时间与频率的测量.ppt

第5章 时间与频率的测量,5.1 概述,频率的测量可以分为模拟法和数字法两大类，模拟法又可分为直接法和比较法两种，直接法又有谐振法和电桥法两种。谐振法是利用电路的频率响应特性来测量频率。电桥法是利用电桥平衡原理来测量频率。比较法有拍频法、差频法和示波器法。比较法是利用已知的参考频率同被测频率进行比较而测得被测频率的。示波器法是先读出波形在示波器上显示的周期再换算成频率。 电子计数器法是测量频率最常用的方法，目前的电子计数器由于使用大规模集成电路，因而具有测量频率范围宽、准确度高、测量速度快、数字显示、体积小、可靠性高等一系列优点。电子计数器是一种最常见、最基本的数字化测量仪器。,1直接测频法 常用的直接测频法分为谐振法和电桥法两种。 （1）谐振法 谐振法测频的基本原理如图5-1所示。将被测 信号作为谐振电路的电源，经互感与串联谐振回 路进行松耦合，通过改变电路参数使电路谐振， 调节可变电容器使回路发生串联谐振。谐振时回 路电流达到最大（电流表指示），被测频率可用 下式计算。,图5-1 谐振法测频率,（2）电桥法 利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量。凡是平衡条件与频率有关的任何电桥都可用作测频用，但要求电桥的频率特性尽可能尖锐。可用于测频的电桥种类很多，常用的有文氏电桥、谐振电桥和双T电桥。如图5-2所示为电桥法测频原理图。调节R1、R2使电桥可在被测频率点上达到平衡，根据以前学过的电桥平衡的原理，最终可求得被测频率。,2比较测频法 常用的比较法有拍频法、差频法和示波器法。,（1）拍频法 拍频法是将被测信号与标准信号 经线性元件（如耳机、电压表）直接进行叠加 来实现频率测量的，其原理电路如图5-3所示。,当两个音频信号逐渐靠近时，耳机中可以听到两个高低不同的音调。当这两个频率靠近到差值不到46Hz时，就只能听到一个近于单一音调的声音。这时，声音的响度作周期性的变化，再观察电压表，会发现指针在有规律地来回摆动，被测信号的频率近似等于标准信号频率。拍频法通常只用于音频的测量，而不宜用于高频测量。,（2）差频法 高频段测频通常采用差频法。差频法是利用非线性器件和标准信号对被测信号进行差频变换来实现频率测量的。其基本工作原理如图5-4所示。和两个信号经混频器混频和滤波器滤波后输出二者的差频信号，该差频信号落在音频信号范围内，调节标准信号频率，当耳机中听不到声音时，表明两个信号频率近似相等。,5.2 通用电子计数器及其应用,5.2.1 计数器概述 1电子计数器的分类 按其测试功能的不同，电子计数器分为以下几类： （1）通用电子计数器：是多功能电子计数器。它可以测量频 率、频率比、周期、时间间隔及累加计数等，通常还具有自检 功能。 （2）频率计数器：指专门用于测量高频和微波频率的电子计数 器，它具有较宽的频率范围。 （3）计算计数器 指的是一种带有微处理器、能够进行数学运 算、求解较复杂方程式等功能的电子计数器。 （4）特种计数器 是指具有特殊功能的电子计数器。如可逆计 数器、预置计数器、程序计数器和差值计数器等，它们主要用 于工业生产自动化，尤其在自动控制和自动测量方面。,2. 电子计数器基本组成,（1） 输入通道 （2） 计数显示电路 （3） 逻辑控制电路 （4） 标准时间产生电路,电子计数器基本组成方框,（1）输入通道,输入通道即输入电路。其作用是接受被测信号，并 对被测信号进行放大整形，然后送入闸门（即主门或 信号门）。输入通道通常包括A、B 两个独立的单元 电路。,A通道是计数脉冲信号的通道。它对输入信号进 行放大整形、变换，输出计数脉冲信号。计数脉冲 信号经过闸门进入十进制计数器, 是十进制计数器的 触发脉冲源。,B通道是闸门时间信号的通道，用于控制 闸门的开启和关闭。输入信号经整形后用来 触发门控电路（双稳态触发器），使其状态 翻转。以一个脉冲开启闸门，而以随后的一 个脉冲关闭闸门，两脉冲的时间间隔为闸门 时间。在此期间，十进制计数器对经过A通 道的计数脉冲进行计数。,（2）计数显示电路,计数显示电路是一个十进制计数显示电路，将 被测信号转换成于之成比例的脉冲信号，（由 放大整形电路完成）。