時(shí)間與頻率的測量

時(shí)間與頻率的測量第1頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月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(yīng)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(jìn)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(jì)數(shù)器法是測量頻率最常用的方法，目前的電子計(jì)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(zhǔn)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(diǎn)。電子計(jì)數(shù)器是一種最常見、最基本的數(shù)字化測量儀器。第2頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jìn)行松耦合，通過改變電路參數(shù)使電路諧振，調(diào)節(jié)可變電容器使回路發(fā)生串聯(lián)諧振。諧振時(shí)回路電流達(dá)到最大（電流表指示），被測頻率可用下式計(jì)算。第3頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-1諧振法測頻率0if第4頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）電橋法利用電橋的平衡條件和頻率有關(guān)的特性來進(jìn)行頻率測量。凡是平衡條件與頻率有關(guān)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(diào)節(jié)R1、R2使電橋可在被測頻率點(diǎn)上達(dá)到平衡，根據(jù)以前學(xué)過的電橋平衡的原理，最終可求得被測頻率。第5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月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(biāo)準(zhǔn)信號經(jīng)線性元件（如耳機(jī)、電壓表）直接進(jìn)行疊加來實(shí)現(xiàn)頻率測量的，其原理電路如圖5-3所示。第6頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)兩個(gè)音頻信號逐漸靠近時(shí)，耳機(jī)中可以聽到兩個(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)律地來回?cái)[動(dòng)，被測信號的頻率近似等于標(biāo)準(zhǔn)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7頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(biāo)準(zhǔn)信號對被測信號進(jìn)行差頻變換來實(shí)現(xiàn)頻率測量的。其基本工作原理如圖5-4所示。和兩個(gè)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(nèi)，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)信號頻率，當(dāng)耳機(jī)中聽不到聲音時(shí)，表明兩個(gè)信號頻率近似相等。第8頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2通用電子計(jì)數(shù)器及其應(yīng)用5.2.1計(jì)數(shù)器概述1．電子計(jì)數(shù)器的分類按其測試功能的不同，電子計(jì)數(shù)器分為以下幾類：（1）通用電子計(jì)數(shù)器：是多功能電子計(jì)數(shù)器。它可以測量頻率、頻率比、周期、時(shí)間間隔及累加計(jì)數(shù)等，通常還具有自檢功能。（2）頻率計(jì)數(shù)器：指專門用于測量高頻和微波頻率的電子計(jì)數(shù)器，它具有較寬的頻率范圍。（3）計(jì)算計(jì)數(shù)器指的是一種帶有微處理器、能夠進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算、求解較復(fù)雜方程式等功能的電子計(jì)數(shù)器。（4）特種計(jì)數(shù)器是指具有特殊功能的電子計(jì)數(shù)器。如可逆計(jì)數(shù)器、預(yù)置計(jì)數(shù)器、程序計(jì)數(shù)器和差值計(jì)數(shù)器等，它們主要用于工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，尤其在自動(dòng)控制和自動(dòng)測量方面。第9頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電子計(jì)數(shù)器基本組成

（1）輸入通道（2）計(jì)數(shù)顯示電路（3）邏輯控制電路（4）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路第10頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

電子計(jì)數(shù)器基本組成方框

第11頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(jìn)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(gè)獨(dú)立的單元電路。

A通道是計(jì)數(shù)脈沖信號的通道。它對輸入信號進(jìn)行放大整形、變換，輸出計(jì)數(shù)脈沖信號。計(jì)數(shù)脈沖信號經(jīng)過閘門進(jìn)入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的觸發(fā)脈沖源。第12頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

B通道是閘門時(shí)間信號的通道，用于控制閘門的開啟和關(guān)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(zhuǎn)。以一個(gè)脈沖開啟閘門，而以隨后的一個(gè)脈沖關(guān)閉閘門，兩脈沖的時(shí)間間隔為閘門時(shí)間。在此期間，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器對經(jīng)過A通道的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。第13頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）計(jì)數(shù)顯示電路

