第6章频率时间测量

1、第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.1 频率与时间测量的特点与方法频率与时间测量的特点与方法6.2 通用电子计数器通用电子计数器6.3 等精度时间等精度时间/频率测量频率测量6.4 EE3376型可程控通用计数器简介型可程控通用计数器简介思考题思考题6 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.1 频率与时间测量的特点与方法频率与时间测量的特点与方法一、频率与时间测量的特点一、频率与时间测量的特点频率频率：周期性信号在单位时间内的变化次数。：周期性信号在单位时间内的变化次数。周期周期：出现相同现象的最小时间间隔。：出现相同现象的最小时间间

2、隔。频率与时间测量的特点：频率与时间测量的特点：（1） 时频测量具有动态性质。时频测量具有动态性质。（2） 测量精度高。测量精度高。（3） 测量范围广。测量范围广。（4） 频率信息的传输和处理比较容易。频率信息的传输和处理比较容易。 石英晶体：精度石英晶体：精度1010原子频标：精度原子频标：精度1013第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 二、二、 频率测量的方法频率测量的方法 （1）谐振法谐振法：利用：利用LC回路的谐振特性进行测频，回路的谐振特性进行测频， 测频测频范围为范围为0.51500 MHz。 （2）外差法外差法：改变标准信号频率，使它与被测信号混：改变标准信号频率，使它与被

3、测信号混合，取其差频，当差频为零时读取频率。这种测频方法测量合，取其差频，当差频为零时读取频率。这种测频方法测量范围高达范围高达3000 MHz，测频精确度为，测频精确度为10-6左右。左右。 （3）示波法示波法：在示波器上根据李沙育图形或信号波形：在示波器上根据李沙育图形或信号波形的周期个数进行测频。这种方法的测量频率范围从音频到高的周期个数进行测频。这种方法的测量频率范围从音频到高频信号皆可。频信号皆可。 （4）电子计数器法电子计数器法：直接对单位时间内被测信号的脉：直接对单位时间内被测信号的脉冲进行计数，然后以数字形式显示频率值。这种方法测量精冲进行计数，然后以数字形式显示频率值。这种方

4、法测量精确度高、快速，适合不同频率、不同精确度测频的需要。确度高、快速，适合不同频率、不同精确度测频的需要。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 三、电子计数器测频法原理三、电子计数器测频法原理 电子计数器基本工作原理如图所示：电子计数器基本工作原理如图所示： 当闸门信号的上升沿到来时主门打开，计数器对输入当闸门信号的上升沿到来时主门打开，计数器对输入待测脉冲进行累加计数，在闸门信号的下降沿主门关闭，待测脉冲进行累加计数，在闸门信号的下降沿主门关闭，计数器停止计数，计数结果计数器停止计数，计数结果N 为为主门主门计数显计数显示电路示电路21TATB 主门是进行频率测主门是进行频率测量的主要

5、电路，量的主要电路，“1”端端输入待测脉冲，周期为输入待测脉冲，周期为TA，“2”端闸门信号，端闸门信号，周期为周期为TB。 如果如果TB宽度为单位时间宽度为单位时间1s，则将，则将N 以数字形式显示出以数字形式显示出来即为待测脉冲信号的频率。来即为待测脉冲信号的频率。BAABTfTTN 即即BATNf 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图图6.11 通用电子计数器的基本组成框图通用电子计数器的基本组成框图A通 道控 制 电 路B通 道主 门倍 频 器计 数 器显 示 器晶 振时 标 选 择分 频 器闸 门 选 择分 频 器电 源S3514126一、通用电子计数器的基本组成一、通用电子

6、计数器的基本组成通用电子计数器一般由六大部分组成，如图通用电子计数器一般由六大部分组成，如图6.11所示。所示。6.2 通用电子计数器通用电子计数器输入电路输入电路时间基准电路时间基准电路第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 1. 输入通道输入通道 通用计数器的输入电路一般包含通用计数器的输入电路一般包含A、B、C三个输入通道三个输入通道（图（图6.11中只画出中只画出A、B两个通道，因此在测量时间间隔时需两个通道，因此在测量时间间隔时需配时间间隔测量插件配时间间隔测量插件通道通道C），其中），其中A为主通道，频带较为主通道，频带较宽；宽； B、C主要在测量周期、频率比以及时间间隔时使用，

