第四章时间与频率的测量ftq.pptx

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1、第四章 时间与频率的测量4.14.1 概述概述4.24.2 时间与频率的原始基准时间与频率的原始基准4.34.3 频率和时间的测量原理频率和时间的测量原理4.44.4 电子计数器的组成原理和测量功能电子计数器的组成原理和测量功能4.54.5 电子计数器的测量误差电子计数器的测量误差4.64.6 高分辨时间和频率测量技术高分辨时间和频率测量技术4.74.7 微波频率测量技术微波频率测量技术4.84.8 频率稳定度测量和频率比对频率稳定度测量和频率比对4.94.9 时频测量技术时频测量技术3/21/20233/21/20231 14.1 概述4.1.1 时间、频率的基本概念 1）时间和频率的定义

2、2）时频测量的特点 3）测量方法概述4.1.2 电子计数器概述 1）电子计数器的分类 2）主要技术指标 3）电子计数器的发展3/21/20233/21/20232 24.1.1 时间、频率的基本概念 1）时间和频率的定义时间有两个含义：“时刻时刻”：即某个事件何时发生；即某个事件何时发生；“时间间隔时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续即某个时间相对于某一时刻持续了多久。了多久。频率的定义：周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（1s1s）内的变）内的变化次数（周期数）。如果在一定化次数（周期数）。如果在一定时间间隔时间间隔T T内周期内周期信号重复变化了信号重复变化了N N次次，则频率可表

3、达为：，则频率可表达为：fN/T时间与频率的关系：可以互相转换。可以互相转换。3/21/20233/21/20233 32)时频测量的特点最常见和最重要的测量最常见和最重要的测量时间是时间是7 7个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。民用和军事方面都存在时频测量。测量准确度高测量准确度高时间频率基准具有最高准确度（时间频率基准具有最高准确度（可达可达1010-14-14），校准），校准（比对）

4、方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。因此，因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。许多物理量的测量都转换为时频测量。自动化程度高自动化程度高测量速度快测量速度快3/21/20233/21/20234 43）测量方法概述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3/21/20233/21/20235 5n n各种测量方法有着不同的实现原理，其复杂程度不同。n n各种测量方法有着不同的测量准确度和适用的频率范围。n n数字化电子计数器法是时间、频率

5、测量的主要方法，是本章的重点。3/21/20233/21/20236 64.1.2 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。但测测频范围往往很宽。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，可测量周：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。

6、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。具有特殊功能的计数器。包括可包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。业测控。3/21/20233/21/20237 71）电子计数器的分类n n按用途可分为：测量用计数器和控制用计数器。n n按测量范围可分为：（1）低速计数器（低于10MHz）（2）中速计数器（10100MHz）（3）高速计数器（高于100MHz）（4）微波计数器（180GHz）3/21/20233/21/20238 82）主要技术指标（1 1）测量范围：毫赫）测量范围：毫赫

7、几十几十GHzGHz。（2 2）准确度：可达）准确度：可达1010-9-9以上。以上。（3 3）晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内部基）晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（1010倍）。输出频率为倍）。输出频率为1MHz1MHz、2.5MHz2.5MHz、5MHz5MHz、10MHz10MHz等，等，普通晶振稳定度为普通晶振稳定度为1010-5-5，恒温晶振达，恒温晶振达1010-7-71010-9-9。（4 4）输入特性：包括耦合方式（）输入特性：包括耦合方式（DCDC、AC

8、AC）、触发电平（可）、触发电平（可调）、灵敏度（调）、灵敏度（10100mV10100mV）、输入阻抗（）、输入阻抗（50 50 低阻和低阻和1M 1M/25pF/25pF高阻）等。高阻）等。（5 5）闸门时间）闸门时间(测频测频)：有：有1ms1ms、10ms10ms、100ms100ms、1s1s、10s10s。（6 6）时标）时标(测周测周)：有：有10ns10ns、100ns100ns、1ms1ms、10ms10ms。（7 7）显示：包括显示位数及显示方式等。）显示：包括显示位数及显示方式等。3/21/20233/21/20239 93）电子计数器的发展测量方法的不断发展：模拟测量方

9、法的不断发展：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，电是电子计数器的两个重要指标，电子计数器的发展体现了这两个子计数器的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功能的扩展和完善展和完善。例子：例子：通道：通道：两个两个225MHz225MHz通道，也可通道，也可选择第三个选择第三个12.4GHz12.4GHz通道。通道。每秒每秒1212位的频率分辨率、位的频率分辨率、150ps150ps的时间间隔分辨率。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、测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时

