第四章时间与频率的测量.pptx

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1、测量准确度高时间频率基准具有最高准确度（可达1010-14-14），校准（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。自动化程度高测量速度快第1页/共109页3.3.测量方法概述测量方法概述频率的测量方法可以分为：频率的测量方法可以分为：差频法拍频法示波法电桥法谐振法比较法直读法李沙育图形法测周期法模拟法频率测量方法数字法电容充放电法电子计数器法第2页/共109页各种测量方法有着各种测量方法有着不同的实现原理不同的实现原理，其复杂程度不同。其复杂程度不同。各种测量方法有着各种测量方法有着不同的测量准确度不同的测量准确度和适用的频率范围和适用的频率范

2、围。数字化数字化电子计数器法电子计数器法是时间、频率测是时间、频率测量的主要方法，是本章的重点。量的主要方法，是本章的重点。第3页/共109页电子计数器概述电子计数器概述1 1）电子计数器的分类）电子计数器的分类按功能可以分为如下四类：按功能可以分为如下四类：（1 1）通用计数器通用计数器：可测量频率、频率比、周期、：可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。其测量功能可扩展。时间间隔、累加计数等。其测量功能可扩展。（2 2）频率计数器频率计数器：其功能限于测频和计数。但：其功能限于测频和计数。但测频范围往往很宽。测频范围往往很宽。（3 3）时间计数器时间计数器：以时间测量为基础，可测量

3、：以时间测量为基础，可测量周期、脉冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。周期、脉冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。（4 4）特种计数器特种计数器:具有特殊功能的计数器。包括具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。工业测控。第4页/共109页按用途可分为：按用途可分为：测量用计数器和控制用计数器。测量用计数器和控制用计数器。按测量范围可分为：按测量范围可分为：（1 1）低速计数器低速计数器（低于（低于10MHz10MHz）（2 2）中速计数器中速计数器（10100MHz10100MHz）（3 3）高速计数器高速计数器

4、（高于（高于100MHz100MHz）（4 4）微波计数器微波计数器（180GHz180GHz）第5页/共109页2 2）主要技术指标）主要技术指标（1 1）测量范围：测量范围：毫赫毫赫 几十几十GHzGHz。（2 2）准确度：准确度：可达可达1010-9-9以上。以上。（3 3）晶振频率及稳定度：晶振频率及稳定度：一般要求高于所要求的一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（测量准确度的一个数量级（1010倍）。普通晶振稳倍）。普通晶振稳定度为定度为1010-5-5，恒温晶振达，恒温晶振达1010-7-71010-9-9。（4 4）输入特性：输入特性：包括耦合方式（包括耦合方式（DCDC、

5、ACAC）、触发）、触发电平、灵敏度、输入阻抗等。电平、灵敏度、输入阻抗等。（5 5）闸门时间闸门时间(测频测频)：有有1ms1ms、10ms10ms、100ms100ms、1s1s。（6 6）时标时标(测周测周)：有有10ns10ns、100ns100ns、1ms1ms、10ms10ms。（7 7）显示：显示：包括显示位数及显示方式等。包括显示位数及显示方式等。第6页/共109页3 3）电子计数器的发展）电子计数器的发展测量方法的不断发展测量方法的不断发展：模拟模拟数字技术数字技术智能化。智能化。测量准确度和频率上限测量准确度和频率上限 是电子计数器的两个重要指标，电子计数器的是电子计数器的

6、两个重要指标，电子计数器的发展体现了这两个发展体现了这两个指标的不断提高指标的不断提高及及功能的扩展功能的扩展和完善和完善。第7页/共109页 例子：通道：两个225MHz225MHz通道，也可选择第三个12.4GHz12.4GHz通道。每秒：1212位的频率分辨率、150ps150ps的时间间隔分辨率。测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、峰电压、时间间隔平均和时间间隔延迟。处理功能：平均值、最小值、最大值和标准偏差。第8页/共109页4.2 4.2 时间与频率标准时间与频率标准时间与频率的原始标准1 1）天文时标原始标准应具有

7、恒定不变性。频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。宏观标准和微观标准宏观标准：基于天文观测；微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。世界时（UT,Universal TimeUT,Universal Time）:以地球自转周期(1(1天)确定的时间，即1/(246060)=1/864001/(246060)=1/86400为1 1秒。其误差约为10107 7量级。第9页/共109页为世界时确定时间观测的为世界时确定时间观测的参考点参考点，得到，得到平太阳时平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想的：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想的平太阳平太阳作为基本参考点。作为基本参考点。零类世界

