第四章--频率与时间的测量

2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,1,第四章频率与时间的测量,一、概述二、电子计数器测频方法三、电子计数器测周方法四、时间间隔测量五、通用电子计数器的结构与功能六、标准频率源的测量,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,2,一、概述,采用天文观测方法，将一天的时间分为246060份作为秒；经过校正，其稳定度为310-8世界时以1900年（回归年）的1556925.9747分之一作为秒的长度，其准确度可达110-9历书时引进微观计时标准，采用铯133（Cs133）原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的9192631770个周期的持续时间为一秒，其准确度可达10-13原子时,频率或时间的原始基准,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,3,频率和时间测量的特点,时间是一个基本的参数，与其它电参量的测量方案、测量结果有密切的关系利用电子技术测量时间，具有很高的精确度，可达10-14测量过程高度自动化，测量迅速、使用方便频率是周期的倒数，频率测量与周期、时间的测量是相互关联和等效的电子计数器一般具有测量频率和测量周期等两种以上测量功能,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,4,电子计数器的工作原理,计数器,控制信号,被测信号,基准信号,遥控开关信号手控开关信号被测信号闸门时间信号,计数信号,f1,主门,N=f1T2,N,T2,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,5,电子计数器的工作原理（续）,组成计数信号（被测/标准）门控信号（标准/被测）主控门计数器信号整形电路显示电路,功能计数（被测/不控）测频率（被测/标准）测周期（标准/被测）测频率比（被测1/被测2）测时间间隔、计时（标准/启停控制）,思考题：既然“测频”和“测周”都可以测量信号的频率，那么什么时候“测频”、什么时候“测周”呢？,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,6,二、电子计数器测频方法,数字频率计的结构与工作原理频率测量的误差分析频率比的测量,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,7,TS,1.数字频率计的结构与原理,十进电子计数器,fx,闸门时间,被测信号,门控电路,逻辑控制单元,主门,整形电路,N,fx=N/Ts=Nfc/k,=TSfx,=(k/fc)fx,1MHz,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,8,2.各组成部分的功能,整形单元：将被测信号整形为可以计数的方波信号主门：构成门控信号的作用途径门控电路：形成控制基准信号十进制电子计数器：计数、显示逻辑控制单元：控制计数器的工作流程时基信号产生与变换单元：通过“闸门时间”选择开关选择适当的闸门时间信号，以适应不同频率的测量与显示范围,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,9,3.频率测量的误差分析随机误差,触发误差输入信号经过放大、整形电路，转换为计数脉冲整形电路一般采用施密特触发电路当被测信号上叠加有噪声干扰信号时，会产生信号触发点不准的现象，由此产生的误差，称为触发误差（或转换误差）解决方案尽可能提高信噪比将信号适当衰减，使干扰噪声同时减小，降低对触发点的影响自动增益控制（AGC）技术合理选择触发触发窗口，避开干扰脉冲（P173图514）,具体分析参见P162图5-6,具体分析参见P172图5-13,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,10,3.频率测量的误差分析系统误差,频率测量的结果为：fx=N/Ts=Nfc/k测量误差为误差有两个来源：计数器的误差（1误差）标准频率误差当不考虑标准频率的误差时，则测量误差仅由量化误差决定因为|N|1，所以测量的误差由N决定由于N=TSfx=(k/fc)fx，所以当fc和fx一定时，增大闸门时间TS（即增大时标k），可以减小测量误差,量化误差,N=TSfx=(k/fc)fx,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,11,1误差的产生示意图,产生量化误差的原因：门控信号与被测信号不存在时序联系，脉冲出现的相对时刻具有一定的偶然性,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,12,闸门时间对测量误差的影响,设被测信号的频率为100kHz，选取不同的闸门时间，可以得出下面的几种测量结果：,结论：对于一个给定的被测信号，在计数器的计数范围内，闸门时间越大，量化误差造成的影响越小。,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,13,标准频率源对测量误差的影响,在不考虑量化误差时，测量准确度就等于标准频率源的准确度可以按照测量精度要求给频率源分配误差限额由于频率源的精度容易控制，因此一般情况下选取比测量精度高一个数量级的频率源，将误差限额留给量化误差结论：选取合适的频率源后，可以只考虑量化误差,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,14,频率测量误差分析的结论,测频误差由触发误差、1误差和标准频率误差合成总的系统误差可表示为结论测量总误差不可能优于标准频率误差闸门时间一定时，被测频率越高，误差越小被测信号确定时，闸门时间越大，误差越小测量低频信号时，会产生很大的误差低频信号的频率不能通过测频方法测量,测量速度降低,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,15,4.频率比的测量,假设fAfB，若要测量fA对fB的频率比，只要用fB的周期TB作为闸门信号，在TB时间内对fA作周期计数即可。,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,16,4.频率比的测量（续）,应用：可方便地测量电路的分频或倍频系数注意：频率较高者由A通道输入，频率较低者由B通道输入可采用B通道信号周期倍乘的方法，提高频率比的测量精度例：当fA=100Hz，fB=1Hz时，分别以B通道信号的1、10、100个周期作为闸门信号，则计数器的值N分别为100、1000、10000，频率比的测量结果分别为100、100.0、100.00。