再对通过闸门的脉冲 （即计数脉冲）进行计数，并以十进制方式显 示计数结果。计数显示电路由计数器、寄存 器、译码器、显示电路组成。,（3）标准时间产生电路,标准时间信号由石英晶体振荡器提供，作为电子计数器的内部时间基准。测周期时，标准时间信号经过放大整形和倍频（或分频），用作测周期时的计数脉冲，称为时标信号；测频时，标准时间信号经过放大整形和一系列分频，用作控制门控电路的时基信号，时基信号经过门控电路形成门控信号。,（4）逻辑控制电路,逻辑控制电路 其主要功能是产生各种控制 信号，如产生测频时的门控信号、时间测量 的时标信号等，用于控制电子计数器各单元 电路的协调工作。一般每一次测量的工作程 序是：,准备,计数,显示,复零,准备下次测量,测周期时: 标准时间信号（晶振）经过放大 整形和倍频电路，送入A通道，用作测周 期时的计数脉冲，称为时标信号； 测频率时: 标准时间信号（晶振）经过放大 整形和一系列分频，送入B通道，用作控制 门控电路的信号，称为时基信号。,3. 电子计数器的主要技术指标,1) 测试功能： 2) 测量范围：仪器的有效测量范围 3) 晶振频率及稳定度 4) 输入特性 ： （1）输入耦合方式 （2）触发电平及其可调范围 （3）输入灵敏度 （4）最高输入电压 （5）输入阻抗,(5) 测量准确度 (6) 闸门时间和时标 (7) 显示及工作方式 (8) 输出,5.2.2 电子计数器测量频率,倍频系数 m 分频系数 Kf,fx 被测信号频率，其倒数为周期 Tx； N 闸门开启期间十进制计数器计出 的计数脉冲个数； fs 晶振信号频率； Ts 晶振信号周期； m 倍频系数； Kf 分频系数； 闸门时间 Kf Ts 闸门时间选择 调节 Kf 的旋钮；,公式关系,设计数结果为 N：,（N个计数的周期）,（门控时间）,为了使N值能够直接表示 fx :,即当闸门时间为 110n s (n为整数)，并且使 闸门开启时间的改变与计数器显示屏上小数 点位置的移动同步进行时，无需对计数结果 进行换算，就可直接读出测量结果。,常取 mKf Ts = 1ms、10ms、0.1s、1s、10s 等几种闸门时间。,5.2.3 电子计数器测量周期,TX Kf 为闸门时间 ； Kf 分频器分频次数 ； Ts 为晶振信号周期； 调节 Kf 的旋钮称为 “周期倍乘率” ; 改变 Ts / m 的大小的旋钮称为“时标选择”开关。,5.2.4 电子计数器的其他应用 1. 测量频率比,2. 测量累加计数,累加计数指的是在限定时间内，对输入的 计数脉冲进行累加。,累加计数的测量是在限定时间内，对输入 的计数脉冲进行累加。其测量原理与测量频率是 相似的，其电路原理框图如图5-9所示，计数脉冲 信号由A输入通道输入，经放大整形电路转换成 脉冲信号。控制信号由B输入通道输入，当加入 一个启动信号后，时间闸门打开，计数器立即对 计数信号脉冲进行累加计数，当再加入一个停止 信号时，时间闸门关闭，计数器停止计数。此时 计数器所显示的计数值N，就是从启动到停止两 信号间输入计数脉冲信号的脉冲个数，即Nx=N 。,3. 测量时间间隔,如图5-10所示为计数器测量两个脉冲之间时间间隔的原理框图，其测量原理与测量周期原理相似，相当于用被测信号来控制计数。两个被测信号分别由A端和B端输入，用其跳 变沿来控制闸门的开启和关闭。A信号用来打开闸门，B信号用来关闭闸门，时标信号Tc作为计数脉冲，在闸门打开的时间内，由计数器进行计数，则两个信号之间的时间间隔为 tab = NTC 。,4. 自检（自校）,检查仪器自身的逻辑功能以及电路的工作是否正常。,由图可见，自检就是电子计数器对内部时间基准信号源进行测量，检测过程与测量频率的原理相似，不过自检时的计数脉冲不再是被测信号而是晶振信号经分频后产生的时标信号Tc。显然，此时计数值为 N=TS / TC 。,5.3 电子计数器的测量误差分析,1. 测量误差的来源 量化误差 触发误差 标准频率误差,（1）量化误差,量化误差是在将模拟量转换为数字量的量 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。,量化误差的特点是： 无论计数值为多少, 每次的计数值总是相差1。