8、时（零类世界时（UTUT0 0）：以平太阳的子夜：以平太阳的子夜0 0时为参考。时为参考。第一类世界时（第一类世界时（UTUT1 1）：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。第二类世界时（第二类世界时（UTUT2 2）：对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正得到。准确：对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正得到。准确度为度为3103108 8 。历书时（历书时（ETET）：地球绕太阳公转为标准地球绕太阳公转为标准，公转周期（，公转周期（1 1年）的年）的31 556 925.974731 556 925.9747分之一

9、分之一为为1 1秒。国际天文学会定义参考点为秒。国际天文学会定义参考点为19001900年年1 1月月1 1日日0 0时。准确度达时。准确度达1101109 9 。19601960年第年第1111届国际计量大会接受为届国际计量大会接受为“秒秒”的标准。的标准。第10页/共109页2 2）原子时标）原子时标 基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足设备庞大、操作麻烦；设备庞大、操作麻烦；观测时间长；观测时间长；准确度有限。准确度有限。原子时标（原子时标（ATAT）的量子电子学基础的量子电子学基础原子（分子）在能级跃迁中将吸收原子（分子）在能级跃迁中将吸

10、收(低能级到高能级低能级到高能级)或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定。或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定。hfhfn-mn-m=E=En n-E-Em m式中，式中，h=6.625210h=6.625210-27-27为普朗克常数，为普朗克常数，E En n、E Em m为受为受激态的两个能级，激态的两个能级，f fn-mn-m为吸收或辐射的电磁波频率。为吸收或辐射的电磁波频率。第11页/共109页原子时标的定义原子时标的定义 19671967年年1010月，第月，第1313届国际计量大会正式通届国际计量大会正式通过了秒的新定义：过了秒的新定义：“秒是秒是CsCs13313

11、3原子原子基态的两个超基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续9,192,631,7709,192,631,770个周期的时间个周期的时间”。19721972年起实行，为全世界所接受。秒的定义年起实行，为全世界所接受。秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了高了4545个量级，达个量级，达510510-14-14(相当于相当于6262万年万年11秒秒)，并仍在提高。，并仍在提高。第12页/共109页原子钟：原子钟：原子时标的实物仪器，可用于时间、原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的

12、发布和比对。频率标准的发布和比对。铯原子钟：铯原子钟：准确度：准确度：1010-13-131010-14-14。大铯钟，专。大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。作基准。铷原子钟：铷原子钟：准确度：准确度：1010-11-11，体积小、重量轻，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。便于携带，可作为工作基准。氢原子钟：氢原子钟：短期稳定度高：短期稳定度高：1010-14-141010-15-15，但准，但准确度较低（确度较低（1010-12-12）。）。第13页/共109页石英晶体振荡器石英晶体振荡器电子计数器电子计数器内部时间、频

13、率基准内部时间、频率基准采用采用石英晶石英晶体振荡器（简称体振荡器（简称“晶振晶振”）为基准信号源。为基准信号源。基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频率振频率易受温度影响易受温度影响（其频率（其频率-温度特性曲线温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为准确度为1010-5-5。采用温度补偿或恒温措施采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的（恒定在拐点处的温度）可得到高稳定、高准确的频率输出。温度）可得到高稳定、高准确的频率输出。第14页/共109页1 1）组成）组成第15页/共109页2 2）指标

14、）指标晶体振荡器的主要指标有晶体振荡器的主要指标有:输出频率输出频率:1MHz:1MHz、2.5MHz2.5MHz、5MHz5MHz、10MHz10MHz。日波动。日波动:210:210-10-10；日老化；日老化:110:110-10-10；秒稳；秒稳:510:510-12-12。输出波形输出波形:正弦波；输出幅度正弦波；输出幅度:0.5Vrms(:0.5Vrms(负载负载50)50)。几种不同类型的晶体振荡器指标几种不同类型的晶体振荡器指标晶振类型晶振类型输出频率输出频率(MHz)日稳定度日稳定度准确度准确度普通普通1，1010-510-610-5温度补偿温度补偿1，5，1010-610-

