时间与频率测量技术

1、第第6章章 时间与频率测量技术时间与频率测量技术频段的划分及常用测频方法频段的划分及常用测频方法电子计数器的功能电子计数器的功能电子计数器的测量原理电子计数器的测量原理电子计数器的测量误差电子计数器的测量误差电子计数器的应用电子计数器的应用 国际上规定30khz以下为甚低频、超低频段，30khz以上每10倍频程依次划分为低、中、高、甚高、特高、超高等频段。 音频:20hz20khz 视频:20hz10mhz 射频:30khz几十ghz 在电子测量技术中，常以30khz为界，其以下称为低频测量，其以上称为高频测量；还有一种划分方法是：以100khz（或1mhz）为界，其以下称为低频测量，其以上称

2、为高频测量。一般，正弦波信号发生器是以后一种划分的。6.1 频段的划分及常用测频方法频段的划分及常用测频方法 无源测频法 ：利用电路的频率响应特性来测量频率的方法。 无源测频法又分为谐振法和电桥法两种。 谐振法用lc谐振回路，调节电容使其谐振频率与被测信号频率相同时，回路电流最大，通过电表指示其频率值。这种方法多用于高频频段的测量。 电桥法因调节不便，误差较大，已少使用。测量频率方法 有源比较测频法 ：将被测频率与一个标准有源信号相比较的测量方法。 常用的有源比较测频法有拍频法、差频法和示波器测量法。 示波器法有两种测频方法，李萨育图形法和测周期法。前者当频率比较高时，示波器显示的波形难以稳定

3、，所以该方法适用于低频测量。由于调节不便，已很少使用。用宽频带示波器通过测量周期的方法获得被测信号的频率值，虽然误差较大，但对于要求不太高的场合是比较方便的。 计数法 ：利用电子计数器测量频率的方法。 实质上，这种方法仍然属于有源比较测频法，计数法中最常用、最广泛使用的测频方法是电子计数器测频法。 电子计数器测频法是利用电子计数器显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量，这是目前最好的测频方法，本章重点介绍电子计数器测量频率和周期的方法。6.2 电子计数器的功能电子计数器的功能 作用是接受被测信号，并对它进行放大和整形，然后送入主门(闸门)。整形常由施密特电路完成。a通道用于传输被

4、计数的信号，b、c通道传输闸门信号。产生各种控制信号，用于控制电子计数器各单元电路的工作。控制电路由若干门电路和触发器组成的时序逻辑电路构成。 标准时间信号由石英振荡器提供，作为电子计数器的内部时间基准。 电子计数器的基本组成 测试性能测试性能：仪器所具备的测试功能，如测量频率、周期等。 测量范围测量范围：仪器在不同功能下的有效测量范围。对于不同的功能，其含义是不同的。如测频时，被测信号的频率范围，一般用频率的上、下限值表示；而在测周时，测量范围常用周期的最大、最小值表示。 输入特性输入特性：电子计数器一般有23个输入通道，测试不同参数时，被测信号要经不同的通道输入仪器。输入特性表明电子计数器

5、与被测信号源相连的一组特性参数，需分别指出各个通道的特性。 电子计数器的主要技术指标电子计数器的主要技术指标 输入耦合方式输入耦合方式：有ac和dc两种方式，在低频和脉冲信号计数时宜采用dc耦合方式。 输入灵敏度输入灵敏度：指在仪器正常工作时输入的最小电压，如通用电子计数器，a输入通道的灵敏度一般为10100mv。 最高输入电压最高输入电压：指仪器所能允许输入的最大电压。超过最高输入电压后仪器不能正常工作，甚至会损坏。 输入阻抗输入阻抗：包括输入电阻和输入电容。a输入通道分为高阻(1m25pf)和低阻(50)两种。 输入特性 闸门时间和时标闸门时间和时标：由机内时标信号源所能提供的时间标准信号

