控輸出高電平期間閘門開啟，時標信號通過