,量化误差的公式为：,量化误差的相对误差公式为：,量化误差公式分析:,从公式可看出，总读N数越大，N 越小，测量 的相对准确度就越高。 例如：计数器读数 N=100时， N =1% 读数 N=10000时， N =0.01% 同是1个字的误差，但对测量准确度的影响 却大不相同。,（2）触发误差,触发误差又称为转换误差,产生原因：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， 被测信号叠加有噪声， 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。 闸门开启时间为 :,触发误差的相对误差 ：,Un 为噪声或干扰信号的最大幅度, 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， 对测量频率的影响较小。,（3）标准频率误差,标准频率误差指的是由于晶振信号不 稳定等原因而产生的误差。,2. 测量误差的分析,（2）测周误差：,（1）测频误差：,要减小量化误差对测频的影响，应设 法增大计数值N。 在A通道中选用倍频次数m较大的倍频 器，即选用短时标信号； 在B通道中增大分频次数Kf ，延长闸门 时间；可以直接测量高频信号的频率。,要减小测周量化误差应设法增大计数值N。 在A通道中选用倍频次数m较大的倍频器， 即选用短时标信号； 在B通道中增大分频次数Kf ，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。,5.4 通用计数器实例 1. NFC-100多功能计数器,（1）技术指标 1）测试功能 ：频率、周期、累加计数、自检。 2）测量范围：测频0.1Hz100MHz, 测周0.4s10s 累加计数1108。 3）输入特性 （1）输入耦合方式 AC。 （2）输入电压范围 30mV10V，但不 同量程的范围不同。 （3）输入阻抗 ； 。,4） 闸门时间 10ms、0.1s、1s、10s 。 5） 时标（晶振） 0.1s 。 6） 显示位数及显示器件 8位 LED 。 7） 输出: 频率:10MHz 电压:1VP-P 波形:正弦波,（2）工作原理,主要组成：输入通道，预定标分频器 主机测量单元，晶振，显示单元 。 主机测量单元直接计数频率为10MHZ，在输入高于 10MHZ频率信号时，需要经过预定标分频器除以10后， 送入主机测量。,主机测量单元,电路由大规模集成电路ICM7226B组成。 ICM7226B: 多位计数器， 寄存器电路, 时基电路, 逻辑控制电路, 显示译码驱动电路, 溢出和消隐电路， 并可直接驱动外接的共阴极LED显示数码管， 以扫描方式显示测量结果。,当IC7226B功能输入端和闸门时间输入端分 别接入不同的扫描位脉冲信号时，其测量 逻辑功能发生变化。分别完成“频率”、“周 期”、“计数”、“自检” 等功能。 闸门时间在时标为10MHz时为10ms、0.1s、 1s、10s，在其他时标时，闸门时间将随之 作相应变化。,（3）电子计数器的使用及注意事项简介 NFC-100型电子计数器的前面板如图5-16所示： “功能键（FUNCTION）”包括“累加计数（TOT）”、 “周期(PER)”、“频率(FREQ)”、“自检(CHK)”四个按 键，每个按键对应一种测量功能； 功能键右边的四个按键在测量频率、周期时，分别称 为“频率测量时间（FREQ MEASURE TIME）”、“周 期倍乘率（PERIOD AVERAGE）”选择开关，用于选 择频率测量时间和周期倍乘率，它们与被测量的范围 配合使用。,本章小结,本章介绍了时间和频率的测量方法、电子计数器的组成、通用电子计数器的功能、测量原理和测量误差分析，以及电子计数器实例介绍等。频率的测量方法有很多，如示波器测量法、电子计数器、数字频率计，其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量速度快以及便于实现测量过程自动化等优点。 频率的测量可以分为模拟法和数字法两大类，模拟法又可分为直接法和比较法两种，直接法又有谐振法和电桥法两种。谐振法是利用电路的频率响应特性