10、间、下降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总下降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、峰电压、时间间和、峰电压、时间间隔平均和时间间隔延迟。隔平均和时间间隔延迟。处理功能：处理功能：平均值、最小值、最大值和标准偏差。平均值、最小值、最大值和标准偏差。3/21/20233/21/202310104.2 时间与频率标准4.2.1 时间与频率的原始标准 1）天文时标 2）原子时标4.2.2 石英晶体振荡器 1）组成 2）指标3/21/20233/21/202311114.2.1 时间与频率的原始标准1）天文时标原始标准应具有恒定不变性。频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。宏观

11、标准和微观标准宏观标准：基于天文观测；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。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）:以以地球自转周期地球自转周期(1(1天天)确定的时间，即确定的时间，即1/(246060)=1/864001/(246060)=1/86400为为1 1秒。秒。其误差约为其误差约为10107 7量级。量级。3/21/20233/21/202312121）天文时标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

12、，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：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。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：对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正得到。准确度为响自转速率）作修正得到。准确度为3103108 8 。历书时（历书时（ETET）：以地球绕太阳公转为标准以地球绕太阳公转为标准，

13、即公转周期，即公转周期（1 1年）的年）的31 556 925.974731 556 925.9747分之一为分之一为1 1秒。参考点为秒。参考点为19001900年年1 1月月1 1日日0 0时（国际天文学会定义）。准确度达时（国际天文学会定义）。准确度达1101109 9 。于。于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。3/21/20233/21/202313132）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

14、。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）在能级跃迁中将吸收(低能级到高能级低能级到高能级)或辐或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。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为受激态的两为受激态的两个能级，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。3/21/20233/21/202314142）原子时标n

15、n原子时标的定义1967年10月，第13届国际计量大会正式通过了秒的新定义：“秒是Cs133原子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9,192,631,770个周期的时间”。1972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，准确度提高了45个量级，达510-14(相当于62万年1秒)，并仍在提高。3/21/20233/21/202315152）原子时标n n原子钟原子钟 原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。比对。n n铯原子钟铯原子钟 准确度：准确度：1010-13-131010-14-

16、14。大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。工作基准。n n铷原子钟铷原子钟 准确度：准确度：1010-11-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。工作基准。n n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，但准确度较低（，但准确度较低（1010-12-12）。）。3/21/20233/21/202316164.2.2 石英晶体振荡器n n电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器（简称“晶振”）为基准信号源。n n基于压电效应产生稳定

17、的频率输出。但是晶振频率易受温度影响（其频率-温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为10-5。n n采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）可得到高稳定、高准确的频率输出。n n下图为恒温晶振的组成。3/21/20233/21/202317171）组成3/21/20233/21/202318182）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:510:510-12-1

18、2。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)(MHz)日稳定日稳定度度准确度准确度普通普通1 1，10101010-5 51010-6-61010-5-5温度补偿温度补偿1 1，5 5，10101010-6 61010-7-71010-6-6单恒温槽单恒温槽1 1，2.52.5，5 5，10101010-7 71010-9-91010-6 61010-8-8双恒温槽双恒温槽2.52.5，5 5，10101010-9 91010-

19、11-11优于优于1010-8-83/21/20233/21/202319194.3 时间和频率的测量原理4.3.1 模拟测量原理 1）直接法 2）比较法4.3.2 数字测量原理 1）门控计数法测量原理 2）通用计数器的基本组成3/21/20233/21/202320204.3.1 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性来测量频率值，其直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其又可细分为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，此时回路电流达到最大

20、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1500MHz1500MHz以下以下的频率，准确度的频率，准确度(0.25(0.251)%1)%。3/21/20233/21/20232121(2）电桥法：利用电桥的平衡条件和频率有关的利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量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文氏电桥电桥来进行测量。来进行测量。调节调节R R1 1、R R2 2使电桥达到平衡，则有使电桥达到平衡，则有3/21/20233/21/20232222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

21、：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,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、判断电桥平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度即指衡的准确程度（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限制，准示器的灵敏度）和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为确度不高，一般约为(0.5(0.51)%1)%。3/21/20233/21/202323232）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

22、率f fx x进行比较进行比较来测量频率。有来测量频率。有拍拍频法、外差法、示波法以及计数法频法、外差法、示波法以及计数法等。等。数学模型为：数学模型为：拍频法：将标准频率与被测频率拍频法：将标准频率与被测频率叠加叠加，由指示器（耳机或，由指示器（耳机或电压表）指示。适于电压表）指示。适于音频测量音频测量（很少用）。（很少用）。外差法：将标准频率与被测频率外差法：将标准频率与被测频率混频混频，取出差频并测量。，取出差频并测量。可测量范围达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

