电子测量与仪器课件第七章频率和时间测量及仪器1

1、第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 1 第第7章章 频率和时间测量及仪器频率和时间测量及仪器7.1 概述概述时间时间:含意有二，时刻和时间间隔含意有二，时刻和时间间隔周期周期:在相等在相等时间间隔时间间隔内重复发生的现象称为周期现象，内重复发生的现象称为周期现象，该时间间隔称为周期。该时间间隔称为周期。频率频率:描述周期现象最重要的物理量，周期信号在单位时描述周期现象最重要的物理量，周期信号在单位时间内变化的次数间内变化的次数通常用电子计数器测量时间和频率。通常用电子计数器测量时间和频率。计数法在实质上属于比较法，比较法是利用已知的标准的计数法在实质上属于比较法，比较法是利用已

2、知的标准的参考频率同被测频率进行比较而测得被测信号的频率。参考频率同被测频率进行比较而测得被测信号的频率。第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 2 7.1.1 无源测频法无源测频法 (直读法）直读法）主要包括谐振法、电桥法和频率主要包括谐振法、电桥法和频率-变换电压法等方法。变换电压法等方法。 1. 谐振法谐振法 图图7.1所示为谐振法测频基本原理所示为谐振法测频基本原理图。被测信号经互感图。被测信号经互感M与与LC串联谐振串联谐振回路进行松耦合，改变可变电容器回路进行松耦合，改变可变电容器C，使回路发生串联谐振。谐振时回路电流使回路发生串联谐振。谐振时回路电流I达到最大。被测频

3、率达到最大。被测频率fx可用下式计算可用下式计算: （7-1）式中，式中，f0为谐振回路的谐振频率，为谐振回路的谐振频率，L、C分别为谐振回路谐振电分别为谐振回路谐振电感和谐振电容。感和谐振电容。 VLCMfx图图7.1 谐振法测频原理谐振法测频原理LCff210 x第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 32. 电桥法电桥法凡是平衡条件与频率有关的任何电桥都可用来测频，但凡是平衡条件与频率有关的任何电桥都可用来测频，但要求电桥的频率特性尽可能尖锐。测频电桥的种类很多，常要求电桥的频率特性尽可能尖锐。测频电桥的种类很多，常用的有文氏电桥、谐振电桥和双用的有文氏电桥、谐振电桥和双T电

4、桥电桥频率频率-电压变换法测频就是先把频率变换为电压或电流，电压变换法测频就是先把频率变换为电压或电流，然后以频率刻度的电压表或电流表来指示被测频率。图然后以频率刻度的电压表或电流表来指示被测频率。图7.2(a)为频率为频率-电压变换法测正弦波频率原理框图。首先把正弦信号电压变换法测正弦波频率原理框图。首先把正弦信号变换为频率与之相等的尖脉冲变换为频率与之相等的尖脉冲uA，然后加至单稳多谐振荡器，然后加至单稳多谐振荡器，产生频率为产生频率为fx、宽度为、宽度为、幅度为、幅度为Um的矩形脉冲列的矩形脉冲列uB(t)，如图，如图7.2(b)所示所示第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器

5、 4脉冲形成脉冲形成单稳多谐振荡器单稳多谐振荡器积分积分ux(fx)ABUoUoUmuBtttuxuATxTxTx(b)(a)图图7.2 频率频率-电压变换法测频原理图电压变换法测频原理图第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 5 可见，当可见，当Um、一定时，一定时，Uo指示就构成频率指示就构成频率电压变换电压变换型直读式频率计，电压表直接按频率刻度。该频率计最高频型直读式频率计，电压表直接按频率刻度。该频率计最高频率可达几兆赫。率可达几兆赫。 x0 xmBxo)(1TfUdttuTU第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 67.1.2 比较法比较法有源比较测频法主要

6、包括拍频法和差频法。有源比较测频法主要包括拍频法和差频法。1.拍频法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、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，其原理电路如图电压表）直接进行叠加来实现频率测量的，其原理电路如图7.3所示。所示。 V耳机耳机fsfx(a)示波器示波器(b)图图7.3 拍频法测频原理拍频法测频原理第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 7当两个音频信号逐渐靠近时，耳机中可以听到两个高低不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同的音调。当这两个频率靠近到差值不