計(jì)數(shù)顯示電路是一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示電路，將被測信號轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)脈沖）進(jìn)行計(jì)數(shù)，并以十進(jìn)制方式顯示計(jì)數(shù)結(jié)果。計(jì)數(shù)顯示電路由計(jì)數(shù)器、寄存器、譯碼器、顯示電路組成。第14頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號由石英晶體振蕩器提供，作為電子計(jì)數(shù)器的內(nèi)部時(shí)間基準(zhǔn)。測周期時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號經(jīng)過放大整形和倍頻（或分頻），用作測周期時(shí)的計(jì)數(shù)脈沖，稱為時(shí)標(biāo)信號；測頻時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shí)基信號，時(shí)基信號經(jīng)過門控電路形成門控信號。第15頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(shí)的門控信號、時(shí)間測量的時(shí)標(biāo)信號等，用于控制電子計(jì)數(shù)器各單元電路的協(xié)調(diào)工作。一般每一次測量的工作程序是：

準(zhǔn)備計(jì)數(shù)顯示復(fù)零準(zhǔn)備下次測量→→→→第16頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月測周期時(shí):

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shí)的計(jì)數(shù)脈沖，稱為時(shí)標(biāo)信號；測頻率時(shí):

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shí)基信號。第17頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3.電子計(jì)數(shù)器的主要技術(shù)指標(biāo)

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(diào)范圍（3）輸入靈敏度（4）最高輸入電壓（5）輸入阻抗第18頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

(5)測量準(zhǔn)確度

(6)閘門時(shí)間和時(shí)標(biāo)

(7)顯示及工作方式

(8)輸出第19頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2電子計(jì)數(shù)器測量頻率倍頻系數(shù)—m分頻系數(shù)—Kf

第20頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

fx——被測信號頻率，其倒數(shù)為周期Tx；

N——閘門開啟期間十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)出

的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)；

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(shí)間——Kf

Ts閘門時(shí)間選擇——調(diào)節(jié)Kf的旋鈕；第21頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月公式關(guān)系設(shè)計(jì)數(shù)結(jié)果為N：（N個(gè)計(jì)數(shù)的周期）（門控時(shí)間）第22頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月為了使N值能夠直接表示fx:即當(dāng)閘門時(shí)間為1×10ns(n為整數(shù))，并且使閘門開啟時(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)，無需對計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行換算，就可直接讀出測量結(jié)果。常取mKfTs

=1ms、10ms、0.1s、1s、10s等幾種閘門時(shí)間。第23頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2.3電子計(jì)數(shù)器測量周期

第24頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月TX

Kf——為閘門時(shí)間；

Kf——分頻器分頻次數(shù)；

Ts——為晶振信號周期；調(diào)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(shí)標(biāo)選擇”開關(guān)。第25頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2.4電子計(jì)數(shù)器的其他應(yīng)用

1.測量頻率比

第26頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.測量累加計(jì)數(shù)

累加計(jì)數(shù)指的是在限定時(shí)間內(nèi)，對輸入的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行累加。第28頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月累加計(jì)數(shù)的測量是在限定時(shí)間內(nèi)，對輸入的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)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(jì)數(shù)脈沖信號由A輸入通道輸入，經(jīng)放大整形電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號?？刂菩盘栍葿輸入通道輸入，當(dāng)加入一個(gè)啟動(dòng)信號后，時(shí)間閘門打開，計(jì)數(shù)器立即對計(jì)數(shù)信號脈沖進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，當(dāng)再加入一個(gè)停止信號時(shí)，時(shí)間閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。此時(shí)計(jì)數(shù)器所顯示的計(jì)數(shù)值N，就是從啟動(dòng)到停止兩信號間輸入計(jì)數(shù)脈沖信號的脈沖個(gè)數(shù)，即Nx=N。第29頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3.測量時(shí)間間隔第30頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖5-10所示為計(jì)數(shù)器測量兩個(gè)脈沖之間時(shí)間間隔的原理框圖，其測量原理與測量周期原理相似，相當(dāng)于用被測信號來控制計(jì)數(shù)。兩個(gè)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(guān)閉。A信號用來打開閘門，B信號用來關(guān)閉閘門，時(shí)標(biāo)信號Tc作為計(jì)數(shù)脈沖，在閘門打開的時(shí)間內(nèi)，由計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，則兩個(gè)信號之間的時(shí)間間隔為tab=N·TC。第31頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月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32頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月由圖可見，自檢就是電子計(jì)數(shù)器對內(nèi)部時(shí)間基準(zhǔn)信號源進(jìn)行測量，檢測過程與測量頻率的原理相似，不過自檢時(shí)的計(jì)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(shí)標(biāo)信號Tc。顯然，此時(shí)計(jì)數(shù)值為N=TS/TC