7、称主要在测量周期、频率比以及时间间隔时使用，称为辅助通道。三个输入通道都由放大器、衰减器及整形电路为辅助通道。三个输入通道都由放大器、衰减器及整形电路等组成。等组成。2. 计数器计数器 计数器对来自主门的脉冲信号进行计数，最常用的是按计数器对来自主门的脉冲信号进行计数，最常用的是按8421码进行编码的十进制计数器。计数器的最高工作频率决码进行编码的十进制计数器。计数器的最高工作频率决定了仪器的最高测量频率。定了仪器的最高测量频率。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 3. 显示电路显示电路 显示部分将计数结果以十进制数字的形式显示出来，显示部分将计数结果以十进制数字的形式显示出来，它包括译

8、码和显示电路，目前常用的显示电路有它包括译码和显示电路，目前常用的显示电路有LED显示显示器和器和LCD显示器。显示器。4. 时间基准电路时间基准电路 时间基准电路包括晶体振荡器、分频器、倍频器以及时间基准电路包括晶体振荡器、分频器、倍频器以及时基选择电路。标准时间信号由石英晶体振荡器提供，作时基选择电路。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；测周时，标准时间信号经为电子计数器的内部时间基准；测周时，标准时间信号经放大整形和倍频，用作计数脉冲，称为时标信号；测频时，放大整形和倍频，用作计数脉冲，称为时标信号；测频时，标准时间信号经放大整形和分频，用作控制门控电路的时标

9、准时间信号经放大整形和分频，用作控制门控电路的时基信号。基信号。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 5. 主门及控制部分主门及控制部分 控制电路一般由双稳电路、单稳电路等构成，它包括门控制电路一般由双稳电路、单稳电路等构成，它包括门控电路，工作方式选择电路，记忆、显示时间和复原控制电控电路，工作方式选择电路，记忆、显示时间和复原控制电路等。路等。 控制电路的作用是产生各种指令信号，控制和协调各单控制电路的作用是产生各种指令信号，控制和协调各单元电路的工作，使整机按元电路的工作，使整机按“复零复零测量测量显示显示”的工作程序的工作程序完成测量任务。完成测量任务。6. 电源电源 这部分电路包

10、括整机电源电路、晶体振荡器和恒温槽电这部分电路包括整机电源电路、晶体振荡器和恒温槽电源电路。源电路。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 二、通用电子计数器的主要技术性能二、通用电子计数器的主要技术性能 （1）测试性能测试性能：仪器所具备的测试功能，如测量频率、：仪器所具备的测试功能，如测量频率、周期、频率比等。周期、频率比等。 （2）测量范围测量范围：仪器的有效测量范围。在测频和测周期：仪器的有效测量范围。在测频和测周期时，测量范围不同。测频时要指明频率的上限和下限；时，测量范围不同。测频时要指明频率的上限和下限； 测周测周期时要指明周期的最大值和最小值。期时要指明周期的最大值和最小值。

11、 （3）输入特性输入特性：通用电子计数器一般由：通用电子计数器一般由23个输入通道个输入通道组成，需分别指出各个通道的特性，包括：组成，需分别指出各个通道的特性，包括： 输入耦合方式输入耦合方式：有：有AC和和DC两种耦合方式。在低频和脉两种耦合方式。在低频和脉冲信号计数时宜采用冲信号计数时宜采用DC耦合方式。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，：指在仪器正常工作时输入的最小电压，A通道输入灵敏度一般为通道输入灵敏度一般为10100mV。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 最高输入电压最高输入电压：即仪器允许输入的最大电压，超过这一：即仪器允许输入的最大电

12、压，超过这一电压仪器不能正常工作，甚至会损坏。电压仪器不能正常工作，甚至会损坏。 输入阻抗输入阻抗：包括输入电阻和输入电容，通常分为高阻：包括输入电阻和输入电容，通常分为高阻（1M /25pF）和低阻（）和低阻（50 ）两种。测量高频信号（高于）两种。测量高频信号（高于5 0 M H z ） 时 用） 时 用 5 0 输 入 阻 抗 ，输 入 阻 抗 ， 测 量 低 频 信 号 时 用测 量 低 频 信 号 时 用（1M /25pF）输入阻抗。输入阻抗。 （4）测量准确度测量准确度：常用测量误差来表示，主要由：常用测量误差来表示，主要由时基误时基误差差和和计数误差计数误差决定。时基误差由内部晶

