時間與頻率的測量

時間與頻率的測量第一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三5.1概述頻率的測量可以分為模擬法和數(shù)字法兩大類，模擬法又可分為直接法和比較法兩種，直接法又有諧振法和電橋法兩種。諧振法是利用電路的頻率響應特性來測量頻率。電橋法是利用電橋平衡原理來測量頻率。比較法有拍頻法、差頻法和示波器法。比較法是利用已知的參考頻率同被測頻率進行比較而測得被測頻率的。示波器法是先讀出波形在示波器上顯示的周期再換算成頻率。電子計數(shù)器法是測量頻率最常用的方法，目前的電子計數(shù)器由于使用大規(guī)模集成電路，因而具有測量頻率范圍寬、準確度高、測量速度快、數(shù)字顯示、體積小、可靠性高等一系列優(yōu)點。電子計數(shù)器是一種最常見、最基本的數(shù)字化測量儀器。第二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三1．直接測頻法常用的直接測頻法分為諧振法和電橋法兩種。（1）諧振法諧振法測頻的基本原理如圖5-1所示。將被測信號作為諧振電路的電源，經(jīng)互感與串聯(lián)諧振回路進行松耦合，通過改變電路參數(shù)使電路諧振，調節(jié)可變電容器使回路發(fā)生串聯(lián)諧振。諧振時回路電流達到最大（電流表指示），被測頻率可用下式計算。第三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三圖5-1諧振法測頻率0if第四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三（2）電橋法利用電橋的平衡條件和頻率有關的特性來進行頻率測量。凡是平衡條件與頻率有關的任何電橋都可用作測頻用，但要求電橋的頻率特性盡可能尖銳?？捎糜跍y頻的電橋種類很多，常用的有文氏電橋、諧振電橋和雙T電橋。如圖5-2所示為電橋法測頻原理圖。調節(jié)R1、R2使電橋可在被測頻率點上達到平衡，根據(jù)以前學過的電橋平衡的原理，最終可求得被測頻率。第五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三2．比較測頻法

常用的比較法有拍頻法、差頻法和示波器法。（1）拍頻法拍頻法是將被測信號與標準信號經(jīng)線性元件（如耳機、電壓表）直接進行疊加來實現(xiàn)頻率測量的，其原理電路如圖5-3所示。第六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三當兩個音頻信號逐漸靠近時，耳機中可以聽到兩個高低不同的音調。當這兩個頻率靠近到差值不到4～6Hz時，就只能聽到一個近于單一音調的聲音。這時，聲音的響度作周期性的變化，再觀察電壓表，會發(fā)現(xiàn)指針在有規(guī)律地來回擺動，被測信號的頻率近似等于標準信號頻率。拍頻法通常只用于音頻的測量，而不宜用于高頻測量。第七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三（2）差頻法高頻段測頻通常采用差頻法。差頻法是利用非線性器件和標準信號對被測信號進行差頻變換來實現(xiàn)頻率測量的。其基本工作原理如圖5-4所示。和兩個信號經(jīng)混頻器混頻和濾波器濾波后輸出二者的差頻信號，該差頻信號落在音頻信號范圍內，調節(jié)標準信號頻率，當耳機中聽不到聲音時，表明兩個信號頻率近似相等。第八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三5.2通用電子計數(shù)器及其應用5.2.1計數(shù)器概述1．電子計數(shù)器的分類按其測試功能的不同，電子計數(shù)器分為以下幾類：（1）通用電子計數(shù)器：是多功能電子計數(shù)器。它可以測量頻率、頻率比、周期、時間間隔及累加計數(shù)等，通常還具有自檢功能。（2）頻率計數(shù)器：指專門用于測量高頻和微波頻率的電子計數(shù)器，它具有較寬的頻率范圍。（3）計算計數(shù)器指的是一種帶有微處理器、能夠進行數(shù)學運算、求解較復雜方程式等功能的電子計數(shù)器。（4）特種計數(shù)器是指具有特殊功能的電子計數(shù)器。如可逆計數(shù)器、預置計數(shù)器、程序計數(shù)器和差值計數(shù)器等，它們主要用于工業(yè)生產(chǎn)自動化，尤其在自動控制和自動測量方面。第九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三2.電子計數(shù)器基本組成

（1）輸入通道（2）計數(shù)顯示電路（3）邏輯控制電路（4）標準時間產(chǎn)生電路第十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三

電子計數(shù)器基本組成方框

第十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三（1）輸入通道

輸入通道即輸入電路。其作用是接受被測信號，并對被測信號進行放大整形，然后送入閘門（即主門或信號門）。輸入通道通常包括A、B兩個獨立的單元電路。

A通道是計數(shù)脈沖信號的通道。它對輸入信號進行放大整形、變換，輸出計數(shù)脈沖信號。計數(shù)脈沖信號經(jīng)過閘門進入十進制計數(shù)器,是十進制計數(shù)器的觸發(fā)脈沖源。第十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三

