第6章 頻率和時(shí)間測(cè)量及儀器

第7章頻率測(cè)試與儀器7.1概述7.2電子計(jì)數(shù)器概述7.3通用電子計(jì)數(shù)器7.4電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差7.5通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例7.6數(shù)字相位計(jì)本章小結(jié)1第7章頻率和時(shí)間測(cè)量及儀器學(xué)習(xí)參考：電子計(jì)數(shù)器可以用來(lái)測(cè)量頻率、周期、時(shí)間等量，通過(guò)擴(kuò)展還可以構(gòu)成頻率計(jì)、相位計(jì)，是電子測(cè)量三大儀器之一。要求通過(guò)學(xué)習(xí)了解測(cè)頻的方法、電子計(jì)數(shù)器的組成、技術(shù)指標(biāo)，理解它的工作原理、掌握它的使用方法。

本章要點(diǎn)：通用電子計(jì)數(shù)器的組成、測(cè)量原理、測(cè)量誤差的來(lái)源及減小措施，通用電子計(jì)數(shù)器的使用方法、擴(kuò)頻方法，數(shù)字相位計(jì)的工作原理。

27.1概述在相等時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)發(fā)生的現(xiàn)象稱為周期現(xiàn)象，該時(shí)間間隔稱為周期。在單位時(shí)間內(nèi)周期性過(guò)程重復(fù)、循環(huán)或振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率，用周期的倒數(shù)來(lái)表示，單位為赫茲（Hz）。頻率和周期互為倒數(shù)，是最基本的參量。測(cè)量頻率的方法有很多，按照其工作原理分為無(wú)源測(cè)量法、比較法、示波器法和計(jì)數(shù)法等。無(wú)源測(cè)頻法又稱為直讀法，是利用電路的頻率響應(yīng)特性來(lái)測(cè)量頻率；比較法是利用已知的參考頻率同被測(cè)頻率進(jìn)行比較而測(cè)得被測(cè)信號(hào)的頻率；計(jì)數(shù)法在實(shí)質(zhì)上屬于比較法，其中最常用的方法是電子計(jì)數(shù)器法。電子計(jì)數(shù)器是一種最常見(jiàn)、最基本的數(shù)字化測(cè)量?jī)x器。37.1.1無(wú)源測(cè)頻法無(wú)源測(cè)頻法主要包括諧振法、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4一般情況下，L是預(yù)先設(shè)定的，可變電容采用標(biāo)準(zhǔn)電容。為了使用方便，可根據(jù)式（7-1）預(yù)先繪制配用相應(yīng)電感的fx-C曲線，或fx-θ（θ為C的旋轉(zhuǎn)角度）曲線。測(cè)量時(shí)，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電容使回路諧振，可從曲線上直接查出被測(cè)頻率。2.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)頻電橋的種類很多，常用的有文氏電橋、諧振電橋和雙T電橋，部分內(nèi)容參看有關(guān)書(shū)籍。3.頻率-電壓變換法頻率-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)5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。經(jīng)推導(dǎo)得知：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。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67.1.2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7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。2.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。87.2電子計(jì)數(shù)器概述7.2.1分類按其測(cè)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)器通用電子計(jì)數(shù)器即多功能電子計(jì)數(shù)器。它可以測(cè)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。fxV混頻濾波放大fs圖7.4差頻法測(cè)頻原理耳機(jī)9（2）頻率計(jì)數(shù)器頻率計(jì)數(shù)器是指專門(mén)用于測(cè)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)器計(jì)算計(jì)數(shù)器是指一種帶有微處理器、能夠進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算、求解復(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(cè)量方面。本章主要討論通用電子計(jì)數(shù)器。107.2.2基本組成如圖7.5所示為通用電子計(jì)數(shù)器組成框圖，主要由輸入通道、計(jì)數(shù)顯示電路、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路和邏輯控制電路組成。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11（1）輸入通道輸入通道即輸入電路，其作用是接受被測(cè)信號(hào)，并對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大整形，然后送入閘門(mén)（即主門(mén)或信號(hào)門(mén)）。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(hào)的通道。它對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大整形、變換，輸出計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)閘門(mén)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。B通道是閘門(mén)時(shí)間信號(hào)的通道，用于控制閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。輸入信號(hào)經(jīng)整形后用來(lái)觸發(fā)門(mén)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(kāi)啟閘門(mén)，而以隨后的一個(gè)脈沖關(guān)閉閘門(mén)，兩脈沖的時(shí)間間隔為閘門(mén)時(shí)間。在此期間，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)經(jīng)過(guò)A通道的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。為保證信號(hào)能夠12在一定的電平時(shí)觸發(fā)，輸入端可以對(duì)輸入信號(hào)的電平進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，并且可以任意選擇所需的觸發(fā)脈沖極性。有的通用計(jì)數(shù)器閘門(mén)時(shí)間信號(hào)通道有B、C兩個(gè)通道。B通道用作門(mén)控電路的啟動(dòng)通道，使門(mén)控電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)；C通道用作門(mén)控電路停止通道，使其復(fù)原。