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文檔簡介

1、書名:電子測量技術(shù) ISBN:7-111-15627-7 作者:孟鳳果 出版社:機(jī)械工業(yè)出版社 本書配有電子課件,第5章 時間與頻率測量技術(shù),頻段的劃分及常用測頻方法 電子計(jì)數(shù)器的功能 電子計(jì)數(shù)器的測量原理 電子計(jì)數(shù)器的測量誤差 電子計(jì)數(shù)器的應(yīng)用,國際上規(guī)定30kHz以下為甚低頻、超低頻段,30kHz以上每10倍頻程依次劃分為低、中、高、甚高、特高、超高等頻段。 音頻:20Hz20kHz 視頻:20Hz10MHz 射頻:30kHz幾十GHz 在電子測量技術(shù)中,常以30kHz為界,其以下稱為低頻測量,其以上稱為高頻測量;還有一種劃分方法是:以100kHz(或1MHz)為界,其以下稱為低頻測量,其

2、以上稱為高頻測量。一般,正弦波信號發(fā)生器是以后一種劃分的。,5.1頻段的劃分及常用測頻方法,無源測頻法 :利用電路的頻率響應(yīng)特性來測量頻率的方法。 無源測頻法又分為諧振法和電橋法兩種。 諧振法用LC諧振回路,調(diào)節(jié)電容使其諧振頻率與被測信號頻率相同時,回路電流最大,通過電表指示其頻率值。這種方法多用于高頻頻段的測量。 電橋法因調(diào)節(jié)不便,誤差較大,已少使用。,測量頻率方法,有源比較測頻法 :將被測頻率與一個標(biāo)準(zhǔn)有源信號相比較的測量方法。 常用的有源比較測頻法有拍頻法、差頻法和示波器測量法。 示波器法有兩種測頻方法,李薩育圖形法和測周期法。前者當(dāng)頻率比較高時,示波器顯示的波形難以穩(wěn)定,所以該方法適用

3、于低頻測量。由于調(diào)節(jié)不便,已很少使用。用寬頻帶示波器通過測量周期的方法獲得被測信號的頻率值,雖然誤差較大,但對于要求不太高的場合是比較方便的。,計(jì)數(shù)法 :利用電子計(jì)數(shù)器測量頻率的方法。 實(shí)質(zhì)上,這種方法仍然屬于有源比較測頻法,計(jì)數(shù)法中最常用、最廣泛使用的測頻方法是電子計(jì)數(shù)器測頻法。 電子計(jì)數(shù)器測頻法是利用電子計(jì)數(shù)器顯示單位時間內(nèi)通過被測信號的周期個數(shù)來實(shí)現(xiàn)頻率的測量,這是目前最好的測頻方法,本章重點(diǎn)介紹電子計(jì)數(shù)器測量頻率和周期的方法。,5.2 電子計(jì)數(shù)器的功能,作用是接受被測信號,并對它進(jìn)行放大和整形,然后送入主門(閘門)。整形常由施密特電路完成。A通道用于傳輸被計(jì)數(shù)的信號,B、C通道傳輸閘門

4、信號。,產(chǎn)生各種控制信號,用于控制電子計(jì)數(shù)器各單元電路的工作??刂齐娐酚扇舾砷T電路和觸發(fā)器組成的時序邏輯電路構(gòu)成,標(biāo)準(zhǔn)時間信號由石英振蕩器提供,作為電子計(jì)數(shù)器的內(nèi)部時間基準(zhǔn)。,電子計(jì)數(shù)器的基本組成,測試性能 儀器所具備的測試功能,如測量頻率、周期等。 測量范圍 儀器在不同功能下的有效測量范圍。對于不同的功能,其含義是不同的。如測頻時,被測信號的頻率范圍,一般用頻率的上、下限值表示;而在測周時,測量范圍常用周期的最大、最小值表示。 輸入特性 電子計(jì)數(shù)器一般有23個輸入通道,測試不同參數(shù)時,被測信號要經(jīng)不同的通道輸入儀器。輸入特性表明電子計(jì)數(shù)器與被測信號源相連的一組特性參數(shù),需分別指出各個通道的特

5、性。,電子計(jì)數(shù)器的主要技術(shù)指標(biāo),輸入耦合方式 有AC和DC兩種方式,在低頻和脈沖信號計(jì)數(shù)時宜采用DC耦合方式。 輸入靈敏度 指在儀器正常工作時輸入的最小電壓,如通用電子計(jì)數(shù)器,A輸入通道的靈敏度一般為10100mV。 最高輸入電壓 指儀器所能允許輸入的最大電壓。超過最高輸入電壓后儀器不能正常工作,甚至?xí)p壞。 輸入阻抗 包括輸入電阻和輸入電容。A輸入通道分為高阻(1M25pF)和低阻(50)兩種。,輸入特性,閘門時間和時標(biāo) 由機(jī)內(nèi)時標(biāo)信號源所能提供的時間標(biāo)準(zhǔn)信號決定。根據(jù)測頻和測周的范圍不同,可提供的閘門時間和時標(biāo)信號有多種。 顯示及工作方式 顯示位數(shù) 可顯示的數(shù)字位數(shù)。 顯示時間 兩次測量之