B通道是閘門時間信號的通道，用于控制閘門的開啟和關閉。輸入信號經(jīng)整形后用來觸發(fā)門控電路（雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器），使其狀態(tài)翻轉。以一個脈沖開啟閘門，而以隨后的一個脈沖關閉閘門，兩脈沖的時間間隔為閘門時間。在此期間，十進制計數(shù)器對經(jīng)過A通道的計數(shù)脈沖進行計數(shù)。第十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三（2）計數(shù)顯示電路

計數(shù)顯示電路是一個十進制計數(shù)顯示電路，將被測信號轉換成于之成比例的脈沖信號，（由放大整形電路完成）。再對通過閘門的脈沖（即計數(shù)脈沖）進行計數(shù)，并以十進制方式顯示計數(shù)結果。計數(shù)顯示電路由計數(shù)器、寄存器、譯碼器、顯示電路組成。第十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三（3）標準時間產(chǎn)生電路

標準時間信號由石英晶體振蕩器提供，作為電子計數(shù)器的內部時間基準。測周期時，標準時間信號經(jīng)過放大整形和倍頻（或分頻），用作測周期時的計數(shù)脈沖，稱為時標信號；測頻時，標準時間信號經(jīng)過放大整形和一系列分頻，用作控制門控電路的時基信號，時基信號經(jīng)過門控電路形成門控信號。第十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三（4）邏輯控制電路邏輯控制電路其主要功能是產(chǎn)生各種控制信號，如產(chǎn)生測頻時的門控信號、時間測量的時標信號等，用于控制電子計數(shù)器各單元電路的協(xié)調工作。一般每一次測量的工作程序是：

準備計數(shù)顯示復零準備下次測量→→→→第十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三測周期時:

標準時間信號（晶振）經(jīng)過放大整形和倍頻電路，送入A通道，用作測周期時的計數(shù)脈沖，稱為時標信號；測頻率時:

標準時間信號（晶振）經(jīng)過放大整形和一系列分頻，送入B通道，用作控制門控電路的信號，稱為時基信號。第十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三3.電子計數(shù)器的主要技術指標

1)測試功能：

2)測量范圍：儀器的有效測量范圍

3)晶振頻率及穩(wěn)定度

4)輸入特性：（1）輸入耦合方式（2）觸發(fā)電平及其可調范圍（3）輸入靈敏度（4）最高輸入電壓（5）輸入阻抗第十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三

(5)測量準確度

(6)閘門時間和時標

(7)顯示及工作方式

(8)輸出第十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三5.2.2電子計數(shù)器測量頻率倍頻系數(shù)—m分頻系數(shù)—Kf

第二十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三

fx——被測信號頻率，其倒數(shù)為周期Tx；

N——閘門開啟期間十進制計數(shù)器計出

的計數(shù)脈沖個數(shù)；

fs——晶振信號頻率；Ts——晶振信號周期；m——倍頻系數(shù)；Kf

——分頻系數(shù)；閘門時間——Kf

Ts閘門時間選擇——調節(jié)Kf的旋鈕；第二十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三公式關系設計數(shù)結果為N：（N個計數(shù)的周期）（門控時間）第二十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三為了使N值能夠直接表示fx:即當閘門時間為1×10ns(n為整數(shù))，并且使閘門開啟時間的改變與計數(shù)器顯示屏上小數(shù)點位置的移動同步進行時，無需對計數(shù)結果進行換算，就可直接讀出測量結果。常取mKfTs

=1ms、10ms、0.1s、1s、10s等幾種閘門時間。第二十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三

5.2.3電子計數(shù)器測量周期

第二十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三TX

Kf——為閘門時間；

Kf——分頻器分頻次數(shù)；

Ts——為晶振信號周期；調節(jié)Kf的旋鈕稱為“周期倍乘率”;改變Ts/m的大小的旋鈕稱為“時標選擇”開關。第二十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三

5.2.4電子計數(shù)器的其他應用

1.測量頻率比

第二十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三第二十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三2.測量累加計數(shù)

累加計數(shù)指的是在限定時間內，對輸入的計數(shù)脈沖進行累加。第二十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三累加計數(shù)的測量是在限定時間內，對輸入的計數(shù)脈沖進行累加。其測量原理與測量頻率是相似的，其電路原理框圖如圖5-9所示，計數(shù)脈沖信號由A輸入通道輸入，經(jīng)放大整形電路轉換成脈沖信號?？刂菩盘栍葿輸入通道輸入，當加入一個啟動信號后，時間閘門打開，計數(shù)器立即對計數(shù)信號脈沖進行累加計數(shù)，當再加入一個停止信號時，時間閘門關閉，計數(shù)器停止計數(shù)。此時計數(shù)器所顯示的計數(shù)值N，就是從啟動到停止兩信號間輸入計數(shù)脈沖信號的脈沖個數(shù)，即Nx=N。第二十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三3.測量時間間隔第三十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三如圖5-10所示為計數(shù)器測量兩個脈沖之間時間間隔的原理框圖，其測量原理與測量周期原理相似，相當于用被測信號來控制計數(shù)。兩個被測信號分別由A端和B端輸入，用其跳變沿來控制閘門的開啟和關閉。A信號用來打開閘門，B信號用來關閉閘門，時標信號Tc作為計數(shù)脈沖，在閘門打開的時間內，由計數(shù)器進行計數(shù)，則兩個信號之間的時間間隔為tab=N·TC。第三十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三4.自檢（自校）