（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，用于對(duì)通過(guò)閘門(mén)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。（3）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)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(cè)量周期（測(cè)周）時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)經(jīng)過(guò)13放大整形和倍頻（或分頻），用作測(cè)量周期或時(shí)間的計(jì)數(shù)脈沖，稱為時(shí)標(biāo)信號(hào)；測(cè)頻時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形和一系列分頻，用作控制門(mén)控電路的時(shí)基信號(hào)，時(shí)基信號(hào)經(jīng)過(guò)門(mén)控電路形成門(mén)控信號(hào)。（4）邏輯控制電路邏輯控制電路產(chǎn)生各種控制信號(hào)，用于控制電子計(jì)數(shù)器各單元電路的協(xié)調(diào)工作。每一次測(cè)量的工作程序一般是：準(zhǔn)備→計(jì)數(shù)→顯示→復(fù)零→準(zhǔn)備下次測(cè)量等。7.2.3主要技術(shù)指標(biāo)1.測(cè)試功能測(cè)試功能即儀器所具備的測(cè)試功能，如測(cè)頻、測(cè)周等。142.測(cè)量范圍測(cè)量范圍即儀器的有效測(cè)量范圍，如測(cè)頻時(shí)的頻率上限和下限，測(cè)周時(shí)的周期最大值和最小值。3.輸入特性（1）輸入耦合方式輸入耦合方式有AC和DC兩種方式。AC耦合是指選擇輸入端交流成分加到電子計(jì)數(shù)器。DC耦合即直接耦合，輸入端信號(hào)直接加到電子計(jì)數(shù)器上。（2）觸發(fā)電平及其可調(diào)范圍B、C通道用于控制門(mén)控電路的工作狀態(tài)，只有被測(cè)信號(hào)達(dá)到一定的觸發(fā)電平時(shí)，門(mén)控電路的狀態(tài)才能翻轉(zhuǎn)，閘門(mén)才能適時(shí)地開(kāi)啟關(guān)閉，從而測(cè)出時(shí)間間隔等參量。因此，觸發(fā)電平必15須連續(xù)可調(diào)、具備一定的可調(diào)范圍。（3）輸入靈敏度輸入靈敏度是為保證儀器準(zhǔn)確完成測(cè)試功能所需的最小輸入電壓。（4）最高輸入電壓 最高輸入電壓即允許輸入的最大電壓，超過(guò)該電壓儀器不能正常工作，甚至損壞。 （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 測(cè)量準(zhǔn)確度常用測(cè)量誤差來(lái)表示。165.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?？梢蕴峁┑拈l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)顯示位數(shù)是指可以顯示的數(shù)字位數(shù)。（2）顯示時(shí)間顯示時(shí)間是指兩次測(cè)量之間顯示結(jié)果的時(shí)間，一般可調(diào)。（3）顯示器件顯示器件是指顯示測(cè)量結(jié)果或測(cè)量狀態(tài)的器件，如數(shù)碼管、發(fā)光管、液晶顯示器等。17（4）顯示方式顯示方式有記憶顯示和非記憶顯示兩種方式。記憶顯示只顯示最終結(jié)果，不顯示正在計(jì)數(shù)的過(guò)程，實(shí)際顯示的數(shù)字是剛結(jié)束的一次測(cè)量結(jié)果，顯示的數(shù)字保留至下一次計(jì)數(shù)過(guò)程結(jié)束時(shí)再刷新。非記憶顯示方式時(shí)，還可顯示正在計(jì)數(shù)的過(guò)程。7.輸出輸出是指儀器可輸出的時(shí)標(biāo)信號(hào)種類、輸出數(shù)碼的編碼方式及輸出電平。18 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)19系：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20 如果被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后，再經(jīng)過(guò)m次倍頻，則滿足關(guān)系：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21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。 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/m22 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大小的旋鈕稱為“時(shí)標(biāo)選擇”開(kāi)關(guān)。23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。7.3.3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：24TB=NTAN=TB/TA=fA/fB為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，可以采用類似多周期測(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：TB=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）fB25KfTB=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)

7.3.4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)26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。 7.3.5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。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S27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：+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28 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050%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29 τ=NTs/m

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閘門(mén)計(jì)數(shù)顯示門(mén)控電路倍頻器(m)晶振Tsfs=1/Ts分頻器(1/Kf)KfTs圖7.12通用電子計(jì)數(shù)器自檢原理框圖Ts/mKfTsTs/m30 由圖可見(jiàn)，自檢過(guò)程與測(cè)量頻率的原理相似，不過(guò)自檢時(shí)的計(jì)數(shù)脈沖不再是被測(cè)信號(hào)而是晶振信號(hào)經(jīng)倍頻后產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)信號(hào)。顯然，只要滿足關(guān)系：NTs/m=KfTsN=mKf或N=mKf±1 則說(shuō)明電子計(jì)數(shù)器及其電路等工作正常，之所以出現(xiàn)±1是因?yàn)橛?jì)數(shù)器中存在量化誤差的緣故。