6、决定。根据测频和测周的范围不同，可提供的闸门时间和时标信号有多种。 显示及工作方式显示及工作方式 显示位数 可显示的数字位数。 显示时间 两次测量之间显示结果的时间，一般是可调的。 显示器件 标明所用显示器的类型。 显示方式 有记忆和非记忆两种显示方式。记忆显示方式只显示最终计数的结果，不显示正在计数的过程；非记忆显示方式，能对计数过程的值逐个显示出来。 输出输出：仪器可输出的时标信号种类、输出数码的编码方式及输出电平。时基信号产生与变换单元时基信号产生与变换单元晶体振荡器产生 1 mhz的时间基准信号，经分频、倍频，形成从10 mhz到0.1 hz以10为系列递降的一系列不同频率的机内标准时

7、间信号。时基电路示意图时基电路示意图6.3 电子计数器的测量原理电子计数器的测量原理电子计数器测量原理图示 频率：周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数，即 t单位时间； n周期性现象的重复次数。6.3.1 测量频率测量频率tnf 电子计数器测频原理电子计数器测频原理 被测信号经放大、整形后，形成重复频率等于被测信号频率 fx 的计数脉冲，把它加至闸门的一个输入端。门控电路将时基信号变换为控制闸门的开启的门控信号。只有在闸门开通时间ts内，被计数的脉冲才能通过闸门，并由十进制电子计数器对计数脉冲计数，设计数值为n，则 。即被测信号的频率为 ts是门控时间（闸门时间），门控信号由晶振分频而来；

8、 kf是分频器的分频系数； fc为晶振的频率。xsttn/cfstkntnfx 电子计数器的测频原理实质是：电子计数器的测频原理实质是： 以比较法为基础，将被测信号的频率以比较法为基础，将被测信号的频率fx和已知的时基信号频率和已知的时基信号频率fs相比，将相相比，将相比的结果以数字的形式显示出来。比的结果以数字的形式显示出来。例如例如：闸门时间闸门时间ts=1s，若计数值，若计数值n=10000，则显，则显示的示的fx为为“10000”hz，或，或“10.000”khz。如闸。如闸门时间门时间ts=0.1s，则计数值，则计数值n=1000，则显示的，则显示的fx为为 “10.00”khz。请

9、注意请注意：显示结果的有效数字末位的意义，它显示结果的有效数字末位的意义，它表表示了频率测量的分辨力示了频率测量的分辨力。2测频方法的误差分析测频方法的误差分析 量化误差的相对值为量化误差的相对值为 提高被测信号的频率，或增大主门开启时间，都提高被测信号的频率，或增大主门开启时间，都可降低量化误差的影响。可降低量化误差的影响。 例例6.1 被测信号的频率被测信号的频率fx1=10khz，fx2=100khz，闸门时间分别设定为闸门时间分别设定为0.1s，1s，10s，试分别计算量化误试分别计算量化误差。差。 练习：设练习：设fx=20mhz，选闸门时间，选闸门时间ts=0.1s，则由于则由于1

10、误差而产生的测频误差为？若误差而产生的测频误差为？若ts增加为增加为1s，则测频误差为？，则测频误差为？（3）测频公式误差）测频公式误差 测频的公式误差为测频的公式误差为 由于的符号可正可负，若按最坏情况考虑，可得由于的符号可正可负，若按最坏情况考虑，可得电子计数器测量频率的最大相对误差计算公式为电子计数器测量频率的最大相对误差计算公式为 通常，要求标准频率的准确度比量化误差的影响小一个通常，要求标准频率的准确度比量化误差的影响小一个数量级。因此，晶振频率准确度的影响可以忽略掉。数量级。因此，晶振频率准确度的影响可以忽略掉。（4）测频计数误差）测频计数误差 计数误差是指在测量频率时，由于被计数

11、误差是指在测量频率时，由于被测信号中的干扰噪声影响，使输入信测信号中的干扰噪声影响，使输入信号经触发器整形后，形成的计数脉冲号经触发器整形后，形成的计数脉冲发生了错误而产生的误差。发生了错误而产生的误差。 如图如图6.5（a）、（）、（b）所示。所示。（5）结论）结论 电子计数器测量频率时要提高频率测量的准确度电子计数器测量频率时要提高频率测量的准确度（减少测量误差）可采取如下措施：（减少测量误差）可采取如下措施： 选择准确度和稳定度高的晶振作为时标信号发选择准确度和稳定度高的晶振作为时标信号发生器，以减小闸门时间误差。生器，以减小闸门时间误差。 加大分频器的分频系数加大分频器的分频系数k，扩