13、体振荡器的稳定度确决定。时基误差由内部晶体振荡器的稳定度确定，计数误差包括量化误差和触发误差。定，计数误差包括量化误差和触发误差。 （5）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由机内时标信号源所能提供的时间标准信号决定。根据测频和测周期的范围不同，可提供时间标准信号决定。根据测频和测周期的范围不同，可提供的闸门时间和时标信号有多种供选择，如通常的的闸门时间和时标信号有多种供选择，如通常的0.01s、0.1s、1s、10s等。等。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 （6）显示及工作方式显示及工作方式：包括显示位数、显示时间、显示：包括显示位数、显示时间、显示方式等。方式

14、等。 显示方式显示方式：有：有记忆记忆和和不记忆不记忆两种显示方式。两种显示方式。记忆显示方记忆显示方式式只显示计数结果，不显示计数的过程；只显示计数结果，不显示计数的过程；不记忆显示方式不记忆显示方式显显示计数过程。示计数过程。 （7）输出输出：包括仪器可输出的时标信号种类、输出数：包括仪器可输出的时标信号种类、输出数据的编码方式及输出电平等。据的编码方式及输出电平等。显示位数显示位数：可显示的数字位数，如常见的：可显示的数字位数，如常见的8位。位。显示时间显示时间：两次测量之间显示结果的时间。：两次测量之间显示结果的时间。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 三、通用电子计数器的测量功

15、能三、通用电子计数器的测量功能1. 频率测量频率测量 通用电子计数器主要有通用电子计数器主要有频率测量频率测量、周期测量周期测量、时间间时间间隔测量隔测量、相位测量相位测量、频率比测量频率比测量、累加计数累加计数和和自校自校等功能。等功能。 频率的测量实际上就是频率的测量实际上就是在单位时间内对被测信号的变在单位时间内对被测信号的变化次数进行累加计数化次数进行累加计数。其原理框图如图。其原理框图如图6.2所示。所示。 被测信号由被测信号由A通道输入，经放大整形变成符合要求的脉通道输入，经放大整形变成符合要求的脉冲信号，然后送入主门的输入端冲信号，然后送入主门的输入端“1”。主门的开关由门控。主

16、门的开关由门控双稳电路控制，主门打开时，脉冲信号通过主门进入计数双稳电路控制，主门打开时，脉冲信号通过主门进入计数显示电路进行计数和显示。显示电路进行计数和显示。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 A通道主门计数显示门控双稳时基选择分频器晶振T2fx1图图6.2 频率测量的原理框图频率测量的原理框图TNfx 设开门时间为设开门时间为T，在时间，在时间T 内，从主门通过的脉冲个数内，从主门通过的脉冲个数为为N，则被测信号的频率，则被测信号的频率fx为为第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 如果选择闸门时间如果选择闸门时间T1s，则计数结果，则计数结果N 即为被测信号频即为被测信号频率率

17、；在实际测量中，我们可以选择；在实际测量中，我们可以选择10s 、1s 、0.1s 、10ms等等不同的闸门时间，为保证测量结果的正确，显示电路根据所不同的闸门时间，为保证测量结果的正确，显示电路根据所选闸门时间移动小数点位置。选闸门时间移动小数点位置。 用用E312A型计数器测一频率型计数器测一频率fx=100 000 Hz的信号，选择的信号，选择不同的闸门时间时，显示电路所显示的有效数字位数不同，不同的闸门时间时，显示电路所显示的有效数字位数不同，但测量结果相同。见下表。但测量结果相同。见下表。 为保证测量精度，不同频率的被测信号要选择不同的闸为保证测量精度，不同频率的被测信号要选择不同的

