電子測(cè)量與儀器課件第七章頻率和時(shí)間測(cè)量及儀器1

第7章頻率和時(shí)間測(cè)量及儀器

7.1概述時(shí)間:含意有二，時(shí)刻和時(shí)間間隔周期:在相等時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)發(fā)生的現(xiàn)象稱(chēng)為周期現(xiàn)象，該時(shí)間間隔稱(chēng)為周期。頻率:描述周期現(xiàn)象最重要的物理量，周期信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)變化的次數(shù)通常用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量時(shí)間和頻率。計(jì)數(shù)法在實(shí)質(zhì)上屬于比較法，比較法是利用已知的標(biāo)準(zhǔn)的參考頻率同被測(cè)頻率進(jìn)行比較而測(cè)得被測(cè)信號(hào)的頻率。17.1.1無(wú)源測(cè)頻法(直讀法）主要包括諧振法、電橋法和頻率-變換電壓法等方法。1.諧振法圖7.1所示為諧振法測(cè)頻基本原理圖。被測(cè)信號(hào)經(jīng)互感M與LC串聯(lián)諧振回路進(jìn)行松耦合，改變可變電容器C，使回路發(fā)生串聯(lián)諧振。諧振時(shí)回路電流I達(dá)到最大。被測(cè)頻率fx可用下式計(jì)算:（7-1）式中，f0為諧振回路的諧振頻率，L、C分別為諧振回路諧振電感和諧振電容。VLCMfx圖7.1諧振法測(cè)頻原理22.電橋法凡是平衡條件與頻率有關(guān)的任何電橋都可用來(lái)測(cè)頻，但要求電橋的頻率特性盡可能尖銳。測(cè)頻電橋的種類(lèi)很多，常用的有文氏電橋、諧振電橋和雙T電橋頻率-電壓變換法測(cè)頻就是先把頻率變換為電壓或電流，然后以頻率刻度的電壓表或電流表來(lái)指示被測(cè)頻率。圖7.2(a)為頻率-電壓變換法測(cè)正弦波頻率原理框圖。首先把正弦信號(hào)變換為頻率與之相等的尖脈沖uA，然后加至單穩(wěn)多諧振蕩器，產(chǎn)生頻率為fx、寬度為τ、幅度為Um的矩形脈沖列uB(t)，如圖7.2(b)所示3脈沖形成單穩(wěn)多諧振蕩器積分ux(fx)ABUoUoτUmuBtttuxuATxTxTx(b)(a)圖7.2頻率-電壓變換法測(cè)頻原理圖4

可見(jiàn)，當(dāng)Um、τ一定時(shí)，Uo指示就構(gòu)成頻率—電壓變換型直讀式頻率計(jì)，電壓表直接按頻率刻度。該頻率計(jì)最高頻率可達(dá)幾兆赫。57.1.2比較法有源比較測(cè)頻法主要包括拍頻法和差頻法。1.拍頻法拍頻法是將被測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)線性元件（如耳機(jī)、電壓表）直接進(jìn)行疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量的，其原理電路如圖7.3所示。V耳機(jī)fsfx(a)示波器(b)圖7.3拍頻法測(cè)頻原理6當(dāng)兩個(gè)音頻信號(hào)逐漸靠近時(shí)，耳機(jī)中可以聽(tīng)到兩個(gè)高低不同的音調(diào)。當(dāng)這兩個(gè)頻率靠近到差值不到4～6Hz時(shí)，就只能聽(tīng)到一個(gè)近于單一音調(diào)的聲音，這時(shí)，聲音的響度作周期性的變化，再觀察電壓表，會(huì)發(fā)現(xiàn)指針在有規(guī)律地來(lái)回?cái)[動(dòng)，示波器上則可得到如圖7.3(b)所示的波形。拍頻法通常只用于音頻的測(cè)量，而不宜用于高頻測(cè)量。72.差頻法高頻段測(cè)頻常用差頻法測(cè)量。差頻法是利用非線性器件和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行差頻變換來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量的，其工作原理如圖7.4所示。fx和fs兩個(gè)信號(hào)經(jīng)混頻器混頻和濾波器濾波后輸出二者的差頻信號(hào)，該差頻信號(hào)落在音頻信號(hào)范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率，當(dāng)耳機(jī)中聽(tīng)不到聲音時(shí)，表明兩個(gè)信號(hào)頻率近似相等。fxV混頻濾波放大fs圖7.4差頻法測(cè)頻原理耳機(jī)87.2電子計(jì)數(shù)器概述7.2.1分類(lèi)按其測(cè)試功能的不同，電子計(jì)數(shù)器分為以下幾類(lèi)：（1）通用電子計(jì)數(shù)器（2）頻率計(jì)數(shù)器（3）計(jì)算計(jì)數(shù)器（4）特種計(jì)數(shù)器97.2.2基本組成：A輸入通道閘門(mén)十進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示門(mén)控電路邏輯控制電路B輸入通道測(cè)頻累加計(jì)數(shù)測(cè)時(shí)間倍頻器晶振分頻器時(shí)標(biāo)選擇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路閘門(mén)時(shí)間選擇人工觸發(fā)功能變換圖7.5通用電子計(jì)數(shù)器的組成框圖107.2.3主要技術(shù)指標(biāo)

