電子測(cè)量第三章.ppt

1、1）時(shí)間和頻率的定義 時(shí)間有兩個(gè)含義： “時(shí)刻”：即某個(gè)事件何時(shí)發(fā)生； “時(shí)間間隔”：即兩個(gè)時(shí)刻之間的間隔，表示某個(gè)事件相對(duì)于一開始時(shí)刻持續(xù)了多久。,第三章 頻率與時(shí)間的測(cè)量,3-1概述,頻率的定義：周期性事件在單位時(shí)間（1s）內(nèi)的重復(fù)的次數(shù)。,f1/T,周期：周期性事件重復(fù)出現(xiàn)一次的時(shí)間，以T表示。,1）天文時(shí)標(biāo),世界時(shí)（UT,Universal Time）:,以地球自轉(zhuǎn)周期(1天)確定的時(shí)間，即1/(246060)= 1/86400為1秒。其誤差約為107量級(jí)。,以地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，即公轉(zhuǎn)周期（1年）的 31 556 925.9747分之一為1秒。準(zhǔn)確度達(dá)1109,2）原子時(shí)標(biāo),196

2、7年10月，第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過了秒的新定義：,“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,770個(gè)周期的時(shí)間”。,2)頻率標(biāo)準(zhǔn),時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),頻率標(biāo)準(zhǔn),時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 頻率標(biāo)準(zhǔn),時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn),頻率標(biāo)準(zhǔn)：原子頻標(biāo),工程中常用頻率標(biāo)準(zhǔn),石英頻率標(biāo)準(zhǔn),3)頻率的劃分,國(guó)際規(guī)定：,30KHZ以下為甚低頻、超低頻； 30kHZ以上每10 倍頻程依次劃分為低、中、高、甚高、超高等頻段,電子技術(shù),音頻（20HZ20KH） 視頻（20HZ10MHZ) 射頻（30KHZ幾十GHZ),4、頻率的測(cè)量方法,各種測(cè)量方法有著不同的實(shí)現(xiàn)原理，其復(fù)雜程度不同。 各種測(cè)量方法

3、有著不同的測(cè)量準(zhǔn)確度和適用的頻率范圍。 數(shù)字化電子計(jì)數(shù)器法是時(shí)間、頻率測(cè)量的主要方法，是本章的重點(diǎn)。,下面介紹電子計(jì)數(shù)器的分類 按功能可以分為如下四類： （1）通用計(jì)數(shù)器： （2）頻率計(jì)數(shù)器： （3）時(shí)間計(jì)數(shù)器： （4）特種計(jì)數(shù)器:,三、頻率測(cè)量的數(shù)字方法,電子計(jì)數(shù)式是目前最好的測(cè)頻方法,多功能計(jì)數(shù)器,頻率計(jì),電子計(jì)數(shù)器面板及控鍵示意圖,3.2.1 電子計(jì)數(shù)法測(cè)頻原理,若某一信號(hào)在T 秒時(shí)間內(nèi)重復(fù)變化了N次， 則可知該信號(hào)的頻率為,通用計(jì)數(shù)器包括如下幾個(gè)部分 輸入通道：通常有A、B、C多個(gè)通道，以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能。輸入通道電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、整形等（但保持頻率不變），得到適合計(jì)數(shù)的脈沖信

4、號(hào)。 主門電路：完成計(jì)數(shù)的閘門控制作用。 計(jì)數(shù)與顯示電路：計(jì)數(shù)電路是通用計(jì)數(shù)器的核心電路，完成脈沖計(jì)數(shù)；顯示電路將計(jì)數(shù)結(jié)果（反映測(cè)量結(jié)果）以數(shù)字方式顯示出來。 時(shí)基產(chǎn)生電路：產(chǎn)生機(jī)內(nèi)時(shí)間、頻率測(cè)量的基準(zhǔn)，即時(shí)間測(cè)量的時(shí)標(biāo)和頻率測(cè)量的閘門信號(hào)。 控制電路：控制協(xié)調(diào)整機(jī)工作，即準(zhǔn)備測(cè)量顯示。,一、測(cè)頻原理,實(shí)質(zhì)：,比較法-,fx與時(shí)基信號(hào)頻率相比,TB,控制,1.時(shí)基電路,2. 整形放大電路,輸入正弦波的波形變換情況,3. 分頻器,4.計(jì)數(shù)與顯示,類型：?jiǎn)纹膳c可編程計(jì)數(shù)器 單片集成的中小規(guī)模IC如：74LS90（MC11C90）十進(jìn)制計(jì)數(shù)器；74LS390、CD4018(MC14018)為雙十