15、710-6单恒温槽单恒温槽1，2.5，5，1010-710-910-610-8双恒温槽双恒温槽2.5，5，1010-910-11优于优于10-8第16页/共109页4.3 4.3 时间和频率的测量原理时间和频率的测量原理模拟测量原理1 1）直接法）直接法：直接法是利用电路的某种频率响应特直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，又可细分为性来测量频率值，又可细分为谐振法和电桥法谐振法和电桥法两种。两种。（1 1）谐振法）谐振法：调节可变电容器调节可变电容器C C使回路发生谐振使回路发生谐振，此时回路电流达到最大此时回路电流达到最大(高频电压表指示高频电压表指示)，则，则 可测量可测量15

16、00MHz1500MHz以下的频率，准确度以下的频率，准确度(0.25(0.251)%1)%。第17页/共109页 (2(2）电桥法：）电桥法：利用电桥的平衡条件和频率有关利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量的特性来进行频率测量,通常采用如下图所示的通常采用如下图所示的文氏电桥文氏电桥来进行测量。调节来进行测量。调节R R1 1、R R2 2使电桥达到平使电桥达到平衡，则有衡，则有第18页/共109页令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：和和于是，被测信号频率为：于是，被测信号频率为：通常取通常取R R1 1=R=R2 2=R,C=R,

17、C1 1=C=C2 2=C=C，则，则测量准确度测量准确度：受桥路中各元件的精确度、判断电：受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度（取决于桥路谐振特性的尖锐桥平衡的准确程度（取决于桥路谐振特性的尖锐度即指示器的灵敏度）和被测信号的频谱纯度的度即指示器的灵敏度）和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为限制，准确度不高，一般约为(0.5(0.51)%1)%。第19页/共109页2 2）比较法）比较法基本原理基本原理 利用利用标准频率标准频率f fs s和被测量频率和被测量频率f fx x进行比较进行比较来测量来测量频率。有频率。有拍频法、外差法、示波法以及计数法拍频法、外差法、示波

18、法以及计数法等等。拍频法：拍频法：将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率叠加叠加，由指示器，由指示器（耳机或电压表）指示。适于（耳机或电压表）指示。适于音频测量音频测量（很少用）（很少用）。外差法：外差法：将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率混频混频，取出差频，取出差频并测量。可测量范围达并测量。可测量范围达几十几十MHzMHz（外差式频率计）（外差式频率计）。示波法：示波法：李沙育图形法李沙育图形法：将：将f fx x和和f fs s分别接到示波器分别接到示波器Y Y轴和轴和X X轴（轴（X-YX-Y图示方式），当图示方式），当f fx xf fs s时显示为斜线时显示为斜线（椭圆或园

19、）；（椭圆或园）；测周期法测周期法：直接根据显示波形由：直接根据显示波形由X X通通道道扫描速率扫描速率得到周期，进而得到频率。得到周期，进而得到频率。第20页/共109页数字测量原理数字测量原理1 1）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理时间、频率量的特点时间、频率量的特点 频率频率是在时间轴上无限延伸的是在时间轴上无限延伸的，因此，对频率量，因此，对频率量的测量需确定一个的测量需确定一个取样时间取样时间T T，在该时间内对被测信在该时间内对被测信号的周期累加计数号的周期累加计数(若若计数值为计数值为N N)，根据，根据f fx x=N/T=N/T得到得到频率值。频率值。为实现为实现时间时

20、间的数字化测量，需将被测时间按尽可的数字化测量，需将被测时间按尽可能小的能小的时间单位（称为时标）时间单位（称为时标）进行量化，通过进行量化，通过累计被累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）测时间内所包含的时间单位数（计数）得到。得到。测量原理测量原理 将需累加计数的信号，由一个将需累加计数的信号，由一个“闸门闸门”（主门）（主门）控制，并由一个控制，并由一个“门控门控”信号控制闸门的开启与关闭。信号控制闸门的开启与关闭。第21页/共109页闸门可由一个与（或闸门可由一个与（或“或或”）逻辑门电路实现）逻辑门电路实现。这种测量方法称为这种测量方法称为门控计数法门控计数法。其原理如下图所示。其

