电子测量与仪器课件第七章频率和时间测量及仪器2

7.4电子计数器的测量误差

7.4.1测量误差的来源

电子计数器的测量误差来源主要包括量化误差、触发误差和标准频率误差。 1.量化误差(±1误差) 量化误差是在将模拟量变换为数字量的量化过程中产生的误差，是数字化仪器所特有的误差，是不可消除的误差。它是由于电子计数器闸门的开启与计数脉冲的输入在时间上的不确定性，即相位随机性而产生的误差。1

量化误差的相对误差为：

计数脉冲闸门开启时间T闸门开启时间T图7.13量化误差产生示意图计数脉冲N=8计数脉冲N=922.触发误差

触发误差又称为变换误差。被测信号在整形过程中，由于整形电路本身触发电平的抖动或者被测信号叠加有噪声和各种干扰信号等原因，使得整形后的脉冲周期不等于被测信号的周期，由此而产生的误差称为触发误差。

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触发电平VB0A1A'1A'2A2干扰信号干扰信号Tx闸门开启闸门关闭ΔT1ΔT2T'x=ΔT1+Tx+ΔT2被测信号图7.14触发误差产生示意图4经推导得知，触发误差的相对误差等于

(7-2)式中，Un为噪声或干扰信号的最大幅度，包括因触发电平抖动而产生的影响，一般情况下，可以不考虑触发电平抖动或漂移的影响；Um为被测信号电压幅度；Kf为B通道分频器分频次数。 触发误差对测量周期的影响较大，而对测量频率的影响较小，所以测频时一般不考虑触发误差的影响。 为了减小测周时触发误差的影响，除了尽量提高被测信号的信噪比外，还可以采用多周期测量法测量周期，即增大B通道分频器分频次数。5

3.标准频率误差Δfs/fs

标准频率误差是指由于晶振信号的不稳定等原因而产生的误差。测频时，晶振信号用来产生门控信号（即时基信号），标准频率误差称为时基误差；测周时，晶振信号用来产生时标信号，标准频率误差称为时标误差。一般情况下，由于标准频率误差较小，不予考虑。

7.4.2测量误差的分析

上述测量误差中，对频率测量影响最大的是量化误差，其他误差一般不予考虑。周期测量则主要受量化误差和触发误差的影响。下面对测频和测周误差进行分析： 6 1.测频误差

经过推导得知，测频量化误差等于

由此可见，要减小量化误差对测频的影响，应设法增大计数值N。即在A通道中选用倍频次数m较大的倍频器，亦即选用短时标信号；在B通道中增大分频次数Kf，亦即延长闸门时间；可以直接测量高频信号的频率，否则，测出周期后再进行换算，该方法属于间接测量法，这是由测周误差的特性所决定的。7 2.测周误差

（1）量化误差 经过推导得知，测周量化误差为：

由此可见，要减小测周量化误差，应设法增大计数值N。即在A通道中选用倍频次数m较大的倍频器，亦即选用短时标信号；在B通道中增大分频次数Kf，亦即延长闸门时间，该方法称为多周期测量法；可以直接测量低频信号的周期，否则，测出频率后再进行换算，该方法属于间接测量法。8

所谓的高频或低频是相对于电子计数器的中界频率而言的。中界频率是指采用测频和测周两种方法进行测量，产生大小相等的量化误差时的被测信号的频率。 （2）测周触发误差 减小测周触发误差的方法如式(7-2)结论所述，不再赘述。 综上所述，多周期测量法以及提高信噪比、选用短时标信号等方法，可以减小测量周期的误差。 7.4.3频率扩展技术 由于受十进制计数器处理速度等因素的限制，上述类型的电子计数器比较适合频率低于700MHz左右的信号，在A通道分别采用倍频器时，频率范围就更窄了。通常采用外差降频变换法、预定标法、转移振荡器法、谐波外差变换法、取样法等方97.4.3频率扩展技术 由于受十进制计数器处理速度等因素的限制，上述类型的电子计数器比较适合频率低于700MHz左右的信号，在A通道分别采用倍频器时，频率范围就更窄了。通常采用外差降频变换法、预定标法、转移振荡器法、谐波外差变换法、取样法等方法来扩展计数器的测频范围，这样的计数器适合用来测量高频信号频率，称之为数字频率计，测频上限可高达170GHz。下面主要介绍外差降频变换法和预定标法。

1.外差降频变换法

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输入混频器调谐滤波器调谐倍频器放大器测频电子计数器晶振图7.15手动外差降频变换法扩频原理框图112.预定标法 如图7.16所示，预定标数字频率计与通用计数器的区别就是对被测信号进行N分频，即预定标。预定标法的缺点是降低了单位时间内的分辨力，为了提高测量分辨力，如果十进制计数器位数足够多，通常也对晶振进行N分频。放大整形输入Afx分频器（1/N）闸门十进制计数器晶振分频器（1/N）时基分频器显示N×0.1sN×1sN×10s图7.16预定标法数字频率计原理框图127.5通用计数器实例7.5.1技术指标（1）测试功能（2）测量范围测频范围：0.1Hz～100MHz；测周范围：0.4μs～10s；累加计数范围：1～108。（3）输入特性输入耦合方式；输入电压范围；输入阻抗：R,Ci。（4）闸门时间:10ms、0.1s、1s、10s。（5）时标（晶振）:时标为0.1μs。（6）显示位数及显示器件:8位LED（7）输出:输出频率;输出电压;输出波形137.5.2工作原理:如图7.17所示主机测量单元直接计数频率为10MHz，在输入高于10MHz频率的信号时，需要经过预定标分频器后，送入主机测量单元。输入fx(Tx)输入通道预定标分频器主机测量单元晶振显示图7.17NFC-100型通用电子计数器组成框图14主机测量单元如图所示溢出闸门uskHzICM7226B段码输出（a、b、c、d、e、f、g、dp）88位码输出（D1～D8）功能选择闸门时间（周期倍乘）频率自检周期计数10s1s0.1s10ms44晶振图7.18NFC-100型电子计数器主机测量单元逻辑框图abcdefgdp复位157.5.3电子计数器的使用及注意事项