1.測(cè)試功能2.測(cè)量范圍3.輸入特性（1）輸入耦合方式：有AC和DC兩種方式（2）觸發(fā)電平及其可調(diào)范圍（3）輸入靈敏度（4）最高輸入電壓（5）輸入阻抗（輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容）。

4.測(cè)量準(zhǔn)確度

115.閘門(mén)時(shí)間和時(shí)標(biāo)閘門(mén)時(shí)間和時(shí)標(biāo)由標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間電路產(chǎn)生的信號(hào)決定。可以提供的閘門(mén)時(shí)間和時(shí)標(biāo)信號(hào)有多種。6.顯示及工作方式（1）顯示位數(shù)（2）顯示時(shí)間（3）顯示器件（4）顯示方式7.輸出輸出是指儀器可輸出的時(shí)標(biāo)信號(hào)種類(lèi)、輸出數(shù)碼的編碼方式及輸出電平。12 7.3通用電子計(jì)數(shù)器 7.3.1測(cè)量頻率

周期性信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)的次數(shù)稱(chēng)為頻率，即f=N/T式中，T為時(shí)間，單位為“s”；N為在時(shí)間T內(nèi)周期性現(xiàn)象的重復(fù)次數(shù)。 電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻原理框圖如圖7.6所示。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形，形成重復(fù)頻率為mfx的計(jì)數(shù)脈沖，作為閘門(mén)的輸入信號(hào)。門(mén)控電路的輸出信號(hào)稱(chēng)為門(mén)控信號(hào)，控制著閘門(mén)的啟閉，閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間等于分頻器輸出信號(hào)周期KfTs。只有當(dāng)閘門(mén)開(kāi)啟（圖中假設(shè)門(mén)控信號(hào)為高電平）時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖才能通過(guò)閘門(mén)進(jìn)入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器去計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)結(jié)果為N。則存在關(guān)系：13

N=KfTsfxfs=1/Ts放大整形電路閘門(mén)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器門(mén)控電路分頻器晶振fxKfTsKfTs顯示器TsTxKfTsTx圖7.6通用電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻原理框圖14