18、闸门时间，对于低频信号选择闸门时间要长一些，反之闸门时门时间，对于低频信号选择闸门时间要长一些，反之闸门时间要短一些。间要短一些。100.0000KHz100.000KHz100.00KHz100.0KHz1 000 000Hz10s1s0.1s10ms输入信号输入信号闸门时间闸门时间第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 2. 周期测量周期测量 周期是频率的倒数，其测量原理框图如图周期是频率的倒数，其测量原理框图如图6.3所示。所示。倍 频 器时 标 选 择晶 振分 频 器主 门门 控 双 稳计 数 显 示闸 门 选 择分 频 器B通 道1ToTxTx2图图6.3 周期测量的原理框图周期测

19、量的原理框图第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 nOxNTT10 测量周期时，时标信号作为计数脉冲由主门的测量周期时，时标信号作为计数脉冲由主门的“1”端输端输入，被测信号由入，被测信号由B通道输入，经放大整形转换成脉冲信号，再通道输入，经放大整形转换成脉冲信号，再由脉冲信号去触发门控双稳形成闸门信号加到主门的由脉冲信号去触发门控双稳形成闸门信号加到主门的 “2”端。端。 设被测信号的周期为设被测信号的周期为Tx，时标信号的周期为，时标信号的周期为To，在时间，在时间Tx内，有内，有N个时标脉冲通过主门，则被测信号的周期为个时标脉冲通过主门，则被测信号的周期为Tx =N To 在实际测量

20、中，若被测信号周期较短，为减少测量误差，在实际测量中，若被测信号周期较短，为减少测量误差，常采用多周期测量。测量方法是将被测信号扩大常采用多周期测量。测量方法是将被测信号扩大10n倍，这样倍，这样闸门时间就变为闸门时间就变为10n Tx，最后将计算器的计数值再除以，最后将计算器的计数值再除以10n，便，便可得到被测周期的测量值。它实际上是多个被测周期的平均值，可得到被测周期的测量值。它实际上是多个被测周期的平均值，即即第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 3. 时间间隔测量时间间隔测量 时间间隔测量和周期的测量电路大体相同，所不同的是时间间隔测量和周期的测量电路大体相同，所不同的是测量时间

21、间隔需要测量时间间隔需要B、C两个通道分别送出起始和停止信号去两个通道分别送出起始和停止信号去控制门控双稳电路以形成闸门信号，其工作原理如图所示。控制门控双稳电路以形成闸门信号，其工作原理如图所示。倍频器时标选择主门计数显示To12门控双稳分频器晶振tBCtBtCB通道C通道tBtCB信号C信号图图6.4 时间间隔测量的原理框图时间间隔测量的原理框图 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 oCBNTt 测量时间间隔时，时标信号作为计数脉冲，测量时间间隔时，时标信号作为计数脉冲，B通道输入的通道输入的信号作为主门开门信号，信号作为主门开门信号，C通道输入的信号作为主门关门信号，通道输入的信号

22、作为主门关门信号，若计数器在主门打开时间内计得脉冲个数为若计数器在主门打开时间内计得脉冲个数为N，则，则B和和C两脉两脉冲信号之间的时间间隔为冲信号之间的时间间隔为 选取两个输入信号的上升沿或下降沿的某电平点作为时间选取两个输入信号的上升沿或下降沿的某电平点作为时间间隔的始点和终点，这样就可以测量两个输入信号任意两点之间隔的始点和终点，这样就可以测量两个输入信号任意两点之间的时间间隔，如图间的时间间隔，如图6.5所示。所示。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图图6.5 输入信号任意两点间的时间间隔测量示意图输入信号任意两点间的时间间隔测量示意图起始脉冲起始脉冲终止脉冲开门信号开门信号(

23、50%)(50%)(50%)uB终止脉冲uC(a)uB(b)(50%)uC第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 4. 相位差测量相位差测量 相位差测量通常是指两个同频率的信号之间的相位差相位差测量通常是指两个同频率的信号之间的相位差的测量。的测量。电子计数器测量相位差是时间间隔测量的一个应电子计数器测量相位差是时间间隔测量的一个应用，瞬时值数字相位差测量原理框图如图用，瞬时值数字相位差测量原理框图如图6.6所示，通过测所示，通过测量两个正弦波上两个相应点之间的时间间隔，可换算出它量两个正弦波上两个相应点之间的时间间隔，可换算出它们之间的相位差。们之间的相位差。B通道C通道门控电路计数门计数