21、原理如下图所示。“与与”逻辑门作为闸门，门控信号为逻辑门作为闸门，门控信号为1 1时闸时闸门开启（允许计数），为门开启（允许计数），为0 0时闸门关闭（停止计时闸门关闭（停止计数）。数）。测频时，闸门开启时间即为采样时间测频时，闸门开启时间即为采样时间。测时间（间隔）时，闸门开启时间即为测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间被测时间。第22页/共109页2 2）通用计数器的基本组成）通用计数器的基本组成通用电子计数器的组成框图如下图所示通用电子计数器的组成框图如下图所示：第23页/共109页通用计数器包括如下几个部分通用计数器包括如下几个部分输入通道输入通道：通常有：通常有A A、B B、

22、C C多个通道，以实现不同的测量功能。输入通道电路对输入多个通道，以实现不同的测量功能。输入通道电路对输入信号进行信号进行放大、整形等放大、整形等（但保持频率不变），得到适合计数的脉冲信号。（但保持频率不变），得到适合计数的脉冲信号。通过通过预定标器预定标器还可还可扩展频率测量范围扩展频率测量范围。主门电路主门电路：完成计数的：完成计数的闸门控制闸门控制作用。作用。计数与显示电路计数与显示电路：计数电路是通用计数器的：计数电路是通用计数器的核心电路核心电路，完成脉冲计数；显示电路将计，完成脉冲计数；显示电路将计数结果（反映测量结果）以数字方式显示出来。数结果（反映测量结果）以数字方式显示出来。

23、时基产生电路时基产生电路：产生：产生机内时间、频率测量的基准机内时间、频率测量的基准，即时间测量的时标和频率测量的闸，即时间测量的时标和频率测量的闸门信号。门信号。控制电路控制电路：控制整机工作控制整机工作，即准备，即准备测量测量显示。显示。第24页/共109页4.4 4.4 电子计数器的组成原理和测量功电子计数器的组成原理和测量功能能电子计数器的组成组成原理框图组成原理框图数字显示器数字显示器寄存器寄存器十进制十进制计数器计数器 A通通道道(放放大、整形大、整形)B通通 道道(放放大、整形大、整形)主主 门门功能开关功能开关闸门选择、周期倍乘闸门选择、周期倍乘 10 10 10 1010s(

24、104)1s(103)100ms(102)10ms(10)1ms(1)时标选择时标选择12345332112445时基部分时基部分 10 10 10 10 101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制时序电路控制时序电路开门开门锁存锁存复位复位控制时序电路波形控制时序电路波形第25页/共109页1 1）A A、B B输入通道输入通道作用：它们主要由放大作用：它们主要由放大/衰减、滤波、整形、触衰减、滤波、整形、触发（包括出发电平调节）等单元电路构成。其作发（包括出发电平调节）等单元电路构成。其作用是用是对输入信号处理以产生符合计数要求（波形、对输入信号处理以产生符合计数要求（波形、

25、幅度）的脉冲信号幅度）的脉冲信号。通过预定标器（外插件）还可通过预定标器（外插件）还可扩展频率测量范围扩展频率测量范围。斯密特触发电路：利用斯密特触发器的斯密特触发电路：利用斯密特触发器的回差特回差特性性，对输入信号具有较好的抗干扰作用，对输入信号具有较好的抗干扰作用第26页/共109页通道组合可完成不同的测量功能：通道组合可完成不同的测量功能：被计数的信号称为被计数的信号称为计数端计数端；控制闸门开启的信号通道称为；控制闸门开启的信号通道称为控制端控制端。计数端输入的信号有：被测信号；内部时标信号等计数端输入的信号有：被测信号；内部时标信号等;控制端输入的信号有：闸门信号；被测信号控制端输入

26、的信号有：闸门信号；被测信号(Tx)(Tx)等；等；计数端信号计数端信号控制端信号控制端信号测试功能测试功能计数结果计数结果内时钟（内时钟（T T0 0）内时钟（内时钟（T T）自检自检N=T/TN=T/T0 0被测信号（被测信号（f fx x）内时钟（内时钟（T T）测量频率（测量频率（A A）f fx xN/TN/T内时钟（内时钟（T T0 0）被测周期（被测周期（T Tx x）测量周期（测量周期（B B）T Tx xNTNT0 0被测信号（被测信号（f fA A）被测信号（被测信号（f fB B）测量频率比（测量频率比（A/BA/B）f fA A/f/fB B=N=N内时钟（内时钟（T