7、到46Hz时，就只能听时，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，示波器化，再观察电压表，会发现指针在有规律地来回摆动，示波器上则可得到如图上则可得到如图7.3(b)所示的波形。拍频法通常只用于音频的测所示的波形。拍频法通常只用于音频的测量，而不宜用于高频测量。量，而不宜用于高频测量。第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 82.差频法差频法高频段测频常用差频法测量。差频法是利用非线性器件和高频段测频常用差频法测量。差频法是利用非线性器件和标准信号对被测信号进

8、行差频变换来实现频率测量的，其工作标准信号对被测信号进行差频变换来实现频率测量的，其工作原理如图原理如图7.4所示。所示。fx和和fs两个信号经混频器混频和滤波器滤波后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。似相等。 fxV混频混频滤波放大滤波放大fs图图7.4 差频法测频原理差频法测频原理耳机耳机第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 97.2 电子计数器概述电子计

9、数器概述7.2.1 分类分类按其测试功能的不同，电子计数器分为以下几类：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）通用电子计数器（2）频率计数器）频率计数器（3）计算计数器）计算计数器（4）特种计数器）特种计数器第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 107.2.2 基本组成基本组成：A输入通道输入通道闸门闸门十进制计数显示十进制计数显示门控电路门控电路逻辑控制电路逻辑控制电路B输入通道输入通道测频测频累加计数累加计数测时间测时间倍频器倍频器晶振晶振分频器分频器时标选择时标选择标准时间产生电路标准时间产生电路闸门时间选择闸门时间选择人工触发人工触发功能功能变

10、换变换图图7.5 通用电子计数器的组成框图通用电子计数器的组成框图第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 117.2.3 主要技术指标主要技术指标 1.测试功能测试功能 2.测量范围测量范围 3.输入特性输入特性（1）输入耦合方式：有）输入耦合方式：有AC和和DC两种方式两种方式（2）触发电平及其可调范围）触发电平及其可调范围（3）输入灵敏度）输入灵敏度（4）最高输入电压）最高输入电压（5）输入阻抗（输入阻抗包括输入电阻和输入电容）。）输入阻抗（输入阻抗包括输入电阻和输入电容）。4. 测量准确度测量准确度 第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 125.闸门时间和时标闸

11、门时间和时标闸门时间和时标由标准时间电路产生的信号决定。可以提闸门时间和时标由标准时间电路产生的信号决定。可以提供的闸门时间和时标信号有多种。供的闸门时间和时标信号有多种。6.显示及工作方式显示及工作方式（1）显示位数）显示位数（2）显示时间）显示时间（3）显示器件）显示器件（4）显示方式）显示方式7.输出输出输出是指仪器可输出的时标信号种类、输出数码输出是指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。的编码方式及输出电平。第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 137.3 通用电子计数器通用电子计数器7.3.1 测量频率测量频率周期性信号在单位时间内重复的次数称为频率

12、，即周期性信号在单位时间内重复的次数称为频率，即f=N/T式中，式中，T为时间，单位为为时间，单位为“s”；N为在时间为在时间T内周期性现象的重内周期性现象的重复次数。复次数。电子计数器测频原理框图如图电子计数器测频原理框图如图7.6所示。被测信号经过放所示。被测信号经过放大整形，形成重复频率为大整形，形成重复频率为mfx的计数脉冲，作为闸门的输入信的计数脉冲，作为闸门的输入信号。门控电路的输出信号称为门控信号，控制着闸门的启闭，号。门控电路的输出信号称为门控信号，控制着闸门的启闭，闸门开启时间等于分频器输出信号周期闸门开启时间等于分频器输出信号周期KfTs。只有当闸门开启。只有当闸门开启（图

13、中假设门控信号为高电平）时，计数脉冲才能通过闸门（图中假设门控信号为高电平）时，计数脉冲才能通过闸门进入十进制计数器去计数，设计数结果为进入十进制计数器去计数，设计数结果为N。则存在关系：。则存在关系：第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 14 N=KfTsfxsfxxTKfNNTsfxTKNffs=1/Ts放大整放大整形电路形电路闸门闸门十进制十进制计数器计数器门控电路门控电路分频器分频器晶振晶振fxKfTsKfTs显示器显示器TsTxKfTsTx图图7.6 通用电子计数器测频原理框图通用电子计数器测频原理框图第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 15如果被测信号