6、間顯示結(jié)果的時間,一般是可調(diào)的。 顯示器件 標(biāo)明所用顯示器的類型。 顯示方式 有記憶和非記憶兩種顯示方式。記憶顯示方式只顯示最終計(jì)數(shù)的結(jié)果,不顯示正在計(jì)數(shù)的過程;非記憶顯示方式,能對計(jì)數(shù)過程的值逐個顯示出來。 輸出 儀器可輸出的時標(biāo)信號種類、輸出數(shù)碼的編碼方式及輸出電平。,時基信號產(chǎn)生與變換單元,晶體振蕩器產(chǎn)生 1 MHz的時間基準(zhǔn)信號,經(jīng)分頻、倍頻,形成從10 MHz到0.1 Hz以10為系列遞降的一系列不同頻率的機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時間信號。,時基電路示意圖,5.3 電子計(jì)數(shù)器的測量原理,電子計(jì)數(shù)器測量原理圖示,頻率:周期性信號在單位時間(1s)內(nèi)變化的次數(shù),即 T單位時間; N周期性現(xiàn)象的重復(fù)次數(shù)。

7、,5.3.1 測量頻率,被測信號經(jīng)放大、整形后,形成重復(fù)頻率等于被測信號頻率 fx 的計(jì)數(shù)脈沖,把它加至閘門的一個輸人端。門控電路將時基信號變換為控制閘門的開啟的門控信號。只有在閘門開通時間T內(nèi),被計(jì)數(shù)的脈沖才能通過閘門,并由十進(jìn)制電子計(jì)數(shù)器對計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù),設(shè)計(jì)數(shù)值為N,則 。即被測信號的頻率為 T是門控時間(閘門時間),門控信號由晶振分頻而來 Kf是分頻器的分頻系數(shù); fs、Ts分別為晶振的頻率和周期。,電子計(jì)數(shù)器測頻原理,將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量(量化)時所產(chǎn)生的誤差叫量化誤差,也叫1誤差或1個字誤差。它是數(shù)字化儀器所特有的誤差。電子計(jì)數(shù)器測頻率或時間,實(shí)質(zhì)上是一個量化過程。量化誤差是由于門控

8、信號起始時間與被測脈沖列之間相位關(guān)系的隨機(jī)性而引起的。量化的最小單位是數(shù)碼的一個字,即量化的結(jié)果只能取整數(shù),其尾數(shù)或者被抹去,或者湊整為1,因此計(jì)數(shù)值也必然是整數(shù)。,5.3.2 量化誤差,1誤差的形成,5.3.3 電子計(jì)數(shù)器的測周功能,測量周期的原理方框圖,當(dāng)fx較低時,利用計(jì)數(shù)器直接測頻,l 誤差將會大到不可允許的程度。所以,為了提高測量低頻時的準(zhǔn)確度,可改成先測量周期,然后計(jì)算fx =1/Tx。,被測信號經(jīng)B輸入通道整形,使其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的矩形波,加到門控電路,控制主門的開閉,主門導(dǎo)通的時間就正好等于被測信號的周期。晶振經(jīng)分頻后產(chǎn)生的時標(biāo)脈沖同時送至主門的另一輸入端,在主門開啟的時間內(nèi)對輸入

9、的時標(biāo)脈沖計(jì)數(shù),若計(jì)數(shù)值為N,測被測信號周期Tx(TxTs)為 Ts是時標(biāo)脈沖的周期,它由晶振分頻而得到。 例如,當(dāng)Tx=10 ms時,則主門打開10 ms;若選擇時標(biāo)為Ts=1us,則計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N=10 000個;若以ms為單位,則計(jì)數(shù)器顯示器上可讀得10.000(ms)。,通用電子計(jì)數(shù)器還可測量兩個被測信號頻率的比值。測量時,兩個被比較的信號(設(shè)fAfB)分別加至 A、B輸入通道。頻率較低的信號fB加至B輸入通道,經(jīng)放大、整形后用作門控電路的觸發(fā)信號,頻率較高的fA加至A輸入通道,經(jīng)整形后變成重復(fù)頻率與fA相等的計(jì)數(shù)脈沖。主門的開通時間為TB=1/fb, 在該時間內(nèi)對頻率為fa的信