24、显示时标信号置零u1u2u3u41u2u图图6.6 瞬时值数字相位差测量原理框图瞬时值数字相位差测量原理框图第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图图6.7 瞬时值数字相位差测量工作波形瞬时值数字相位差测量工作波形u(t)Ou1u2Tx1uO2uOu3Ou4Ottttttt其工作波形如图其工作波形如图6.7所示。所示。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 sxNTtTt 360360360360 sxxsxffNTNTTt 设被测信号周期为设被测信号周期为Tx，门控信号，门控信号u3的宽度（两个信号的宽度（两个信号相位差相位差 对应的时间）为对应的时间）为t ，则，则由以上两式可得：由

25、以上两式可得：221 ttt 为减小测量误差，可利用两个通道的触发沿选择开关，为减小测量误差，可利用两个通道的触发沿选择开关， 置于置于“”和和 “”时各测量一次，两次测量结果取平均时各测量一次，两次测量结果取平均值：值：Ts为时标为时标信号周期信号周期第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 5. 频率比频率比fB/fA测量测量 频率比是指两路信号频率的比值，其测量原理如图频率比是指两路信号频率的比值，其测量原理如图6.8所示。选择频率高的信号加到所示。选择频率高的信号加到A通道作为时标信号通道作为时标信号TA，频率，频率低的信号加到低的信号加到B通道作为时基信号通道作为时基信号TB，在闸门

26、时间，在闸门时间TB内对内对TA进行计数，计数结果即为两信号的频率比进行计数，计数结果即为两信号的频率比 fB/fA。图图6.8 频率比测量原理框图频率比测量原理框图A通 道主 门B通 道门 控 信 号fAfB计 数TBTA译 码 显 示第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6. 累加计数和计时累加计数和计时 累加计数是电子计数器最基本的功能，是指在限定时累加计数是电子计数器最基本的功能，是指在限定时间内被测信号的脉冲个数进行累加，其测量原理框图如图间内被测信号的脉冲个数进行累加，其测量原理框图如图6.9所示。所示。图图6.9 累加计数和计时的原理框图累加计数和计时的原理框图放大整形主门门

27、控信号被测信号计数Tc译码显示开始停止Tx第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 被测信号由被测信号由A通道输入，经放大整形脉冲后送入主门，通道输入，经放大整形脉冲后送入主门，门控电路输入端由人工控制，开关置于门控电路输入端由人工控制，开关置于“开始开始”位置时，闸位置时，闸门开启，计数脉冲通过主门，计数器开始计数，开关置于门开启，计数脉冲通过主门，计数器开始计数，开关置于“停止停止”位置时，闸门关闭，计数器停止计数。位置时，闸门关闭，计数器停止计数。 若若A通道加入的是标准时间信号，则计算器累计的是开通道加入的是标准时间信号，则计算器累计的是开门所经历的时间，这便实现了计时功能。若时标为门

28、所经历的时间，这便实现了计时功能。若时标为TC，计，计数器显示值为数器显示值为N，则计时值，则计时值T= N TC。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 7. 自校自校 在使用电子计数器测量之前，应对电子计数器进行自校，在使用电子计数器测量之前，应对电子计数器进行自校，一是检验电子计数器的逻辑关系是否正常，二是检验电子计一是检验电子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量。自校的原理框图如图数器能否准确地进行定量测量。自校的原理框图如图6.10所所示。示。图图6.10 电子计数器的自校原理框图电子计数器的自校原理框图晶 体 振 荡倍 频 电 路时 标 选 择主 门

29、Tc计 数译 码 显 示门 控 信 号时 基 选 择分 频 电 路Ts第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图图6.10 电子计数器的自校原理框图电子计数器的自校原理框图晶 体 振 荡倍 频 电 路时 标 选 择主 门Tc计 数译 码 显 示门 控 信 号时 基 选 择分 频 电 路Ts 晶体振荡器经分频形成时基信号晶体振荡器经分频形成时基信号TS，经倍频得到时标，经倍频得到时标信号信号TC，在电子计数器正常工作时，计数值，在电子计数器正常工作时，计数值N= TS/ TC。例。例如如TC1ms、 TS1s时，电子计数器显示值时，电子计数器显示值N= 1000000。第第6章章 频率与时间测