27、T0 0）被测信号相应间隔被测信号相应间隔t tB-CB-C测量时间间隔（测量时间间隔（A-BA-B）t tB-CB-C=NT=NT0 0外输入（外输入（T TA A）被测信号相应间隔被测信号相应间隔t tB-CB-C测量外控时间间隔测量外控时间间隔B-CB-Ct tB-CB-C=NT=NTA A外待测信号（外待测信号（N Nx x）手控或遥控手控或遥控累加计数（累加计数（A A）N Nx xN N内时钟（秒信号）内时钟（秒信号）手控或遥控手控或遥控计时计时N N（秒）（秒）第27页/共109页2 2）主门电路）主门电路功能：主门通过功能：主门通过“门控信号门控信号”控制进入计数器的脉控制进入

28、计数器的脉冲，使计数器只对预定的冲，使计数器只对预定的“闸门时间闸门时间”之内的脉冲之内的脉冲计数。计数。电路：由电路：由“与门与门”或或“或门或门”构成。其原理如下构成。其原理如下图：图：由由“与门与门”构成的主门，其构成的主门，其“门控信号门控信号”为为1 1时，允许计数脉冲通过；由时，允许计数脉冲通过；由“或门或门”构成的主门，构成的主门，其其“门控信号门控信号”为为0 0时，允许计数脉冲通过。时，允许计数脉冲通过。“门控信号门控信号”还可还可手动操作手动操作得到，实现手动累加得到，实现手动累加计数。计数。第28页/共109页3 3）计数与显示电路）计数与显示电路功能：功能：计数电路计数

29、电路对通过主门的脉冲进行计数，并对通过主门的脉冲进行计数，并通过通过数码显示器数码显示器将测量结果直观地显示出来。将测量结果直观地显示出来。为了便于观察和读数，通常使用为了便于观察和读数，通常使用十进制计数电路十进制计数电路。计数电路的重要指标：计数电路的重要指标：计数电路一般由多级双稳计数电路一般由多级双稳态电路构成，受内部状态翻转的时间限制，使计态电路构成，受内部状态翻转的时间限制，使计数电路存在数电路存在最高计数频率的限制最高计数频率的限制。而且对多位计。而且对多位计数器，最高计数频率主要由数器，最高计数频率主要由个位计数器个位计数器决定。决定。不同电路具有不同的工作速度：不同电路具有不

30、同的工作速度：如如74LS74LS（74HC74HC）系列为系列为3040MHz3040MHz；74S74S系列为系列为100MHz100MHz；CMOSCMOS电路电路约约5MHz5MHz；ECLECL电路可达电路可达600MHz600MHz。第29页/共109页类型：单片集成与可编程计数器类型：单片集成与可编程计数器单片集成的中小规模单片集成的中小规模ICIC如：如：74LS9074LS90（MC11C90MC11C90）十进制计数器；）十进制计数器；74LS39074LS390、CD4018(MC14018)CD4018(MC14018)为双十进制计数器。为双十进制计数器。可编程计数器可

31、编程计数器ICIC如：如：Intel8253/8254Intel8253/8254等。等。显示器显示器LEDLED、LCD LCD、荧光（、荧光（VFDVFD）等。）等。显示电路：包括锁存、译码、驱动电路。显示电路：包括锁存、译码、驱动电路。如如74LS4774LS47、CD4511CD4511等。等。专用计数与显示单元电路：如专用计数与显示单元电路：如ICM7216DICM7216D。第30页/共109页4 4）时基产生电路）时基产生电路功能：功能：产生测频时的产生测频时的“门控信号门控信号”及时间测量的及时间测量的“时标时标”信号。信号。实现：实现：由由晶体振荡器晶体振荡器，通过，通过倍频

32、或分频倍频或分频得到。再得到。再通过门控双稳态触发器得到通过门控双稳态触发器得到“门控信号门控信号”。如，若如，若fc=1MHz,fc=1MHz,经经10106 6分频后，可得到分频后，可得到fs=1Hz(fs=1Hz(周期周期Ts=1s)Ts=1s)的时基信号，经过的时基信号，经过门控双稳态电路得门控双稳态电路得到宽度为到宽度为Ts=1sTs=1s的的门控信号。门控信号。第31页/共109页要求：要求：标准性标准性：“门控信号门控信号”和和“时标时标”作为计数器频率和时间测量的本地工作基准，应作为计数器频率和时间测量的本地工作基准，应当具有高稳定度和高准确度。当具有高稳定度和高准确度。多值性