31 7.4電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差

7.4.1測(cè)量誤差的來(lái)源 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差來(lái)源主要包括量化誤差、觸發(fā)誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。

1.量化誤差 量化誤差是在將模擬量變換為數(shù)字量的量化過(guò)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。它是由于電子計(jì)數(shù)器閘門(mén)的開(kāi)啟與計(jì)數(shù)脈沖的輸入在時(shí)間上的不確定性，即相位隨機(jī)性而產(chǎn)生的誤差。如圖7.13所示，雖然閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間均為T(mén)，但因?yàn)殚l門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻不一樣，計(jì)數(shù)值一個(gè)為9另一個(gè)卻為8，兩個(gè)計(jì)數(shù)值相差1個(gè)字。32 量化誤差的特點(diǎn)是：無(wú)論計(jì)數(shù)值N為多少，每次的計(jì)數(shù)值總是相差±1，即ΔN=±1。因此，量化誤差又稱為±1誤差或±1字誤差。又因?yàn)榱炕`差是在十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)過(guò)程中產(chǎn)生的，故又稱為計(jì)數(shù)誤差。 量化誤差的相對(duì)誤差為：

2.觸發(fā)誤差 觸發(fā)誤差又稱為變換誤差。被測(cè)信號(hào)在整形過(guò)程中，由于整形電路本身觸發(fā)電平的抖動(dòng)或者被測(cè)信號(hào)疊加有噪聲和計(jì)數(shù)脈沖閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間T閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間T圖7.13量化誤差產(chǎn)生示意圖計(jì)數(shù)脈沖N=8計(jì)數(shù)脈沖N=933各種干擾信號(hào)等原因，使得整形后的脈沖周期不等于被測(cè)信號(hào)的周期，由此而產(chǎn)生的誤差稱為觸發(fā)誤差。 如圖7.14所示，電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期時(shí)，被測(cè)信號(hào)控制門(mén)控電路的工作狀態(tài)而產(chǎn)生門(mén)控信號(hào)。門(mén)控電路一般采用施密特電路，當(dāng)被測(cè)信號(hào)達(dá)到施密特電路觸發(fā)電平VB時(shí)（即A1點(diǎn)），門(mén)控信號(hào)控制閘門(mén)打開(kāi)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)周期（設(shè)被測(cè)信號(hào)未被分頻）再次達(dá)到施密特電路觸發(fā)電平VB時(shí)（即A2點(diǎn)），門(mén)控信號(hào)控制閘門(mén)關(guān)閉。顯然，當(dāng)無(wú)噪聲和干擾信號(hào)的理想情況下，閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間就等于被測(cè)信號(hào)的周期Tx。但疊加有噪聲或干擾信號(hào)時(shí)，如圖所示，閘門(mén)在A'1就打開(kāi)，而在A'2時(shí)才關(guān)閉，閘門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間變?yōu)門(mén)'x，顯然不等于被測(cè)信號(hào)的周期，這樣就產(chǎn)生了觸發(fā)誤差。34 經(jīng)推導(dǎo)得知，觸發(fā)誤差的相對(duì)誤差等于

(7-2)

觸發(fā)電平VB0A1A'1A'2A2干擾信號(hào)干擾信號(hào)Tx閘門(mén)開(kāi)啟閘門(mén)關(guān)閉ΔT1ΔT2T'x=ΔT1+Tx+ΔT2被測(cè)信號(hào)圖7.14觸發(fā)誤差產(chǎn)生示意圖35式中，Un為噪聲或干擾信號(hào)的最大幅度，包括因觸發(fā)電平抖動(dòng)而產(chǎn)生的影響，一般情況下，可以不考慮觸發(fā)電平抖動(dòng)或漂移的影響；Um為被測(cè)信號(hào)電壓幅度；Kf為B通道分頻器分頻次數(shù)。 觸發(fā)誤差對(duì)測(cè)量周期的影響較大，而對(duì)測(cè)量頻率的影響較小，所以測(cè)頻時(shí)一般不考慮觸發(fā)誤差的影響。這是因?yàn)闇y(cè)頻時(shí)用來(lái)產(chǎn)生門(mén)控信號(hào)的是標(biāo)準(zhǔn)的晶振信號(hào)，疊加的干擾信號(hào)很小，故可以忽略觸發(fā)誤差的影響；而產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖的被測(cè)信號(hào)中雖然有干擾信號(hào)，但不影響對(duì)計(jì)數(shù)脈沖的計(jì)數(shù)，故不產(chǎn)生觸發(fā)誤差。 為了減小測(cè)周時(shí)觸發(fā)誤差的影響，除了盡量提高被測(cè)信號(hào)的信噪比外，還