5、進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 可編程計(jì)數(shù)器IC如：Intel8253/8254等。 顯示器 LED、LCD 、熒光（VFD）等。 顯示電路：包括鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)電路。 如74LS47、CD4511等。 專用計(jì)數(shù)與顯示單元電路：如ICM7216D。,十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,鎖存和譯碼,5.控制電路與門控電路,控制信號(hào)的時(shí)間波形圖,1.測(cè)頻,TS,控制,Tx,Tc,2、頻率比的測(cè)量 頻率比fA/fB （假設(shè)fAfB）， 只要用fB的周期TB作為閘門，在TB時(shí)間內(nèi)對(duì)fA作周期計(jì)數(shù)即可。 方法： fA對(duì)fB分別由A、B兩通道輸入,3.2.2 測(cè)頻誤差分析,由,誤差傳遞公式：,兩個(gè)因素：,計(jì)數(shù)誤差,閘門時(shí)間誤差,1、,取決于閘門

6、開啟時(shí)刻與第一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的時(shí)間關(guān)系,計(jì)數(shù)誤差：,Ts,1、計(jì)數(shù)器誤差1誤差,(Ts:閘門時(shí)間）,可知：提高被測(cè)信號(hào)的頻率，或增大主門開啟時(shí)間， 都可降低量化誤差的影響,例 被測(cè)頻率fx1MHz，選擇閘門時(shí)間Ts0.1s，則由1誤差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差為：,但需注意：增大閘門時(shí)間將降低測(cè)量速度， 并且計(jì)數(shù)值的增加不應(yīng)超過計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量，否則將產(chǎn)生溢出（高位無法顯示）。,一臺(tái)可顯示6位數(shù)的計(jì)數(shù)式頻率計(jì)， 取單位為kHz。設(shè)fx=100kHz 當(dāng)選T0.1 s時(shí)，計(jì)數(shù)值10 000 顯示值為010 0.00 kHz； 當(dāng)選擇閘門時(shí)間T1 s時(shí)，計(jì)數(shù)值100 000 儀器顯示值為100.000kHz,當(dāng)選

7、T10 s ，計(jì)數(shù)值 1 000 000 則儀器顯示為00.0000 kHz,注意：閘門時(shí)間的選擇還影響測(cè)得頻率的有效數(shù)字位數(shù),2、閘門時(shí)間誤差標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差,閘門T的準(zhǔn)確度取決于石英振蕩器提供頻率的準(zhǔn)確度,通常，要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差小于測(cè)量誤差(1誤差）的一個(gè)數(shù)量級(jí)。,3、結(jié)論：,fx愈大則誤差愈小，,閘門時(shí)間愈大誤差也愈小,并且，測(cè)頻誤差以標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為極限,欲測(cè)量一個(gè)標(biāo)稱頻率f0=1MHZ的石英振蕩器，要求測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于110-6，選用的標(biāo)準(zhǔn)頻率準(zhǔn)確度和閘門時(shí)間應(yīng)為多少。,Ts=1s,3-3、電子計(jì)數(shù)器測(cè)周方法,一、測(cè)周必要性與基本原理,低時(shí)，不宜采用直接測(cè)頻法。,誤差大得驚人,實(shí)現(xiàn)：由Tx得

8、到閘門；在Tx內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)。,被測(cè)信號(hào)的周期,T0,fx10Hz，Ts1s， 1誤差10%,Tx內(nèi)脈沖數(shù),三、誤差分析,1.量化誤差,2.時(shí)標(biāo)信號(hào)誤差,例 某電子計(jì)數(shù)器，|fc|/fc=210-7，在測(cè)量周期時(shí)， 取T01 s，則當(dāng)被測(cè)信號(hào)周期Tx1 ms時(shí)測(cè)量誤差為多少,觸發(fā)誤差的影響,觸發(fā)誤差是指在測(cè)量周期時(shí)， 由于輸入信號(hào)的干擾噪聲影響，使輸入信號(hào)經(jīng)觸發(fā)器整形后，所形成的閘門時(shí)間與信號(hào)的周期產(chǎn)生差異。,干擾幅度：Vn,無干擾：,有干擾：,設(shè)輸入為正弦波：,下一個(gè),措施：,提高信噪比，以及多周期測(cè)量法,多周期測(cè)量的方法，即在B通道和門控雙穩(wěn)之間插入十進(jìn)分頻器，這樣使被測(cè)周期得到倍乘即