如果被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形，再經(jīng)過(guò)m次倍頻，則滿(mǎn)足：N=mKfTsfx式中，N為閘門(mén)開(kāi)啟期間十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)出的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)；fx為被測(cè)信號(hào)頻率，其倒數(shù)為周期Tx；Ts為晶振信號(hào)周期；m為倍頻次數(shù)；Kf為分頻次數(shù)，調(diào)節(jié)Kf的旋鈕稱(chēng)為“閘門(mén)時(shí)間選擇”（或“時(shí)基選擇”）開(kāi)關(guān)，與Ts的乘積等于閘門(mén)時(shí)間。 為了使N值能夠直接表示fx，常取mKfTs=1ms、10ms、0.1s、1s、10s等幾種閘門(mén)時(shí)間。即當(dāng)閘門(mén)時(shí)間為1×10ns(n為整數(shù))，并且使閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間的改變與計(jì)數(shù)器顯示屏上小數(shù)點(diǎn)位置的移動(dòng)同步進(jìn)行時(shí)，無(wú)需對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行換算，就可直接讀出測(cè)量結(jié)果。

15 7.3.2測(cè)量周期

頻率的倒數(shù)就是周期，電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期的原理與測(cè)頻原理相似，其原理框圖如圖7.7所示。KfTx放大整形電路閘門(mén)計(jì)數(shù)顯示門(mén)控電路倍頻器(m)晶振TxTxfs=1/Ts分頻器(1/Kf)KfTx圖7.7通用電子計(jì)數(shù)器測(cè)周原理框圖Ts/mKfTxTs/m16

門(mén)控電路由經(jīng)放大整形、分頻后的被測(cè)信號(hào)控制，計(jì)數(shù)脈沖是晶振信號(hào)經(jīng)倍頻后的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（即時(shí)標(biāo)信號(hào)）。存在關(guān)系：N=mKfTx/Ts式中，Tx與Kf的乘積等于閘門(mén)時(shí)間；Kf為分頻器分頻次數(shù)，調(diào)節(jié)的Kf旋鈕稱(chēng)為“周期倍乘選擇”開(kāi)關(guān)，通常選用10n，如×1、×10、×102、×103等，該方法稱(chēng)為多周期測(cè)量法；Ts為晶振信號(hào)周期，fs為晶振信號(hào)頻率；Ts/m通常選用1ms、1μs、0.1μs、10ns等，改變Ts/m大小的旋鈕稱(chēng)為“時(shí)標(biāo)選擇”開(kāi)關(guān)。17由上述分析得知，通用電子計(jì)數(shù)器無(wú)論是測(cè)頻還是測(cè)周，其測(cè)量方法是依據(jù)閘門(mén)時(shí)間等于計(jì)數(shù)脈沖周期與閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)通過(guò)的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)之積，然后根據(jù)被測(cè)量的定義進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算而得出被測(cè)量。同樣道理，也可以據(jù)此來(lái)測(cè)量頻率比、時(shí)間間隔、累加計(jì)數(shù)等。187.3.3測(cè)量頻率比頻率比即兩個(gè)信號(hào)的頻率之比，電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率比的原理框圖如圖7.8所示。其測(cè)量原理與測(cè)量頻率的原理相似。不過(guò)此時(shí)有兩個(gè)輸入信號(hào)加到電子計(jì)數(shù)器輸入端，如果fA＞fB，就將頻率為fB的信號(hào)經(jīng)B通道輸入，去控制閘門(mén)的啟閉，假設(shè)該信號(hào)未經(jīng)分頻器分頻，則閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間等于TB(=1/fB)；而把頻率為fA的信號(hào)從A通道輸入，假設(shè)該信號(hào)未經(jīng)過(guò)倍頻，設(shè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為N，則存在關(guān)系：TB=NTAN=TB/TA=fA/fB

19TB=1/fB放大整形電路B閘門(mén)計(jì)數(shù)顯示門(mén)控電路放大整形電路AfA=1/TATB圖7.8通用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率比原理框圖

TATBTAfA（B通道）（A通道）fB20為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，可以采用類(lèi)似多周期測(cè)量的方法，在B通道增加分頻器，對(duì)fB進(jìn)行Kf次分頻，使閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間擴(kuò)展Kf倍。則有：

KfTB=NTAfA/fB=TB/TA=N/Kf 當(dāng)對(duì)fA進(jìn)行m次倍頻，用mfA作為時(shí)標(biāo)信號(hào)時(shí)，存在關(guān)系：KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)

