電子測量第三章.ppt

1、1）時間和頻率的定義 時間有兩個含義： “時刻”：即某個事件何時發(fā)生； “時間間隔”：即兩個時刻之間的間隔，表示某個事件相對于一開始時刻持續(xù)了多久。,第三章 頻率與時間的測量,3-1概述,頻率的定義：周期性事件在單位時間（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)一次的時間，以T表示。,1）天文時標(biāo),世界時（UT,Universal Time）:,以地球自轉(zhuǎn)周期(1天)確定的時間，即1/(246060)= 1/86400為1秒。其誤差約為107量級。,以地球繞太陽公轉(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）原子時標(biāo),196

2、7年10月，第13屆國際計量大會正式通過了秒的新定義：,“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,770個周期的時間”。,2)頻率標(biāo)準(zhǔn),時間標(biāo)準(zhǔn),頻率標(biāo)準(zhǔn),時間標(biāo)準(zhǔn) 頻率標(biāo)準(zhǔn),時間頻率標(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、頻率的測量方法,各種測量方法有著不同的實現(xiàn)原理，其復(fù)雜程度不同。 各種測量方法

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

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

5、進(jìn)制計數(shù)器。 可編程計數(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)動電路。 如74LS47、CD4511等。 專用計數(shù)與顯示單元電路：如ICM7216D。,十進(jìn)制計數(shù)器,鎖存和譯碼,5.控制電路與門控電路,控制信號的時間波形圖,1.測頻,TS,控制,Tx,Tc,2、頻率比的測量 頻率比fA/fB （假設(shè)fAfB）， 只要用fB的周期TB作為閘門，在TB時間內(nèi)對fA作周期計數(shù)即可。 方法： fA對fB分別由A、B兩通道輸入,3.2.2 測頻誤差分析,由,誤差傳遞公式：,兩個因素：,計數(shù)誤差,閘門時間誤差,1、,取決于閘門

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

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

8、到閘門；在Tx內(nèi)計數(shù)器對時標(biāo)計數(shù)。,被測信號的周期,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.時標(biāo)信號誤差,例 某電子計數(shù)器，|fc|/fc=210-7，在測量周期時， 取T01 s，則當(dāng)被測信號周期Tx1 ms時測量誤差為多少,觸發(fā)誤差的影響,觸發(fā)誤差是指在測量周期時， 由于輸入信號的干擾噪聲影響，使輸入信號經(jīng)觸發(fā)器整形后，所形成的閘門時間與信號的周期產(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,措施：,提高信噪比，以及多周期測量法,多周期測量的方法，即在B通道和門控雙穩(wěn)之間插入十進(jìn)分頻器，這樣使被測周期得到倍乘即

9、主門的開啟時間得到了倍乘。若周期倍乘開關(guān)選為10n，則計數(shù)器所計脈沖個數(shù)將擴展10n倍，所以被測信號的閘門時間為 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個周期構(gòu)成 閘門時間,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）周期倍乘提高了測量準(zhǔn)確度,（3）選用小的時標(biāo)可提高測周分辨力,（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,測頻時，被測頻率fx愈低，則量化誤差愈大,測周時，被測頻率fx愈高，則量化誤差愈大,可見，存在一個中界

10、頻率fm,當(dāng)fxfz時，應(yīng)采用測頻 當(dāng)fxfz時，應(yīng)采用測周,測頻和測周誤差相等的頻率,測頻時,測周時,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,測頻與測周的量化誤差相等,電子計數(shù)器面板及控鍵示意圖,【例3-1】 某電子計數(shù)器在測頻時， 若可取的最大的閘門寬度Ts=10 s在測周期時， 若可取的最小時標(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、時間間隔的測量,方法：欲測量時間間隔的起始、終止信號分別由B、C通道輸入。 時標(biāo)由機內(nèi)提供。,時間間隔：指兩個時刻點之間

11、的時間段,時間間隔的參數(shù)有：周期、脈沖寬度、相位差,整形,整形,為完成各種時間間隔的測量，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)的測量,三、相位差的測量,方法：兩個信號分別由B、C通道輸入， 并選擇相同的觸發(fā)極性和觸發(fā)電平,為減小測量誤差，分別取+、-觸發(fā)極性作兩次測量， 得到t1、t2再取平均，則,【例3-2】 某計數(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)被測時間間隔T50 s時， 其測量誤差,5）自檢（自校） 功能：檢驗儀器內(nèi)部電路及邏輯關(guān)系是否正常。 實現(xiàn)方法：用機內(nèi)的時基Ts（閘門信號）對時標(biāo)T0計數(shù)，則計數(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,典型通用計數(shù)器的組成,措施：,1、減小增益（使噪聲幅度同時減小，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,提高計時器準(zhǔn)確度的常見改進(jìn)措施,1.克服計數(shù)錯誤的常見措施,2.多周期同步法,計數(shù)器頻率或時間測量電路中內(nèi)插一部分模擬時序電路， 小于量化單位的時間零頭T1和T2放大后測量。,3.內(nèi)插法,在T1和T2時刻內(nèi)用恒流源對電容充電，然后用慢1000倍的速率放電，則放電時間為1000 T1和1000 T2在放電時間內(nèi)對計數(shù)脈沖計數(shù),S1,S2,3.