。第33頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3電子計(jì)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(biāo)準(zhǔn)頻率誤差第34頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）量化誤差量化誤差是在將模擬量轉(zhuǎn)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35頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月量化誤差的特點(diǎn)是：

無論計(jì)數(shù)值為多少,每次的計(jì)數(shù)值總是相差±1。第36頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月量化誤差的公式為：量化誤差的相對誤差公式為：第37頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月量化誤差公式分析:從公式可看出，總讀N數(shù)越大，γN越小，測量的相對準(zhǔn)確度就越高。例如：計(jì)數(shù)器讀數(shù)N=100時(shí)，γN=±1%

讀數(shù)N=10000時(shí)，γN=±0.01% 同是±1個(gè)字的誤差，但對測量準(zhǔn)確度的影響卻大不相同。第38頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）觸發(fā)誤差

第39頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月觸發(fā)誤差又稱為轉(zhuǎn)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(dòng)，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(shí)間為:第40頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月觸發(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41頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差

標(biāo)準(zhǔn)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42頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.測量誤差的分析（2）測周誤差：（1）測頻誤差：第43頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月要減小量化誤差對測頻的影響，應(yīng)設(shè)法增大計(jì)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(shí)標(biāo)信號；在B通道中增大分頻次數(shù)Kf，延長閘門時(shí)間；可以直接測量高頻信號的頻率。第44頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月要減小測周量化誤差應(yīng)設(shè)法增大計(jì)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(shí)標(biāo)信號；在B通道中增大分頻次數(shù)Kf，即延長閘門時(shí)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45頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4通用計(jì)數(shù)器實(shí)例

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

累加計(jì)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46頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

4）閘門時(shí)間10ms、0.1s、1s、10s。

5）時(shí)標(biāo)（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47頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）工作原理主要組成：輸入通道，預(yù)定標(biāo)分頻器主機(jī)測量單元，晶振，顯示單元。

主機(jī)測量單元直接計(jì)數(shù)頻率為10MHZ，在輸入高于10MHZ頻率信號時(shí)，需要經(jīng)過預(yù)定標(biāo)分頻器除以10后，送入主機(jī)測量。

第48頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月主機(jī)測量單元第49頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月電路由大規(guī)模集成電路ICM7226B組成。

ICM7226B:多位計(jì)數(shù)器，寄存器電路,

時(shí)基電路,

邏輯控制電路,

顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路,

溢出和消隱電路，并可直接驅(qū)動(dòng)外接的共陰極LED顯示數(shù)碼管，以掃描方式顯示測量結(jié)果。第50頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)IC7226B功能輸入端和閘門時(shí)間輸入端分別接入不同的掃描位脈沖信號時(shí)，其測量邏輯功能發(fā)生變化。分別完成“頻率”、“周期”、“計(jì)數(shù)”、“自檢”等功能。閘門時(shí)間在時(shí)標(biāo)為10MHz時(shí)為10ms、0.1s、1s、10s，在其他時(shí)標(biāo)時(shí)，閘門時(shí)間將隨之作相應(yīng)變化。第51頁，課件共54頁，