217.3.4累加計(jì)數(shù) 累加計(jì)數(shù)是指在限定時(shí)間內(nèi)，對(duì)輸入信號(hào)重復(fù)次數(shù)（即放大整形后的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)）進(jìn)行累加。其測(cè)量原理與測(cè)量頻率是相似的，不過(guò)此時(shí)門(mén)控電路改由人工控制。其電路原理框圖如圖7.9所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)S打在“啟動(dòng)”位置時(shí)，閘門(mén)開(kāi)啟，計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)開(kāi)關(guān)S打在“終止”位置時(shí)，閘門(mén)關(guān)閉，終止計(jì)數(shù)，累加計(jì)數(shù)結(jié)果由顯示電路顯示。22

啟動(dòng)閘門(mén)計(jì)數(shù)顯示門(mén)控電路放大整形電路A圖7.9通用電子計(jì)數(shù)器累加計(jì)數(shù)原理框圖TATA輸入信號(hào)A終止（A通道）啟動(dòng)終止S237.3.5測(cè)量時(shí)間間隔 圖7.10所示為測(cè)量時(shí)間間隔的原理框圖，其測(cè)量原理與測(cè)量周期原理相似，不過(guò)控制閘門(mén)啟閉的是兩個(gè)（或單個(gè)）輸入信號(hào)在不同點(diǎn)產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生由觸發(fā)器的觸發(fā)電平與觸發(fā)極性選擇開(kāi)關(guān)來(lái)決定當(dāng)測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)的時(shí)間間隔時(shí)，開(kāi)關(guān)S1處于“單獨(dú)”位置，測(cè)量原理如圖7.11所示。A輸入(設(shè)時(shí)間超前)產(chǎn)生起始觸發(fā)脈沖用于開(kāi)啟閘門(mén)，使十進(jìn)制計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)時(shí)標(biāo)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；B輸入（設(shè)時(shí)間滯后）則產(chǎn)生終止觸發(fā)脈沖以關(guān)閉閘門(mén)，停止計(jì)數(shù)。假設(shè)起始脈沖和終止脈沖分別選擇輸入A、B正極性（即開(kāi)關(guān)S2、S3置于“+”處）、50%電平處產(chǎn)生，計(jì)數(shù)值為N，則時(shí)間間隔TAB存在以下關(guān)系：24+觸發(fā)器1閘門(mén)計(jì)數(shù)顯示門(mén)控電路倍頻器(m)TsTAB圖7.10通用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量時(shí)間間隔原理框圖Ts/mTABTs/m晶振TA起始觸發(fā)器終止觸發(fā)器觸發(fā)器2-+-單獨(dú)公共TBS1S2S3觸發(fā)極性25

當(dāng)測(cè)量脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔如脈沖前沿tr、脈寬τ等參數(shù)時(shí)，將開(kāi)關(guān)S1置于“公共”位置，根據(jù)被測(cè)量的定義，調(diào)節(jié)觸發(fā)器1、2的觸發(fā)電平和觸發(fā)極性，選擇合適的時(shí)標(biāo)信號(hào)，即可測(cè)量。例如測(cè)量脈寬τ,根據(jù)脈寬定義，調(diào)節(jié)觸發(fā)器1、2的觸發(fā)電平均為50%，分別調(diào)節(jié)觸發(fā)極性選擇S1、S2為“+”、“－”。閘門(mén)開(kāi)啟期間計(jì)數(shù)結(jié)果為N，則τ=NTs/m050%輸入At050%輸入Bt起始脈沖終止脈沖開(kāi)啟時(shí)間計(jì)數(shù)脈沖NTAB圖7.11通用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量時(shí)間間隔示意圖26

7.3.6自檢（自校）

大多數(shù)電子計(jì)數(shù)器都具有自檢（即自校）功能，它可以檢查儀器自身的邏輯功能以及電路的工作是否正常，其原理框圖如圖7.12所示。KfTs閘