33、多值性：为了适应计数器较宽的测量范围，要求：为了适应计数器较宽的测量范围，要求“闸门时间闸门时间”和和“时标时标”可多档选择。可多档选择。常用常用“闸门时间闸门时间”有：有：1ms1ms、10ms10ms、100ms100ms、1s1s、10s10s。常用的常用的“时标时标”有：有：10ns10ns、100ns100ns、1us1us、10us10us、100us100us、1ms1ms。第32页/共109页5 5）控制电路）控制电路功能：产生各种控制功能：产生各种控制信号，控制、协调各信号，控制、协调各电路单元的工作，使电路单元的工作，使整机按整机按“复零测量复零测量显示显示”的工作程序的工

34、作程序完成自动测量的任务。完成自动测量的任务。如图所示：如图所示：准备期（复零，等待）测量期（开门，计数）显示期（关门，停止计数）第33页/共109页电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能1 1）频率测量）频率测量原理：原理：计数器按照计数器按照 的定义实现频率测量。的定义实现频率测量。T T为采样时间，为采样时间，N N为为T T内的周期数。采样时间内的周期数。采样时间T T预先由预先由闸门时间闸门时间TsTs确定。则确定。则 或或该式表明，在数字化频率测量中，可该式表明，在数字化频率测量中，可用计数值用计数值N N表示表示fxfx。它体现了数字化频率测量的。它体现了数字化频率测量的比较法

35、测量原理比较法测量原理。例如：例如：闸门时间闸门时间Ts=1sTs=1s，计数值，计数值N=10000N=10000，则显示的，则显示的fxfx为为“1000010000”HzHz，或，或“10.00010.000”kHzkHz。如闸门时间。如闸门时间Ts=0.1sTs=0.1s，则计数值则计数值N=1000N=1000，则显示的，则显示的fxfx为为 “10.0010.00”kHzkHz。显示结果的有效数字末位显示结果的有效数字末位表示了频率测量的分辨力表示了频率测量的分辨力第34页/共109页 为便于测量和显示，计数器通常为为便于测量和显示，计数器通常为十进制计数十进制计数器器可直接显示计

36、数结果，并通过移动小数点和单位可直接显示计数结果，并通过移动小数点和单位的配合，就可得到被测频率。的配合，就可得到被测频率。测量速度与分辨力测量速度与分辨力：闸门时间为频率测量采样时间，：闸门时间为频率测量采样时间，TsTs愈大，测量时间愈长，计数值愈大，测量时间愈长，计数值N N愈大，分辨力愈高。愈大，分辨力愈高。TB放放大大、整形整形闸闸门门门控电路门控电路计计数数显显示示Afx分分 频频电路电路时基时基Ts原理框图和工作波形图第35页/共109页2 2）频率比的测量）频率比的测量原理：原理：频率测量原理是一种频率比的测量。用频率测量原理是一种频率比的测量。用f fB B的周期的周期T T

37、B B作为闸门，在作为闸门，在T TB B时间内对时间内对f fA A作周期计数即作周期计数即可。可。方法：方法：f fA A对对f fB B分别由分别由A A、B B两通道输入，如下图。两通道输入，如下图。第36页/共109页频率较高者由频率较高者由A A通道输入，频率较低者由通道输入，频率较低者由B B通道输入。通道输入。提高频率比的测量精度：提高频率比的测量精度：扩展扩展B B通道信号的周期个数通道信号的周期个数。例如：以例如：以B B通道信号的通道信号的1010个周期作为闸门信号，则计个周期作为闸门信号，则计数值为：数值为：,即计数值扩大了即计数值扩大了1010倍，倍，相应的测量精度也

38、就提高了相应的测量精度也就提高了1010倍。为得到真实结果，倍。为得到真实结果，需将计数值需将计数值N N缩小缩小1010倍（小数点左移倍（小数点左移1 1位），即位），即应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。第37页/共109页3 3）周期的测量）周期的测量原理：原理：“时标计数法时标计数法”周期测量。周期测量。对被测周期对被测周期TxTx，用已知的较小单位时间刻度，用已知的较小单位时间刻度T T0 0（“时标时标”）去量化，由）去量化，由TxTx所包含的所包含的“时标时标”数数N N即可得即可得到到TxTx。即。即该式表明，该式表明，“时标时标”的