(显示电路的小数点位置随倍数移动）,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,17,三、电子计数器测量周期方法,直接测频存在的问题当被测频率较低时，若采用计数器直接测频，会产生较大的误差解决方案主门的开闭由被测信号控制，对较高频率的时标脉冲进行计数，反推被测信号的频率测周模式特点与测频方法原理相同，只是被测信号、时标信号的接入方式不同,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,18,1.周期测量的原理方框图,Tx,N=Tx/Ts,Tx=NTsfx=fs/N=fc/(kN),fc,fs,时标,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,19,2.误差分析,周期测量值为Tx=NTs=N/fs=kN/fc所以周期测量的误差为周期测量的误差包括量化误差（1误差）、标准频率误差、以及触发误差提高测量精度的途径提高频率源的精度减小标准源对测量的影响尽可能采用小时标（用小k值）减小量化误差多周期测量取平均减小量化误差、触发误差的影响提高信噪比减小触发误差,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,20,3.用测周方法实现频率测量与显示倒数计数器,先用测周法得到N，然后用N控制倒数计数器，将N换算为频率倒数计数器不会产生附加的量化误差，也不会“提高”测量精度,例：fc=10MHz，fx=50Hz，k=102，则N=2000取q106，则主门B的开启时间为0.1s。当N=2000时，M=500，fx=50.0Hz,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,21,4.测频，还是测周？,现象测频时，被测频率fx愈高，则量化误差愈小；测周时，被测频率fx愈低，则量化误差愈小。推论存在一个频率fm，使测频与测周二者的量化误差相等为减小量化误差，当fxfm时，测频；当fxfm时，测周。中界频率fm的确定量化误差取决于计数值N测频时，N=Tsf/Tx;测周时，N=Tx/Tst。令两个N相等，并用Tm表示Tx，则Tm(TsfTst)1/2例：若Tsf=1s，Tst=1us，则当信号的频率为fm=1kHz时，测频与测周的量化误差相等。,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,22,四、时间间隔测量,需求两个信号的相位差的测量同一信号波形上两个点之间的时间间隔测量周期、脉宽原理与测量周期的方法相似，所不同的是门控信号分别由“起始条件”和“终止条件”共同决定“起始条件”和“终止条件”分别对应于被测时间间隔的开始和结束,周期测量,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,23,1.时间间隔测量原理框图,S0通道选择开关；S1、S2极性选择开关,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,24,2.时间间隔测量相关波形,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,25,3.时间间隔测量的几种应用模式,由S0、S1、S2组合，可以得到四种常用测量模式相位差、延迟时间测量：S0断开，S1、S2同为“”或“”周期测量：S0闭合，S1、S2同为“”或“”正脉冲宽度测量：S0闭合，S1为“”，S2为“”负脉冲宽度测量：S0闭合，S1为“”，S2为“”,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,26,时间间隔测量的例子,信号延迟时间测量,VB,VC,起始,停止,门控,C+(50%),B+(50%),B+(50%),C-(50%),信号延迟时间测量,正脉冲宽度测量,负脉冲宽度测量,信号上升时间测量,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,27,五、通用电子计数器的结构与功能,1、电子计数器的分类按功能可分为四类：通用计数器：可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等，测量功能可扩展。频率计数器：功能限于测频和计数，测频范围一般很宽。时间计数器：以测量时间为基础，可测周期、脉冲参数等，测时分辨力和准确度很高。特种计数器：包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等，是具有特殊功能的计数器，主要用于工业测控领域。,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,28,1.电子计数器的分类（续）,按测量范围可分为：低速计数器（低于10MHz）中速计数器（10100MHz）高速计数器（高于100MHz）微波计数器（180GHz）按用途可分为：测量用计数器控制用计数器,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,29,2.电子计数器的主要技术指标,测量范围：mHzGHz准确度：可达10-9以上晶振频率及稳定度：输出频率为1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振稳定度为10-5，恒温晶振达10-710-9。输入特性：包括耦合方式（DC、AC）、触发电平（可调）、灵敏度（10100mV）、输入阻抗（50低阻、1M/25pF高阻）等。闸门时间(测频)：一般有1ms、10ms、100ms、1s、10s几档时标(测周)：一般有10ns、100ns、1ms、10ms几档显示位数及显示方式,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,30,举例某通用计数器的主要技术指标,功能：测频、测周、测时、计数、频率比、上升时间、下降时间、延迟时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度测频范围：25mHz1GHz测周范围：100ns40s测时范围：20ns40s时基频率：101MHz稳定度：110-8/d可选配(15)10-9/d高稳晶振,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,31,举例某通用计数器的主要技术指标（续）,灵敏度典型值：30mVrms动态范围：50mVrms1Vrms耦合方式：A、B通道AC/DC，C通道AC输入阻抗：1M/45pf或50触发电平：1.5V30mV步进可调10位VFD全功能显示体积和重量：32028094(mm)，2.8kg,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,32,3.