23、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（椭圆或园）；时显示为斜线（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通道通道扫描速率扫描速率得到周期，得到周期，进而得到频率。进而得到频率。3/21/20233/21/202324244.3.2 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，对频率量的测量需，因此，对频率量的测量需确定一个确定一个取样时间取样时间T T，在该时间内对被测

24、信号的周期累加计，在该时间内对被测信号的周期累加计数数(若若计数值为计数值为N N)，根据，根据f fx x=N/T=N/T得到频率值。得到频率值。为实现为实现时间时间（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测时间按尽可能小的时间按尽可能小的时间单位（称为时标）时间单位（称为时标）进行量化，通过进行量化，通过累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）累计被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（频率测量时为被测信号，时间测量将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信号），由一个时为时标信号），由一个

25、“闸门闸门”（主门）（主门）控制，并由一控制，并由一个个“门控门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。数停止）。3/21/20233/21/202325254.3.2 数字测量原理闸门可由闸门可由一个与（或一个与（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。其原理如下图所示。示。上图为由上图为由“与与”逻辑门作为闸门，其门控信号为逻辑门作为闸门，其门控信号为11时时闸门开启（允许计数），为闸门开启（允许计数），为00时闸门关闭（停止计数）。时闸门关闭（停止计数）。测频时

26、，闸门开启时间（称为测频时，闸门开启时间（称为“闸门时间闸门时间”）即为采样时）即为采样时间间。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。3/21/20233/21/202326262）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：3/21/20233/21/202327272）通用计数器的基本组成n n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、C C多个通道，以实现不同的测多个通道，以实现不同的测量功能。输入通道电路对输入信号进行量功能。输入通道电路对输入信号进行放大、整形等放大

27、、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；显示电路将计数结果（反映测量结果）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。以数字方式显示出来。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，即时间测量的时标和频率测量的闸门信号。间测量的时

28、标和频率测量的闸门信号。控制电路控制电路：控制协调整机工作控制协调整机工作，即准备，即准备测量测量显示。显示。3/21/20233/21/202328284.4 电子计数器的组成原理和测量功能4.4.1 电子计数器的组成 1 1）A A、B B输入通道输入通道 2 2）主门电路）主门电路 3 3）计数与显示电路）计数与显示电路 4 4）时基产生电路）时基产生电路 5 5）控制电路）控制电路4.4.2 电子计数器的测量功能 1 1）频率测量）频率测量 2 2）频率比测量）频率比测量 3 3）周期测量）周期测量 4 4）时间间隔测量）时间间隔测量 5 5）自检）自检3/21/20233/21/20

29、2329294.4.1 电子计数器的组成组成原理框图数字显示器寄存器十进制计数器 A通道(放大、整形)B通 道(放大、整形)主 门功能开关闸门选择、周期倍乘 10 10 10 1010s(104)1s(103)100ms(102)10ms(10)1ms(1)时标选择12345332112445时基部分 10 10 10 10 101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制时序电路开门锁存复位控制时序电路波形3/21/2023301）A、B输入通道作用：它们主要由放大它们主要由放大/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）

30、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、幅度）的脉冲信号幅度）的脉冲信号。通过通过预定标器预定标器（外插件）还可（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：利用利用斯密特触发器斯密特触发器的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。3/21/20233/21/202331311）A、B输入通道n n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（常从被计数的信号（常从A A通道输入）称为通道输入）称为计数端计数端；控制闸门开启的信；控制闸

31、门开启的信号通道（常从号通道（常从B B、C C通道输入）称为通道输入）称为控制端控制端。从计数端输入的信号有：被测信号从计数端输入的信号有：被测信号(fx);(fx);内部时标信号等内部时标信号等;从控制端输入的信号有：闸门信号；被测信号从控制端输入的信号有：闸门信号；被测信号(Tx)(Tx)等；等；序号计数端信号控制端信号测试功能计数结果1内时钟（T0）内时钟（T）自检N=T/T02被测信号（fx）内时钟（T）测量频率（A）fxN/T3内时钟（T0）被测周期（Tx）测量周期（B）TxNT04被测信号（fA）被测信号（fB）测量频率比（A/B）fA/fB=N5内时钟（T0）被测信号相应间隔t