39、计数值的计数值N N可表示周期可表示周期TxTx。也体现了时间间隔（周期）的也体现了时间间隔（周期）的比较测量原理比较测量原理。实现：实现：由由TxTx得到得到闸门闸门；在；在TxTx内计数器对时标计数。内计数器对时标计数。TxTx由由B B通道输入，内部时标信号由通道输入，内部时标信号由A A通道输入。通道输入。第38页/共109页原理原理 框图框图：例如：例如：时标时标T T0 0=1us=1us，若计数值，若计数值N=10000N=10000，则显示的，则显示的TxTx为为“1000010000”usus。显示结果的有效数字显示结果的有效数字，表示周期测量的分辨力。表示周期测量的分辨力。

40、测量速度与分辨力测量速度与分辨力：一次测量时间即为一个周期：一次测量时间即为一个周期TxTx，TxTx愈大愈大(频率愈低频率愈低)则测量时间愈长；计数值则测量时间愈长；计数值N N与时与时标有关，时标愈小分辨力愈高。标有关，时标愈小分辨力愈高。第39页/共109页4 4）时间间隔的测量）时间间隔的测量时间间隔：时间间隔：在测量中，两个时刻点通常由在测量中，两个时刻点通常由两个事两个事件件确定。如，一个确定。如，一个周期信号的两个同相位点周期信号的两个同相位点（如过（如过零点）所确定的时间间隔即为周期。零点）所确定的时间间隔即为周期。两个事件两个事件例子及例子及测量参数测量参数还有：同一信号波形

41、上还有：同一信号波形上两个不同点之间两个不同点之间脉冲信号参数脉冲信号参数；两个信号波形上，；两个信号波形上，两点之间两点之间相位差的测量相位差的测量；手动触发；手动触发定时、累加定时、累加计数。计数。测量方法：测量方法：由由两个事件两个事件触发得到触发得到起始信号和终止起始信号和终止信号信号，经过门控双稳态电路得到，经过门控双稳态电路得到“门控信号门控信号”，门，门控时间即为被测的时间间隔。在门控时间内，仍控时间即为被测的时间间隔。在门控时间内，仍采采用用“时标计数时标计数”方法方法测量（即所测时间间隔由测量（即所测时间间隔由“时时标标”量化）。量化）。第40页/共109页uu原理框图原理框

42、图原理框图原理框图欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由B B、C C通道通道通道通道输入。时标由机输入。时标由机输入。时标由机输入。时标由机内提供。如下图。内提供。如下图。内提供。如下图。内提供。如下图。第41页/共109页 触发极性触发极性选择和选择和触发电平触发电平调节：为增加测量的调节：为增加测量的灵活性，灵活性，B B、C C输入通道都设置有触发极性输入通道都设置有触发极性(+(+、-)-)和触发电平调节，以完成各种时间间隔的测量。和触发电平调节，以完成各种时间间隔的测量。VBV

43、c起始起始停止停止开门时间开门时间C(50%)B(50%)起始起始停止停止开门时间开门时间VBVcB(50%)C-(50%)(50%)B B+(50%)C +(50%)(50%)C(90%)闸门信号闸门信号关门信号关门信号开门信号开门信号B(10%)第42页/共109页相位差的测量相位差的测量利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。两个信号分别由两个信号分别由B B、C C通道输入，并选择相同的触发极性和触发电平。通道输入，并选择相同的触发极性和触发电平。测量原理如下图：测量原理如下图：为减小测量误差，分别取为减小测量

44、误差，分别取+、-触发极性作两次测量，触发极性作两次测量，得到得到t t1 1、t t2 2再取平均，则再取平均，则第43页/共109页5 5）自检（自校）自检（自校）功能：功能：检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。实现方法：实现方法：为判断自检结果是否正确，该结果应为判断自检结果是否正确，该结果应该在自检实施前即是已知的。为此，该在自检实施前即是已知的。为此，用机内的时用机内的时基基TsTs（闸门信号）对时标（闸门信号）对时标T T0 0计数计数，则计数结果应，则计数结果应为：为：自检的方框图：自检的方框图：例如：例如：若选择若选择Ts=10ms,Ts=1