14、经过放大整形，再经过如果被测信号经过放大整形，再经过m次倍频，则满足：次倍频，则满足： N=mKfTsfx式中，式中，N为闸门开启期间十进制计数器计出的计数脉冲个数；为闸门开启期间十进制计数器计出的计数脉冲个数；fx为被测信号频率，其倒数为周期为被测信号频率，其倒数为周期Tx；Ts为晶振信号周期；为晶振信号周期；m为倍频次数；为倍频次数；Kf为分频次数，调节为分频次数，调节Kf的旋钮称为的旋钮称为“闸门时间选闸门时间选择择”（或（或“时基选择时基选择”）开关，与）开关，与Ts的乘积等于闸门时间。的乘积等于闸门时间。为了使为了使N值能够直接表示值能够直接表示fx，常取，常取mKfTs=1ms、1

15、0ms、0.1s、1s、10s等几种闸门时间。即当闸门时间为等几种闸门时间。即当闸门时间为110ns(n为为整数整数)，并且使闸门开启时间的改变与计数器显示屏上小数点，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。接读出测量结果。 sfxxTKmfNmTNsfxTmKNf第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 167.3.2 测量周期测量周期频率的倒数就是周期，电子计数器测量周期的原理与测频率的倒数就是周期，电子计数器测量周期的原理与测频原理相似，其原理框图如图频

16、原理相似，其原理框图如图7.7所示。所示。KfTx放大整放大整形电路形电路闸门闸门计数显示计数显示门控电路门控电路倍频器倍频器(m)晶振晶振TxTxfs=1/Ts分频器分频器(1/Kf)KfTx图图7.7 通用电子计数器测周原理框图通用电子计数器测周原理框图Ts/mKfTxTs/m第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 17门控电路由经放大整形、分频后的被测信号控制，计数门控电路由经放大整形、分频后的被测信号控制，计数脉冲是晶振信号经倍频后的时间标准信号（即时标信号）。脉冲是晶振信号经倍频后的时间标准信号（即时标信号）。存在关系：存在关系：N=mKfTx/Ts式中，式中，Tx与与K

17、f的乘积等于闸门时间；的乘积等于闸门时间；Kf为分频器分频次数，调为分频器分频次数，调节的节的Kf旋钮称为旋钮称为“周期倍乘选择周期倍乘选择”开关，通常选用开关，通常选用10n，如，如1、10、102、103等，该方法称为多周期测量法；等，该方法称为多周期测量法；Ts为晶振为晶振信号周期，信号周期，fs为晶振信号频率；为晶振信号频率；Ts/m通常选用通常选用1ms、1s、0.1s、10ns等，改变等，改变Ts/m大小的旋钮称为大小的旋钮称为“时标选择时标选择”开关开关。ssxf1mfNmTNTKfssfx1mKNTfmKNT第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 18由上述分析得知

18、，通用电子计数器无论是测频还由上述分析得知，通用电子计数器无论是测频还是测周，其测量方法是依据闸门时间等于计数脉冲周是测周，其测量方法是依据闸门时间等于计数脉冲周期与闸门开启时通过的计数脉冲个数之积，然后根据期与闸门开启时通过的计数脉冲个数之积，然后根据被测量的定义进行推导计算而得出被测量。同样道理，被测量的定义进行推导计算而得出被测量。同样道理，也可以据此来测量频率比、时间间隔、累加计数等。也可以据此来测量频率比、时间间隔、累加计数等。第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 197.3.3 测量频率比测量频率比频率比即两个信号的频率之比，电子计数器测量频率比频率比即两个信号的频率

19、之比，电子计数器测量频率比的原理框图如图的原理框图如图7.8所示。其测量原理与测量频率的原理所示。其测量原理与测量频率的原理相似。不过此时有两个输入信号加到电子计数器输入端，相似。不过此时有两个输入信号加到电子计数器输入端，如果如果fAfB，就将频率为，就将频率为fB的信号经的信号经B通道输入，去控制通道输入，去控制闸门的启闭，假设该信号未经分频器分频，则闸门开启闸门的启闭，假设该信号未经分频器分频，则闸门开启时间等于时间等于TB(=1/fB)；而把频率为；而把频率为fA的信号从的信号从A通道输入，通道输入，假设该信号未经过倍频，设十进制计数器计数值为假设该信号未经过倍频，设十进制计数器计数值