10、號進(jìn)行計(jì)數(shù),可得,5.3.4 電子計(jì)數(shù)器的其他功能,頻率比測量,頻率比測量原理圖,為了提高測量準(zhǔn)確度,還可將頻率較低的信號的周期擴(kuò)大,即將信號經(jīng)分頻器后再加至門控電路。當(dāng)主門的開啟時間增大后,計(jì)數(shù)值隨之增大,但由于顯示器可進(jìn)行小數(shù)點(diǎn)自動移位,顯示的比值N不變。,累加計(jì)數(shù),累加計(jì)數(shù)是指在限定的時間內(nèi),對輸入的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行累加。測量原理和測量頻率是相同的,不過這時門控電路改為人工控制。待計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)A通道輸入,這時計(jì)數(shù)值就是累加計(jì)數(shù)。,累加計(jì)數(shù)的方框圖,量化誤差 由于用于計(jì)數(shù)的時標(biāo)脈沖與控制主門的被測周期不同步所引起的誤差。 觸發(fā)誤差 測周期時,被測信號經(jīng)放大、整形,轉(zhuǎn)換為門控信號。轉(zhuǎn)換過程中存在著

11、各種干擾和噪聲的影響,以及利用施密特電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換時,觸發(fā)電平本身也可能產(chǎn)生抖動,從而引入的誤差 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 晶體振蕩器不穩(wěn)定將引起的誤差,5.4 電子計(jì)數(shù)器的測量誤差,5.4.1 電子計(jì)數(shù)器測量誤差的分類,干擾信號的信噪比較高時,觸發(fā)誤差忽略不計(jì),干擾較大,而產(chǎn)生額外觸發(fā)情況,頻率測量在正常測量時觸發(fā)誤差可不考慮,因此頻率測量誤差可認(rèn)為是由量化誤差和晶振誤差兩個因素引起 。 根據(jù)誤差的合成公式,可求得測頻誤差fx為,5.4.2 測量頻率誤差分析,誤差的計(jì)算,由于門控信號是由晶振分頻得到的,與晶振的頻率穩(wěn)定度直接相關(guān)。考慮到門控信號寬度 T=kfTs,Ts=1/f,則上式可改寫為 通常,要求標(biāo)

12、準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度比量化誤差的影響小一個數(shù)量級。因此,晶振頻率準(zhǔn)確度的影響可以忽略掉,即,例 若被測信號頻率=1 MHz,計(jì)算當(dāng)閘門時間T= l ms和1s時,由正負(fù)1誤差產(chǎn)生的測頻誤差。 解:當(dāng)T = 1 ms時: 同理,當(dāng)T = 1 s時:,測頻時,絕對誤差只與量化單位有關(guān),而與被測頻率無關(guān)。為了減小量化誤差,應(yīng)增加計(jì)數(shù)時間T??赏ㄟ^增加晶振的分頻系數(shù)kf的方法來增大計(jì)數(shù)時間T。但是,測頻的相對誤差與被測頻率的大小有關(guān),T一定, kf越大時,計(jì)數(shù)值N越大,誤差就越小。對被測信號頻率倍頻m倍,計(jì)數(shù)值可增大m倍。因此,要提高測頻的準(zhǔn)確度,應(yīng)減小量化單位,并增加被測頻率的大小。,減小誤差的方法,結(jié)合

13、誤差合成公式,可求得測周的誤差為 當(dāng)不考慮晶振的影響時,則有 當(dāng)僅考慮計(jì)數(shù)器本身的測量誤差時,如果較低,應(yīng)采用測周法;較高時,應(yīng)采用測頻法。,5.4.3 測量周期的誤差分析,對于同一被測頻率,直接利用電子計(jì)數(shù)器測頻功能和測周功能分別測量時,都存在量化誤差,而且,當(dāng)頻率較高時宜用測頻功能,當(dāng)頻率較低是宜用測周功能。顯然,存在著某一個頻率,它使測頻和測周的誤差相等,這個頻率就是中界頻率,記為fz。在不考慮觸發(fā)誤差的條件下,則有 若將測頻時的閘門時間擴(kuò)大n倍,測周時的被測周期擴(kuò)大m倍,則,5.5.4 中界頻率的確定,5.5 電子計(jì)數(shù)器的應(yīng)用,5.5.1 提高測頻性能的方法,多周期同步測量法,取樣門控