45、0ms,T T0 0=1us,=1us,则自检显示应则自检显示应稳定在稳定在N=10000N=10000。自检自检不能检测内部基准源不能检测内部基准源。放大整形晶振放大整形闸门计数器显示门控电路分频电路T T0 0T Tx x第44页/共109页测量误差的来源测量误差的来源1 1）量化误差）量化误差量化误差：量化误差：由由fx=N/Ts=Nfsfx=N/Ts=Nfs和和Tx=NTTx=NT0 0，可见，可见，由由于计数值于计数值N N为整数为整数，fxfx和和TxTx必然产生必然产生“11误差误差”，即，即“量化误差量化误差”。它是所有数字化仪器都存在的误。它是所有数字化仪器都存在的误差。差。

46、产生原因：产生原因：量化误差并非由于计数值量化误差并非由于计数值N N的不准确的不准确造成。而是造成。而是由于闸门开启和关闭的时间与被测信由于闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步引起号不同步引起，使得在闸门开始和结束时刻有一，使得在闸门开始和结束时刻有一部分部分时间零头时间零头没有被计算在内而造成的测量误差。没有被计算在内而造成的测量误差。4.5 4.5 电子计数器的测量误差第45页/共109页u如图，同一被测信号，在相同的闸门时间内，计数结果不同。根据频率定义，准确的fxfx应为式中，即，或 因此，量化误差的影响相当于计数值N N的“”个字。是随机的，它们 服从均匀分布，其差值 则服从三角分

47、布。第46页/共109页2 2）触发误差）触发误差触发误差触发误差：输入信号都需经过通道电路放大、整：输入信号都需经过通道电路放大、整形得到脉冲信号，即形得到脉冲信号，即输入信号输入信号脉冲信号脉冲信号。这这种种转转换换要要求求只只对对信信号号幅幅值值和和波波形形变变换换，不不能能改改变变其其频频率率。但但是是，若若输输入入被被测测信信号号叠叠加加有有干干扰扰信信号号，信信号号的的频频率率及及相相对对闸闸门门信信号号的的触触发发点点就就可可能能变变化化。产产生生的的测测量量误误差差称称“触触发发误误差差”，既既“转转换误差换误差”。如图。周期为如图。周期为T Tx x的输的输入信号，触发电平在

48、入信号，触发电平在A A1 1点，但在点，但在A A1 1点上有点上有干扰信号干扰信号(幅度幅度V Vn n)。提前触发提前触发,周期周期T Tx xT Tx x。第47页/共109页3 3）标准频率误差）标准频率误差 机内时基和时标是频率和时间间隔测量机内时基和时标是频率和时间间隔测量的参考基准，它们由内部晶体振荡器分频或的参考基准，它们由内部晶体振荡器分频或倍频后产生。其倍频后产生。其准确度和测量时间之内的短准确度和测量时间之内的短期稳定度期稳定度将直接影响测量结果。将直接影响测量结果。通常，要求通常，要求标准频率误差小于测量误差标准频率误差小于测量误差的一个数量级的一个数量级。因此，内部

49、晶振要求较高稳。因此，内部晶振要求较高稳定性。若不能满足测量要求，还可外接更高定性。若不能满足测量要求，还可外接更高准确度的准确度的外部基准源外部基准源。第48页/共109页频率测量的误差分析频率测量的误差分析1 1）误差表达式）误差表达式由频率测量表达式：由频率测量表达式：fx=N/Ts=Nfsfx=N/Ts=Nfs，计数器直接，计数器直接测频的误差由两项组成：即量化误差（测频的误差由两项组成：即量化误差（11误差）和误差）和标准频率误差。总误差采用分项误差绝对值合成，标准频率误差。总误差采用分项误差绝对值合成，式中，式中，即为即为11误差，其最大值为误差，其最大值为 ,而而 由于由于fsf

50、s由晶振由晶振(fc)(fc)分频得到，设分频得到，设fs=fc/kfs=fc/k，则，则于是，频率测量的误差表达式可写成：于是，频率测量的误差表达式可写成：第49页/共109页误误误误差差差差曲曲曲曲线线线线 误差曲线直观地表示了误差曲线直观地表示了测频误差与被测频率测频误差与被测频率fxfxfxfx和闸门时间和闸门时间TsTsTsTs的关系的关系。fxfxfxfx愈大则误愈大则误差愈小，闸门时间愈大误差也愈小，且测频误差以标准频率误差为极限。差愈小，闸门时间愈大误差也愈小，且测频误差以标准频率误差为极限。第50页/共109页2 2）量化误差的影响）量化误差的影响从频率测量的误差表达式：从频