①按照要求接入正确的电源。8位LED显示OVFLGATEuskHzMODELNFC—100MULTFUNCTIONCOUNTERSTBYONRESETTOTPERFREQCHKFREQMEASURETIME10ms0.1s1s10sPERIODAVERAGE1101001000FUNCTIONTIMEBASEOUT50Ω10MHz＞10VP-P1MΩ8MHz100MHz0.1HzINPUT图7.19NFC-100型电子计数器前面板图16②在使用电子计数器进行测量之前，应对仪器进行“自检”，以初步判断仪器工作是否正常。③被测信号的大小必须在电子计数器允许的范围内，否则，输入信号太小测不出被测量，输入信号太大有可能损坏仪器。④当“溢出（OVFL）”指示灯亮时，表明测量结果显示有溢出，不能漏记数字。⑤在允许的情况下，尽可能使显示结果精确些，即所选闸门时间应长一些。⑥在测量频率时，如果选用闸门时间为10s时，“闸门（GATE）”（或“采样”）指示灯熄灭前显示的数值是前次的测量结果，并非本次测量结果，记录数据时务必等采样指示灯变暗后进行。177.6数字相位计相位差的测量方法包括示波器法、比较法、直读法等。数字相位计采用直读法测量，是由电子计数器扩展而成的相位测量仪器。数字相位计包括相位-时间变换式相位计和相位-电压变换式相位计，瞬时值数字相位计和平均值数字相位计属于前一种。7.6.1瞬时值数字相位计瞬时值数字相位计原理框图如图7.20所示。当被测信号u1、u2由负变正通过零点时，分别由零比较器1和2产生脉冲信号u'1、u'2。设u1超前于u2，则u'1、u'2分别用作门控电路的开启信号、关闭信号，使门控电路产生门控信号u3，u3的脉宽与两个信号的相位差相对应，u3脉宽期间打开计数门，时标信号则18经由计数门至计数显示电路，得到对应的相位差数值。其工作波形如图7.21所示。 设被测信号周期为Tx，门控信号u3的宽度，亦即两个信号相位差Δφ对应的时间为tφ，则（7-3）tφ=NTs（7-4）式中，Ts为时标信号周期。比较器1比较器2门控电路计数门计数显示时标信号u1u2u3u4置零图7.20瞬时值数字相位计原理框图u'1u'219ttttt00000u(t)u'1u'2u3u4u1u2tφtφ图7.21瞬时值数字相位计工作波形图Tx20(7-3)tφ=NTs（7-4）式中，Ts为时标信号周期。(7-5)217.6.2平均值数字相位计平均值数字相位计是在瞬时值数字相位计的基础上，采用平均技术而构成的数字相位计。它能够减小干扰信号、量化误差等的不良影响，提高测量的准确度。平均值数字相位计原理框图及其工作波形如图7.22、7.23所示。比较器1比较器2门控电路1计数门1分频(1/Kf)门控电路2计数门2计数显示u1(t)u2(t)u'1u'2u3u4fsu5u6图7.22平均值数字相位计原理框图频标fs22u(t)u'1u'2u1u2u3u4u5u6Tx000000N∑T∑ttttttt图7.23平均值数字相位计工作波形图0计数门1的工作过程与瞬时值数字相位计完全相同，存在关系：23

门控信号u5是利用频标信号fs分频得到的。分频系数为Kf，其门控时间T∑为： 对应于每个被测信号的一个周期Tx，计数门1输出一组脉冲，每组脉冲数为N。如果用m组脉冲平均，则计数门2每开门一次，应通过m组脉冲，存在关系：T∑=mTx=KfTsKf=mTx/Ts 在时间T∑内，对通过计数门2的m组脉冲计数，并求平均值，则有24用平均值代替式（7-5）中的N表示测量结果，存在关系：式中，N∑是在T∑时间内实际通过计数门1和计数门2的脉冲总个数，也就是在时间TΣ内通过计数门2的脉冲累加值；Kf为分频次数，由分频器的分频指示值读出。相位差Δφ与NΣ成正比，计数值N∑能直接用来表示测量结果。平均值数字相位计的测量结果只决定于计数值N∑，而与被测频率fx无关。

25为了便于读数，通常Kf选用36×10n，NΣ则可以直接表示度数，只是小数点位置要随取值的不同而产生移位。在实际工作中，平均值数字相位计应用比较广泛，如BX-13A型数字相位计等。BX-13A型数字相位计工作频率为20Hz～200kHz，测相范围为0～360°，分辨力为±0.03°。26本章小结

本章介绍了时间和频率的测量方法、通用电子计数器的组成及功能、测量原理和测量误差，以及数字相位计组成及其工作原理等。 （1）频率测量方法包括无源测量法、比较法、示波器法和计数法等。无源测量法包括谐振法和电桥法；比较法包括拍频法和差频法。 （2）电子计数器分为通用电子计数器、频率计数器