14、時間是由計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)生,在其控制下,同時打開主門A和主門B,使計(jì)數(shù)器A、B工作。實(shí)際計(jì)數(shù)的時間由同步門控決定,它是被測信號周期的整數(shù)倍。計(jì)數(shù)器A計(jì)得被測信號周期Na,計(jì)數(shù)器B計(jì)得時標(biāo)信號周期個數(shù)Nb,經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算,得到被測頻率在采樣時間內(nèi)的平均值,在顯示器上顯示,E434BI是一種采用大規(guī)模集成電路的電子計(jì)數(shù)式測量儀器,能在預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)時間內(nèi),累計(jì)待測輸入信號來進(jìn)行頻率測量,靈敏度高能夠檢測微弱信號,有九位高亮度LED記憶顯示,讀數(shù)方便、清晰,小數(shù)點(diǎn)自動定位。,5.5.2 E434BI 型頻率計(jì)數(shù)器簡介,E434BI型頻率計(jì)數(shù)器原理方框圖,主機(jī)測量單元直接計(jì)數(shù)頻率為10MHz,輸入信號頻率大于1

15、0MHz時,機(jī)內(nèi)的自動量程轉(zhuǎn)換電路將被測信號經(jīng)預(yù)定標(biāo)分頻器除10后送入主機(jī)測量,此時主機(jī)采取了右移小數(shù)點(diǎn)的方法,以保證讀數(shù)與實(shí)際頻率一致。 輸入通道對輸入信號進(jìn)行放大整形,輸出ECL電平直接與預(yù)定標(biāo)分頻器配接。 輸入頻率范圍1Hz100MHz。 主機(jī)測量單元由計(jì)數(shù)器、寄存器、時基電路、邏輯控制等組成。顯示譯碼驅(qū)動電路直接驅(qū)動LED顯示數(shù)碼管,以掃描方式顯示測量結(jié)果。 由小型溫補(bǔ)晶振器產(chǎn)生10MHz標(biāo)準(zhǔn)信號。,工作原理, 測頻范圍 1Hz100MHz。 輸入方式 AC。 波形方式 正弦波、脈沖波。 測量單位 kHz。 靈敏度 30mV(Urms=10mV)。 衰減范圍 1、20。 閘門時間0.1

16、s、1s、10s。 晶體振蕩器的標(biāo)準(zhǔn)頻率10MHz。,技術(shù)指標(biāo), 開啟電源 按鍵開關(guān)掀下為機(jī)內(nèi)直流電接通,儀器即可正常工作。 選擇閘門時間 0.1s:瞬時頻率;1s:1s內(nèi)平均頻率;10s:10s內(nèi)平均頻率。 濾波器選擇鍵:當(dāng)被測頻率 100MHz時,被測信號功率大、噪聲大,可將此鍵按下;釋放時為正常測試。 衰減選擇鍵 1:不衰減;20:被測信號衰減 20倍。 LED數(shù)碼顯示 九位LED數(shù)碼管顯示測試結(jié)果,小數(shù)點(diǎn)自動定位,顯示單位為kHz。,使用方法,在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)頻率和周期是周期性信號最基本的參數(shù),頻率測量的準(zhǔn)確度也最高。按信號不同頻率值可進(jìn)行不同頻段的劃分。 常用的測頻方法有:無源測頻法

17、,有源測頻法和計(jì)數(shù)測頻法。但最常用的是計(jì)數(shù)法。 電子計(jì)數(shù)器主要技術(shù)指標(biāo)有:測試性能、測量范圍、輸入特性、輸入靈敏度、閘門時間和時標(biāo)等。,本章小結(jié),電子計(jì)數(shù)器具有多種測量功能:測頻、測周和測頻比等等。 電子計(jì)數(shù)器的測量誤差有:量化誤差、觸發(fā)誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。減小它們的方法分別是增大計(jì)數(shù)值、提高信噪比和選用高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率。使測頻和測量誤差相等的那個頻率叫中界頻率。 應(yīng)用電子計(jì)數(shù)器測量時,選用合適的測量功能,采用多周期測量法,可以提高測量的精度。,1. 為什么說電子計(jì)數(shù)器是一切數(shù)字式儀器的基礎(chǔ)? 2. 用7位電子計(jì)數(shù)器測量fx=5MHZ的信號頻率。當(dāng)閘門時間置于1s、0.1s、10ms時,試分別計(jì)算由于誤差而引起的測頻誤差? 3. 某電子計(jì)數(shù)器晶振頻率誤差為,若后利用該計(jì)數(shù)器將10MHz晶振校準(zhǔn)到,問閘門時間應(yīng)選為多少方能滿足要求?,練習(xí)題,4. 用計(jì)數(shù)器測頻率,已知閘門時間和計(jì)數(shù)值N如下表所示,求各種情況下的fx=? 5. 用多周期法測周期。已知被測信號重復(fù)周期為50s時,計(jì)數(shù)值為 100 000,內(nèi)部時標(biāo)信號頻率為1MHz。若采用同一周期倍乘和同一時標(biāo)信號去測量另一未知信號,

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