12、大主门的开启时，扩大主门的开启时间，以减小量化误差的影响。间，以减小量化误差的影响。 当被测信号频率较低时，用测频方法测得的频当被测信号频率较低时，用测频方法测得的频率误差较大，应选用其它方法进行测量。率误差较大，应选用其它方法进行测量。 对随机的计数误差，可提高信噪比或调小通道对随机的计数误差，可提高信噪比或调小通道增益来减小误差程度。增益来减小误差程度。6.3.3 电子计数器的测周功能电子计数器的测周功能测量周期的原理方框图 当fx较低时，利用计数器直接测频，误差将会大到不可允许的程度。所以，为了提高测量低频时的准确度，可改成先测量周期，然后计算fx =1/tx。 被测信号经b输入通道整形

13、，使其转换成相应的矩形波，加到门控电路，控制主门的开闭，主门导通的时间就正好等于被测信号的周期。晶振经分频后产生的时标脉冲同时送至主门的另一输入端，在主门开启的时间内对输入的时标脉冲计数，若计数值为n，测被测信号周期tx（txts）为 ts是时标脉冲的周期，它由晶振分频而得到。sxntt 例如：时标t0=1us，若计数值n=10000，则显示的tx为“10000”us，或“10.000”ms。如时标t0=10us，则计数值n=1000，显示的tx为 “10.00”ms。请注意：显示结果的有效数字末位的意义，它表示了周期测量的分辨力。为便于显示，多档时标设定为10的幂次方。2测周方法的误差分析测

14、周方法的误差分析（1）公式误差）公式误差 测量周期的相对误差为测量周期的相对误差为 其中：其中： 按最坏结果考虑，周期测量总的系统误差按最坏结果考虑，周期测量总的系统误差应是两种误差之和。应是两种误差之和。xxcstt fntk1n1xcnknnt f ccccssfffkfkttctxccfkt ff（2）触发误差）触发误差 触发误差是指在测量周期时，由于输入信触发误差是指在测量周期时，由于输入信号中的干扰噪声影响，使输入信号经触发器号中的干扰噪声影响，使输入信号经触发器整形后，所形成的门控脉冲时间间隔与信号整形后，所形成的门控脉冲时间间隔与信号的周期产生了差异而产生的误差。的周期产生了差异

15、而产生的误差。 可以证明触发误差可按下式近似表示：可以证明触发误差可按下式近似表示： 式中式中 k分频系数；分频系数； 干扰信号引起的主门开启时间干扰信号引起的主门开启时间误差；误差； 信噪比，其中信噪比，其中 触发误差与被测信号的信噪比有关，信噪触发误差与被测信号的信噪比有关，信噪比越高，触发误差越小，测量越准确。比越高，触发误差越小，测量越准确。mkvvkttmnxn2121xnttmnmvvm （3）结论）结论 电子计数器测量周期的总误差可修正为下式电子计数器测量周期的总误差可修正为下式 很明显当很明显当tx越大（即被测频率越低），越大（即被测频率越低），1误差对测周精确度影响越小。也就

16、是说，当误差对测周精确度影响越小。也就是说，当被测信号的频率较低时，采用测量周期法可被测信号的频率较低时，采用测量周期法可提高测量的精度。提高测量的精度。 通用电子计数器还可测量两个被测信号频率的比值。测量时，两个被比较的信号（设fafb）分别加至 a、b输入通道。频率较低的信号fb加至b输入通道，经放大、整形后用作门控电路的触发信号，频率较高的fa加至a输入通道，经整形后变成重复频率与fa相等的计数脉冲。主门的开通时间为tb=1/fb， 在该时间内对频率为fa的信号进行计数，可得6.3.4 电子计数器的其他功能电子计数器的其他功能baabffttn频率比测量 为了提高测量准确度，还可将频率较

17、低的信号的周期扩大，即将信号经分频器后再加至门控电路。当主门的开启时间增大后，计数值随之增大，但由于显示器可进行小数点自动移位，显示的比值n不变。频率比的方框图 累加计数 累加计数是指在限定的时间内，对输入的计数脉冲进行累加。测量原理和测量频率是相同的，不过这时门控电路改为人工控制。待计数脉冲经a通道输入，这时计数值就是累加计数。 累加计数测量原理图 时时 间间 间间 隔隔 相位差相位差的测量通常是指两个同频率的信号之间的相位差的的测量通常是指两个同频率的信号之间的相位差的测量。相位差的测量，是时间间隔测量的一个应用例子。测量。相位差的测量，是时间间隔测量的一个应用例子。图图6.10所示的相位