20、为N，则，则存在关系：存在关系： TB=NTA N=TB/TA=fA/fB 第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 20TB=1/fB放大整形放大整形电路电路B闸门闸门计数显示计数显示门控电路门控电路放大整形放大整形电路电路AfA=1/TATB图图7.8 通用电子计数器测量频率比原理框图通用电子计数器测量频率比原理框图 TATBTAfA（B通道）通道）（A通道）通道）fB第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 21为了提高测量准确度，可以采用类似多周期测量的方法，在为了提高测量准确度，可以采用类似多周期测量的方法，在B通道增加分频器，对通道增加分频器，对fB进行进行Kf

21、次分频，使闸门开启时间扩展次分频，使闸门开启时间扩展Kf倍。则有：倍。则有： KfTB=NTAfA/fB=TB/TA=N/Kf当对当对fA进行进行m次倍频，用次倍频，用mfA作为时标信号时，存在关系：作为时标信号时，存在关系：KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 227.3.4 累加计数累加计数累加计数是指在限定时间内，对输入信号重复次数累加计数是指在限定时间内，对输入信号重复次数（即放大整形后的计数脉冲个数）进行累加。其测量原理（即放大整形后的计数脉冲个数）进行累加。其测量原理与测量频率是相似的，不过此时门控电路改由人工控制。与测量

22、频率是相似的，不过此时门控电路改由人工控制。其电路原理框图如图其电路原理框图如图7.9所示，当开关所示，当开关S打在打在“启动启动”位置时，位置时，闸门开启，计数脉冲进入计数器计数，当开关闸门开启，计数脉冲进入计数器计数，当开关S打在打在“终止终止”位置时，闸门关闭，终止计数，累加计数结果由显示电路位置时，闸门关闭，终止计数，累加计数结果由显示电路显示。显示。 第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 23启动启动闸门闸门计数显计数显示示门控电路门控电路放大整形放大整形电路电路A图图7.9 通用电子计数器累加计数原理框图通用电子计数器累加计数原理框图TATA输入信号输入信号A终止终止

23、（A通道）通道）启动启动终止终止S第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 247.3.5 测量时间间隔测量时间间隔图图7.10所示为测量时间间隔的原理框图，其测量原理与所示为测量时间间隔的原理框图，其测量原理与测量周期原理相似，不过控制闸门启闭的是两个（或单个）输测量周期原理相似，不过控制闸门启闭的是两个（或单个）输入信号在不同点产生的触发脉冲。触发脉冲的产生由触发器的入信号在不同点产生的触发脉冲。触发脉冲的产生由触发器的触发电平与触发极性选择开关来决定触发电平与触发极性选择开关来决定当测量两个信号的时间间隔时，开关当测量两个信号的时间间隔时，开关S1处于处于“单独单独”位置，测量

24、位置，测量原理如图原理如图7.11所示。所示。A输入输入(设时间超前设时间超前)产生起始触发脉冲用于产生起始触发脉冲用于开启闸门，使十进制计数器开始对时标信号进行计数；开启闸门，使十进制计数器开始对时标信号进行计数；B输入输入（设时间滞后）则产生终止触发脉冲以关闭闸门，停止计数。（设时间滞后）则产生终止触发脉冲以关闭闸门，停止计数。假设起始脉冲和终止脉冲分别选择输入假设起始脉冲和终止脉冲分别选择输入A、B正极性（即开关正极性（即开关S2、S3置于置于“+”处）、处）、50%电平处产生，计数值为电平处产生，计数值为N，则时间间隔，则时间间隔TAB存在以下关系：存在以下关系： 第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 25+触发触发器器1闸门闸门计数显示计数显示门控电路门控电路倍频器倍频器(m)(m)TsTAB图图7.10 通用电子计数器测量时间间隔原理框图通用电子计数器测量时间间隔原理框图Ts/mTABTs/m晶振晶振TA起始触发器起始触发器终止触发器终止触发器触发触发器器2-+-单独公共TBS1S2S3触发极性第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 26当测量脉冲信号的时间间隔当测量脉冲信号的时间间隔如脉冲前沿如脉冲前沿tr、脉宽、脉宽等参数时，等参数时，将开关将开关S1置于置于“公共公共”位置，根据位置，根据被测量的定义，调节触