檢查儀器自身的邏輯功能以及電路的工作是否正常。

第三十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三由圖可見，自檢就是電子計數(shù)器對內部時間基準信號源進行測量，檢測過程與測量頻率的原理相似，不過自檢時的計數(shù)脈沖不再是被測信號而是晶振信號經(jīng)分頻后產(chǎn)生的時標信號Tc。顯然，此時計數(shù)值為N=TS/TC

。第三十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三5.3電子計數(shù)器的測量誤差分析1.測量誤差的來源量化誤差觸發(fā)誤差標準頻率誤差第三十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三（1）量化誤差量化誤差是在將模擬量轉換為數(shù)字量的量化過程中產(chǎn)生的誤差，是數(shù)字化儀器所特有的誤差，是不可消除的誤差。第三十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三量化誤差的特點是：

無論計數(shù)值為多少,每次的計數(shù)值總是相差±1。第三十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三量化誤差的公式為：量化誤差的相對誤差公式為：第三十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三量化誤差公式分析:從公式可看出，總讀N數(shù)越大，γN越小，測量的相對準確度就越高。例如：計數(shù)器讀數(shù)N=100時，γN=±1%

讀數(shù)N=10000時，γN=±0.01% 同是±1個字的誤差，但對測量準確度的影響卻大不相同。第三十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三（2）觸發(fā)誤差

第三十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三觸發(fā)誤差又稱為轉換誤差產(chǎn)生原因：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，被測信號疊加有噪聲，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(chǎn)生的誤差稱為觸發(fā)誤差。閘門開啟時間為:第四十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三觸發(fā)誤差的相對誤差：Un—為噪聲或干擾信號的最大幅度,Um—為被測信號電壓幅度,Kf—為B通道分頻器分頻次數(shù)。觸發(fā)誤差—對測量周期的影響較大，對測量頻率的影響較小。第四十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三（3）標準頻率誤差

標準頻率誤差指的是由于晶振信號不穩(wěn)定等原因而產(chǎn)生的誤差。第四十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三2.測量誤差的分析（2）測周誤差：（1）測頻誤差：第四十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三要減小量化誤差對測頻的影響，應設法增大計數(shù)值N。在A通道中選用倍頻次數(shù)m較大的倍頻器，即選用短時標信號；在B通道中增大分頻次數(shù)Kf，延長閘門時間；可以直接測量高頻信號的頻率。第四十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三要減小測周量化誤差應設法增大計數(shù)值N。在A通道中選用倍頻次數(shù)m較大的倍頻器，即選用短時標信號；在B通道中增大分頻次數(shù)Kf，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。第四十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三5.4通用計數(shù)器實例

1.NFC-100多功能計數(shù)器（1）技術指標1）測試功能：頻率、周期、累加計數(shù)、自檢。2）測量范圍：測頻0.1Hz～100MHz,測周0.4μs～10s

累加計數(shù)1～108。

3）輸入特性（1）輸入耦合方式AC。（2）輸入電壓范圍30mV～10V，但不同量程的范圍不同。（3）輸入阻抗；。第四十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三

4）閘門時間10ms、0.1s、1s、10s。

5）時標（晶振）0.1μs。

6）顯示位數(shù)及顯示器件8位LED。

7）輸出:頻率:10MHz

電壓:≥1VP-P

波形:正弦波第四十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三（2）工作原理主要組成：輸入通道，預定標分頻器主機測量單元，晶振，顯示單元。

主機測量單元直接計數(shù)頻率為10MHZ，在輸入高于10MHZ頻率信號時，需要經(jīng)過預定標分頻器除以10后，送入主機測量。

第四十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三主機測量單元第四十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三電路由大規(guī)模集成電路ICM7226B組成。

ICM7226B:多位計數(shù)器，寄存器電路,

時基電路,

邏輯控制電路,

顯示譯碼驅動電路,

溢出和消隱電路，并可直接驅動外接的共陰極LED顯示數(shù)碼管，以掃描方式顯示測量結果。第五十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期三當IC7226B功能輸入端和閘門時間輸入端分別接入不同的掃描位脈沖信號時，其測量邏輯功能發(fā)生變化。分別完成“頻率”、“周期”、“計數(shù)”、“自檢”等功能。閘門時間在時標為10MHz時為10ms、0.1s、1s、10s，在其他時標時，閘門時間將隨之作相應變化。第五十一頁，共五十四頁，