18、差测量，所示的相位差测量，相位差 u1与与u2 的相位差为的相位差为:式中式中 n计数器的计数值；计数器的计数值； 被测信号的周期；被测信号的周期； 标准晶振分频后形成的时标的周标准晶振分频后形成的时标的周期。期。0001360360360sxxsxfnftntttxtst 在使用电子计数器测量前，应对电子在使用电子计数器测量前，应对电子计数器进行自校检验，一是检验电子计数器进行自校检验，一是检验电子计数器的逻辑关系是否正常；二是检计数器的逻辑关系是否正常；二是检验电子计数器能否准确地进行定量测验电子计数器能否准确地进行定量测试。试。 自校检验的框图如图自校检验的框图如图6.11所示。所示。自

19、 校 对于同一被测频率，直接利用电子计数器测频功能和测周功能分别测量时，都存在量化误差，而且，当频率较高时宜用测频功能，当频率较低是宜用测周功能。显然，存在着某一个频率，它使测频和测周的误差相等，这个频率就是中界频率，记为fz。在不考虑触发误差的条件下，则有 若将测频时的闸门时间扩大n倍，测周时的被测周期扩大m倍，则6.5.4 中界频率的确定中界频率的确定1sxxckt ft f czsffkt1sxxcknt fmt f czsmffnkt 被测信号频率大于中界频率，采用被测信号频率大于中界频率，采用测频法测频法。 被测信号频率小于中界频率，采用被测信号频率小于中界频率，采用测周法测周法。

20、例例6.2 用电子计数器测量用电子计数器测量fx=5khz信号信号的频率，分别采用测频（闸门时间为的频率，分别采用测频（闸门时间为1s）和测周（晶体振荡频率）和测周（晶体振荡频率fc=10mhz）两种测量方法。试比较这两种方法由两种测量方法。试比较这两种方法由于量化误差引起的相对误差，并求出于量化误差引起的相对误差，并求出中界频率。中界频率。阶段类型应用20世纪30年代初期粒子计数器测量微观粒子数目、脉冲数20世纪50年代以来电子计数器测量频率、周期、时间间隔、电压、电流、电阻、相位近年来智能计数器计算计数器应用于工业生产自动化、自动控制和自动测量等6.5 电子计数器的应用电子计数器的应用6.

21、5.1 提高测频性能的方法提高测频性能的方法多周期同步测量法多周期同步测量法 取样门控时间是由计算机控制产生，在其控制下，同时打开主门a和主门b，使计数器a、b工作。实际计数的时间由同步门控决定，它是被测信号周期的整数倍。计数器a计得被测信号周期na，计数器b计得时标信号周期个数nb，经计算机运算，得到被测频率在采样时间内的平均值，在显示器上显示sbaxtnnf e434bi是一种采用大规模集成电路的电子计数式测量仪器，能在预定的标准时间内，累计待测输入信号来进行频率测量，灵敏度高能够检测微弱信号，有九位高亮度led记忆显示，读数方便、清晰，小数点自动定位。 6.5.2 e434bi 型频率计

22、数器简介型频率计数器简介 e434bi型频率计数器原理方框图 主机测量单元直接计数频率为10mhz，输入信号频率大于10mhz时，机内的自动量程转换电路将被测信号经预定标分频器除10后送入主机测量，此时主机采取了右移小数点的方法，以保证读数与实际频率一致。 输入通道对输入信号进行放大整形，输出ecl电平直接与预定标分频器配接。 输入频率范围1hz100mhz。 主机测量单元由计数器、寄存器、时基电路、逻辑控制等组成。显示译码驱动电路直接驱动led显示数码管，以扫描方式显示测量结果。 由小型温补晶振器产生10mhz标准信号。工作原理 测频范围 1hz100mhz。 输入方式 ac。 波形方式 正