32、B-C测量时间间隔（A-B）tB-C=NT06外输入（TA）被测信号相应间隔tB-C测量外控时间间隔B-CtB-C=NTA7外待测信号（Nx）手控或遥控累加计数（A）NxN8内时钟（秒信号）手控或遥控计时 N（秒）3/21/20233/21/202332322）主门电路功能：功能：主门主门也称为也称为闸门闸门，通过，通过“门控信号门控信号”控制进入计数控制进入计数器的脉冲，使计数器只对预定的器的脉冲，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。其原理如下图：构成。其原理如下图：由由“与门与门”构成的主门，其构成的主门，

33、其“门控信号门控信号”为为11时，允许时，允许计数脉冲通过；计数脉冲通过；由由“或门或门”构成的主门，其构成的主门，其“门控信号门控信号”为为00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，如实现手动累加计数。得到，如实现手动累加计数。3/21/20233/21/202333333）计数与显示电路功能：功能：计数电路计数电路对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表了被测频率或时间），并通过了被测频率或时间），并通过数码显示器数码显示器将将测量结果直观测量结果直观地显示出来。地显示出来。为了便于观察和读数，通常使用

34、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：最高计数频率最高计数频率。计数电路一般由多级双稳态电路构成，受内部状态翻转的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，使计数电路存在时间限制，使计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。而且对多位计数器，最高计数频率主要由多位计数器，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：如不同电路具有不同的工作速度：如74LS74LS（74HC74HC）系列为）系列为3040MHz3040MHz；74S74S系列为系列为100MHz100M

35、Hz；CMOSCMOS电路约电路约5MHz5MHz；ECLECL电路电路可达可达600MHz600MHz。3/21/20233/21/202334343）计数与显示电路n n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)为双十进制为双十进制计数器。计数器。可编程计数器可编程计数器ICIC如：如：Intel8253/8254Intel8253/8254等。等。n n显示器LEDLED、LC

36、D LCD、荧光（、荧光（VFDVFD）等。）等。n n显示电路：包括锁存、译码、驱动电路。包括锁存、译码、驱动电路。如如74LS4774LS47、CD4511CD4511等。等。n n专用计数与显示单元电路：如如ICM7216DICM7216D。3/21/20233/21/202335354）时基产生电路功能：产生测频时的功能：产生测频时的“门控信号门控信号”（多档闸门时间可选）（多档闸门时间可选）及时间测量时的及时间测量时的“时标时标”信号（多档可选）。信号（多档可选）。实现：由内部实现：由内部晶体振荡器晶体振荡器（也可外接），通过（也可外接），通过倍频或分频倍频或分频得到。再得到。再通过

37、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。3/21/20233/21/202336364）时基产生电路要求：标准性标准性：“门控信号门控信号”和和“时标时标”作为计数器作为计数器频率和时间测量的本地工作基准，应当具有高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。稳定度和高准确度。多值性多

38、值性：为了适应计数器较宽的测量范围，要：为了适应计数器较宽的测量范围，要求求“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。3/21/20233/21/202337375）控制电路功能：产生各种控制信号，控制、协调各电路单产生各种控制信号，控制、协调各电路单元的工作，使整机按元的工作，使整机按“复零测量显示复零测量显示”的工的工作程

39、序完成自动测量的任务。如下图所示：作程序完成自动测量的任务。如下图所示：准备期准备期（复零，等待）复零，等待）测量期测量期 （开门，计数）（开门，计数）显示期显示期（关门，停止计数）（关门，停止计数）3/21/20233/21/202338384.4.2 电子计数器的测量功能1 1）频率测量）频率测量原理：计数器严格按照原理：计数器严格按照 的定义实现频率测量。的定义实现频率测量。根据上式的频率定义，根据上式的频率定义，T T为采样时间，为采样时间，N N为为T T内的周期数。内的周期数。采样时间采样时间T T预先由闸门时间预先由闸门时间TsTs确定（时基频率为确定（时基频率为fsfs）。则）

40、。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。它体现了数字化频率测量的体现了数字化频率测量的比较法测量原理比较法测量原理。例如：闸门时间例如：闸门时间Ts=1sTs=1s，若计数值，若计数值N=10000N=10000，则显示的，则显示的fxfx为为“10000”Hz“10000”Hz，或，或“10.000”kHz“10.000”kHz。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 “10.00”kHz“10.00”kHz。请注意：请注意：显示