9、主門的開啟時(shí)間得到了倍乘。若周期倍乘開關(guān)選為10n，則計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖個(gè)數(shù)將擴(kuò)展10n倍，所以被測(cè)信號(hào)的閘門時(shí)間為 Tx Tx0 10n,多周期法：,多周期法：,使相鄰周期的 相互抵消,觸發(fā)相對(duì)誤差降為1/ 10,量化誤差降為1/ 10,“周期倍乘” 可選擇周期數(shù),例如： 由10個(gè)周期構(gòu)成 閘門時(shí)間,結(jié)論：,（1）誤差組成：量化誤差、轉(zhuǎn)換誤差、標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差,（2）周期倍乘提高了測(cè)量準(zhǔn)確度,（3）選用小的時(shí)標(biāo)可提高測(cè)周分辨力,（4）應(yīng)盡可能提高信噪比,誤差表達(dá)式：,m為周期倍乘數(shù),四 、中界頻率,測(cè)頻時(shí)，被測(cè)頻率fx愈低，則量化誤差愈大,測(cè)周時(shí)，被測(cè)頻率fx愈高，則量化誤差愈大,可見，存在一個(gè)中界

10、頻率fm,當(dāng)fxfz時(shí)，應(yīng)采用測(cè)頻 當(dāng)fxfz時(shí)，應(yīng)采用測(cè)周,測(cè)頻和測(cè)周誤差相等的頻率,測(cè)頻時(shí),測(cè)周時(shí),令兩式相等，并用Tz表示Tx：,于是，有：,或,例：若Ts=1s,T0=1us,則fz=1kHz,在該頻率上,測(cè)頻與測(cè)周的量化誤差相等,電子計(jì)數(shù)器面板及控鍵示意圖,【例3-1】 某電子計(jì)數(shù)器在測(cè)頻時(shí)， 若可取的最大的閘門寬度Ts=10 s在測(cè)周期時(shí)， 若可取的最小時(shí)標(biāo)T0=0.01s，并選擇周期倍乘m=104。 試確定該儀器可以選擇的中界頻率為多大。,一、基本模式,4-4、時(shí)間間隔的測(cè)量,方法：欲測(cè)量時(shí)間間隔的起始、終止信號(hào)分別由B、C通道輸入。 時(shí)標(biāo)由機(jī)內(nèi)提供。,時(shí)間間隔：指兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)之間

11、的時(shí)間段,時(shí)間間隔的參數(shù)有：周期、脈沖寬度、相位差,整形,整形,為完成各種時(shí)間間隔的測(cè)量，B、C輸入通道都設(shè)置有觸發(fā)極性(+、-)和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)。,一、脈沖參數(shù)的測(cè)量,三、相位差的測(cè)量,方法：兩個(gè)信號(hào)分別由B、C通道輸入， 并選擇相同的觸發(fā)極性和觸發(fā)電平,為減小測(cè)量誤差，分別取+、-觸發(fā)極性作兩次測(cè)量， 得到t1、t2再取平均，則,【例3-2】 某計(jì)數(shù)器最高標(biāo)準(zhǔn)頻率fc max10 MHz。 若忽略標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差與觸發(fā)誤差， 當(dāng)被測(cè)時(shí)間間隔T50 s時(shí)， 其測(cè)量誤差,5）自檢（自校） 功能：檢驗(yàn)儀器內(nèi)部電路及邏輯關(guān)系是否正常。 實(shí)現(xiàn)方法：用機(jī)內(nèi)的時(shí)基Ts（閘門信號(hào)）對(duì)時(shí)標(biāo)T0計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)結(jié)果應(yīng)為

12、： 例如：若選擇Ts=10ms, T0=1us,則自檢顯示應(yīng) 穩(wěn)定在N=10000。,理論上不存在量化誤差,典型通用計(jì)數(shù)器的組成,措施：,1、減小增益（使噪聲幅度同時(shí)減小，小于觸發(fā)窗寬度）,2、調(diào)整觸發(fā)窗位置,3、盡可能加寬施密特觸發(fā)器的觸發(fā)窗口,4、輸入濾波,提高計(jì)時(shí)器準(zhǔn)確度的常見改進(jìn)措施,1.克服計(jì)數(shù)錯(cuò)誤的常見措施,2.多周期同步法,計(jì)數(shù)器頻率或時(shí)間測(cè)量電路中內(nèi)插一部分模擬時(shí)序電路， 小于量化單位的時(shí)間零頭T1和T2放大后測(cè)量。,3.內(nèi)插法,在T1和T2時(shí)刻內(nèi)用恒流源對(duì)電容充電，然后用慢1000倍的速率放電，則放電時(shí)間為1000 T1和1000 T2在放電時(shí)間內(nèi)對(duì)計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù),S1,S2,3.