23、弦波、脉冲波。 测量单位 khz。 灵敏度 30mv（urms=10mv）。 衰减范围 1、20。 闸门时间0.1s、1s、10s。 晶体振荡器的标准频率10mhz。技术指标 开启电源 按键开关掀下为机内直流电接通，仪器即可正常工作。 选择闸门时间 0.1s：瞬时频率；1s：1s内平均频率；10s：10s内平均频率。 滤波器选择键：当被测频率 100mhz时，被测信号功率大、噪声大，可将此键按下；释放时为正常测试。 衰减选择键 1：不衰减;20：被测信号衰减 20倍。 led数码显示 九位led数码管显示测试结果，小数点自动定位，显示单位为khz。使用方法 6.6 其他测量时间和频率的方法其他

24、测量时间和频率的方法6.6.1谐振法测频谐振法测频1谐振法测频的基本原理谐振法测频的基本原理 谐振法测频以谐振法测频以lc调谐电路的谐振为基础，即利用电感、调谐电路的谐振为基础，即利用电感、电容的串联谐振回路或并联谐振回路的谐振特性来实电容的串联谐振回路或并联谐振回路的谐振特性来实现测频的，如图现测频的，如图6.13所示。所示。2谐振点的判断谐振点的判断 谐振电路的曲线如图谐振电路的曲线如图6.14所所示。示。式中式中 被测信号的频率；被测信号的频率； 谐振时测量回路的谐谐振时测量回路的谐振频率；振频率； 谐振点附近的频率。谐振点附近的频率。 221ffffoxxf0f21, ff3谐振法测频

25、的误差分析谐振法测频的误差分析 谐振法测量频率误差的来源主要有以下几种。谐振法测量频率误差的来源主要有以下几种。（1）实际中电感、电容的损耗越大，品质因数）实际中电感、电容的损耗越大，品质因数越低，谐振曲线越平滑，越不容易找出真正越低，谐振曲线越平滑，越不容易找出真正的谐振点。如图的谐振点。如图6.14虚线所示。虚线所示。（2）面板上的频率刻度是在规定的标定条件下）面板上的频率刻度是在规定的标定条件下刻度的。当环境温度、湿度等因数变化时，刻度的。当环境温度、湿度等因数变化时，将使电感、电容的实际值发生变化，从而使将使电感、电容的实际值发生变化，从而使回路的固有频率变化。回路的固有频率变化。（3

26、）由于频率刻度不能分得无限细，人眼读数）由于频率刻度不能分得无限细，人眼读数常常有一定误差。常常有一定误差。6.6.2电桥法测频电桥法测频 电桥法测频是利用交流电桥平衡条件与加在该电桥电桥法测频是利用交流电桥平衡条件与加在该电桥中的交流工作信号频率有关的特性来进行的。文氏中的交流工作信号频率有关的特性来进行的。文氏电桥测频的原理。如图电桥测频的原理。如图6.15所示。所示。12xfrc6.6.3比较法测频基本原理基本原理 利用利用标准频率标准频率fs和被测量频率和被测量频率fx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、示波法以及计数法等。等。

27、数学模型为：数学模型为： fx=nfs拍频法：将标准频率与被测频率叠加，由指示拍频法：将标准频率与被测频率叠加，由指示器（耳机或电压表）指示。适于器（耳机或电压表）指示。适于音频测量音频测量（很少（很少用）。用）。 差频法：将标准频率与被测频率混频，取出差差频法：将标准频率与被测频率混频，取出差频并测量。可测量范围达频并测量。可测量范围达几十几十mhz（外差式频率（外差式频率计）。计）。 在电子技术领域内频率和周期是周期性信号最基本的参数，频率测量的准确度也最高。按信号不同频率值可进行不同频段的划分。 常用的测频方法有：无源测频法，有源测频法和计数测频法。但最常用的是计数法。 电子计数器主要技术指标有：测试性能、测量范围、输入特性、输入灵敏度、闸门时间和时标等。本章小结本章小结 电子计数器具有多种测量功能：测频、测周和测频比等等。 电子计数器的测量误差有：量化误差、触发误差和标准频率误差。减小它们的方法分别是增大计数值、提高信噪比和选用高稳定度的标准频率。使测频和测量误差相等的那个频率叫中界频率。 应用电子计数器测量时，选用合适