41、结果的有效数字末位显示结果的有效数字末位的意义，它的意义，它表示了频率测表示了频率测量的分辨力（应等于时基频率量的分辨力（应等于时基频率fs fs）。3/21/20233/21/202339391）频率测量n n原理框图和工作波形图（原理框图和工作波形图（fxfx由由A A通道输入，内部时基）通道输入，内部时基）n n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器十进制计数器，多档，多档闸闸门时间设定为门时间设定为1010的幂次方的幂次方，这样可直接显示计数结果，并，这样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。通过移动小数点和单位的配合，就

42、可得到被测频率。n n测量速度与分辨力测量速度与分辨力：闸门时间：闸门时间TsTs为频率测量的采样时间，为频率测量的采样时间，TsTs愈大，则测量时间愈长，但计数值愈大，则测量时间愈长，但计数值N N愈大，分辨力愈高。愈大，分辨力愈高。TB放大、整形放大、整形闸闸门门门控电路门控电路计数计数显示显示Afx分频电路分频电路时基时基Ts3/21/20233/21/202340404.4.2 电子计数器的测量功能2 2）频率比的测量）频率比的测量原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频率比的测量：一种频率比的测量：fxfx对对fsfs的频率比的频

43、率比。据此，若要测量据此，若要测量f fA A对对f fB B的频率比（假设的频率比（假设f fA AffB B），只），只要用要用f fB B的周期的周期T TB 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作周期作周期计数即可。计数即可。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。3/21/20233/21/20234141注意：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：扩展扩展B B通道信号的通道信号的周期个数周期个数。例如：

44、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，则个周期作为闸门信号，则计数值为：计数值为：,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。可方便地测得电路的分频或倍频系数。2）频率比的测量3/21/20233/21/202342423 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

45、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即可得到即可得到TxTx。即。即 该式表明，该式表明，“时标时标”的计数值的计数值N N可表示周期可表示周期TxTx。也体现了时。也体现了时间间隔（周期）的间间隔（周期）的比较测量原理比较测量原理。实现：由实现：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（A A通道通道外部输入断开）。外部输入断开）。4.4.2 电子计数器的测量功

46、能3/21/20233/21/20234343原理框图：原理框图：例如：时标例如：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“10000”us“10000”us，或，或“10.000”ms“10.000”ms。如时标。如时标T T0 0=10us=10us，则计数值，则计数值N=1000N=1000，显示的，显示的TxTx为为 “10.00”ms“10.00”ms。请注意：请注意：显示结果的有效数字末位显示结果的有效数字末位的意义，它的意义，它表示了周期测量的分辨力表示了周期测量的分辨力（应等于时标（应等于时标T T0 0

47、）。为便于显示，。为便于显示，多档多档时标设定为时标设定为1010的幂次方。的幂次方。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与时标有关，时标愈小分辨力愈高。与时标有关，时标愈小分辨力愈高。3）周期的测量3/21/20233/21/202344444 4）时间间隔的测量）时间间隔的测量时间间隔：指时间间隔：指两个时刻点两个时刻点之间的时间段。在测量技术中，之间的时间段。在测量技术中，两个时刻点通常由两个时刻点通常由两个事件两个事件确定。如，一个确定。如，一

48、个周期信号的两周期信号的两个同相位点个同相位点（如过零点）所确定的时间间隔即为周期。（如过零点）所确定的时间间隔即为周期。两个事件两个事件的例子及的例子及测量参数测量参数还有：还有：同一信号波形上两个不同点之间同一信号波形上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，两点之间两个信号波形上，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、累加计数。定时、累加计数。测量方法：由测量方法：由两个事件两个事件触发得到触发得到起始信号和终止信号起始信号和终止信号，经，经过门控双稳态电路得到过门控双稳态电路得到“门控信号门控信号”，门控时间即为被测，门控时间即为被测的时间间隔。在门控

49、时间内，仍的时间间隔。在门控时间内，仍采用采用“时标计数时标计数”方法方法测测量（即所测时间间隔由量（即所测时间间隔由“时标时标”量化）。量化）。4.4.2 电子计数器的测量功能3/21/20233/21/202345454）时间间隔的测量u原理框图原理框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。时标由机内提供。如下图。输入。时标由机内提供。如下图。输入。时标由机内提供。如下图。输入。时标由机内提供。如下图。3/21/20233/21/20

50、234646 触发极性触发极性选择和选择和触发电平触发电平调节：为增加测量的灵活性，调节：为增加测量的灵活性，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，以完和触发电平调节，以完成各种时间间隔的测量。如下图的脉冲参数测量。成各种时间间隔的测量。如下图的脉冲参数测量。VBVc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%)4）时间间隔的测量3/21