通用电子计数器的电路结构,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,33,4.电子计数器的模块组成和作用,输入通道由放大/衰减、滤波、整形、触发（包括触发电平调节）等单元电路构成。用于对输入信号进行处理，以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号。一般包括A、B、C三个通道。时基产生电路包括频率源（可外接）、倍频/分频电路、选择电路构成，形成时标信号（测周用）和闸门时间信号（测频用）。时标信号：10ns、100ns、1us、10us、100us、1ms闸门时间信号：1ms、10ms、100ms、1s、10s,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,34,4.电子计数器的模块组成和作用（续）,主门电路具有计数脉冲输入、门控信号输入两个端子，通过“门控信号”控制通过该电路的计数脉冲的数目。计数与显示电路对通过主门的脉冲进行计数，计数值代表被测的频率或时间，由数码显示器直观地显示测量结果。为了便于观察和读数，常使用十进制计数电路。最高计数频率是计数电路的重要指标，由个位计数器决定。不同集成电路具有不同的工作速度：如74LS系列为3040MHz，74S系列为100MHz，CMOS电路约5MHz，ECL电路可达600MHz。,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,35,4.电子计数器的模块组成和作用（续）,计数与显示电路（续）计数器的构成中小规模计数器芯片，例如74LS90十进制计数器，74LS390、CD4018(MC14018)为双十进制计数器可编程计数器芯片，如：Intel8253/8254等微处理器的计数单元显示器的构成：LED、LCD、VFD（真空荧光显示器）等锁存、译码、驱动电路，如74LS47、CD4511等专用计数与显示单元电路，如ICM7216D,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,36,4.电子计数器的模块组成和作用（续）,工作流程控制单元由逻辑和时序电路构成，以产生各种控制信号，协调、控制各电路单元的工作，使整机按“测量显示复零”的工作程序自动完成测量任务。有些计数器还能实现自动量程控制。功能选择单元由多路选择开关和逻辑电路构成。用于从输入通道（A、B、C）、时标信号、闸门时间信号中选择不同的组合，以及不同的极性、量值，分别连接到主门电路的计数脉冲输入端、门控信号输入端，以实现不同的测量功能。,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,37,电子计数器的功能选择逻辑,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,38,电子计数器电路举例,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,10s(104),1s(103),100ms(102),10ms(10),1ms(1),时标选择,控制时序电路,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,39,5.电子计数器的使用,仔细阅读说明书，掌握其功能和特性正确使用晶振预热只有在恒定温度条件下工作，才能达到指标内的准确度和稳定度。一般需预热二十分钟以上。标准频率的选择标准频率的准确度比被测频率至少要高一个数量级如果内部晶振量级不够，可外接标准频率源选择合适的时标或闸门时间减小量化误差注意输入信号的幅值和畸变状况减小转换误差,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,40,六、标准频率源的测量,标准频率源主要是指各级频率标准、频率合成器和通用计数器中的高稳定石英振荡器。对标准频率源的要求：准确度、稳定度测量的方法：被测频率与更高标准的频率源比对检定频率准确度的定义：实际值fx与真值f0的相对偏差，即,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,41,频率稳定度,定义：在一定时间间隔内，频率源的频率准确度的变化实际上是频率不稳定度物理意义：表征频率源保持恒定频率的工作能力导致频率源不稳定的因素：系统性或确定性的变化元件老化、系统性漂移，温度、供电电压变化随机性或非确定性的变化噪声,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,42,频率稳定度的表征,长期稳定度是由器件老化而引起的振荡频率在其平均值上的缓慢变化。通常用一天内的频率平均漂移作为长期稳定度的表征，称为日老化率。可按下式计算：f0为标称频率，fmax、fmin为一天内的最大和最小测量值短期稳定度用随机过程描述（略）,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,43,频率稳定度的时域测量与标准频率比对,比对的前提条件作为基准的标准频率，其准确度和稳定度至少应比被测频率高一个量级（10倍）测量所用设备的测量准确度至少应比被测频率源高3倍比对测量采用的方法计数器直接测频存在1误差，准确度较低(P223例)差频周期测量法差频倍增测量法示波测量法,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,44,1.直接测频法（略）,2.差频周期测量法测量原理,利用鉴相器得到fx与fr的差频信号F=fx-fr，当fx与fr很接近时，F是一个低频信号。用测周方法测量该差频信号的周期T并换算为频率F，则fx=frF测量误差分析,被测频率,标准频率,周期计数器,鉴相器,fx,fr,F=fx-fr,微差法,2020/5/20,电子测量北京交通大学电气工程学院,45,2.差频周期测量法（续）,该方法实质上是一种微差法与计数器直接测频法相比，量化误差的影响大大降低，因而大大提高了测量准确度对计数器的精度要求降低，对其中的标准频率的准确度的要求可以适当放宽测