30、量频率与时间测量 四、通用电子计数器的测量误差四、通用电子计数器的测量误差1. 测量误差的来源测量误差的来源（1） 量化误差量化误差 电子计数器的测量误差主要包括电子计数器的测量误差主要包括量化误差量化误差、触发误差触发误差和和标准频率误差标准频率误差。 量化误差是量化过程中产生的误差，是数字化仪器特有量化误差是量化过程中产生的误差，是数字化仪器特有的误差。它是由于电子计数器闸门的开启与输入计数脉冲在的误差。它是由于电子计数器闸门的开启与输入计数脉冲在时间上的不确定性（相位随机性）而产生的误差。时间上的不确定性（相位随机性）而产生的误差。 如图如图6.12所示，虽然闸门开启时间都为所示，虽然闸

31、门开启时间都为T，但因为闸门开，但因为闸门开启时刻不一样，计数值一个为启时刻不一样，计数值一个为9，另一个却为，另一个却为8，两个计数值，两个计数值相差相差1。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 计 数 脉 冲闸 门 开 启 时 间T脉 冲 数N 9闸 门 开 启 时 间T脉 冲 数N 8图图6.12 量化误差的形成量化误差的形成第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 减小量化误差的相对误差的方法：减小量化误差的相对误差的方法：增大计数值增大计数值N ，即，即当被测信号频率一定时，增长闸门时间；闸门时间一定时，当被测信号频率一定时，增长闸门时间；闸门时间一定时，增加计数脉冲频率。增加计

32、数脉冲频率。 量化误差的特点量化误差的特点：无论计数值：无论计数值N为多少，计数值总是相为多少，计数值总是相差差1，即，即 N= 1。量化误差又称量化误差又称 1误差误差和和计数误差计数误差。 量化误差的相对误差为量化误差的相对误差为%1001%1001%100 xCNTfNNN 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 （2） 触发误差触发误差 触发误差又称触发误差又称转换误差转换误差。它是被测信号在整形过程中，。它是被测信号在整形过程中，由于整形电路（施密特电路）本身触发电平的抖动或输入信由于整形电路（施密特电路）本身触发电平的抖动或输入信号中干扰和噪声等原因，使得整形后的脉冲周期不等于被

33、测号中干扰和噪声等原因，使得整形后的脉冲周期不等于被测信号的周期而产生的误差。信号的周期而产生的误差。 图图6.13所示即为噪声和干扰产生触发误差的情况。所示即为噪声和干扰产生触发误差的情况。无干扰信号，无干扰信号，整形后的脉冲整形后的脉冲周期等于被测周期等于被测信号的周期。信号的周期。干扰信号很大，一干扰信号很大，一个周期的被测信号个周期的被测信号经整形后产生多个经整形后产生多个宽度不等的脉冲，宽度不等的脉冲，测量结果为测量结果为坏值坏值。干扰信号较小，一个周期干扰信号较小，一个周期的被测信号整形后仅产生的被测信号整形后仅产生一个脉冲，但宽度发生了一个脉冲，但宽度发生了变化，测频时无影响，测

34、变化，测频时无影响，测周时存在周时存在触发误差触发误差。(a)(b)(c)E1E2图图6.13 噪声和干扰产生的触发误差噪声和干扰产生的触发误差第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 （3） 标准频率误差标准频率误差 电子计数器在测量频率和时间时是以晶振产生的各种电子计数器在测量频率和时间时是以晶振产生的各种时标信号作为基准的。如果时标信号不稳定，则会产生测时标信号作为基准的。如果时标信号不稳定，则会产生测量误差，这种误差称为量误差，这种误差称为标准频率误差标准频率误差。标准频率误差包括。标准频率误差包括时基误差时基误差（测频）和（测频）和时标误差时标误差（测周）。（测周）。 由于电子计数器

35、对晶振采取了较好的稳频措施，与量由于电子计数器对晶振采取了较好的稳频措施，与量化误差和触发误差相比，标准频率误差小得多，通常可忽化误差和触发误差相比，标准频率误差小得多，通常可忽略其影响。略其影响。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 2. 测量误差分析与提高测量精度的方法测量误差分析与提高测量精度的方法（1） 测频误差测频误差 影响频率测量的主要是量化误差，测频量化误差可用影响频率测量的主要是量化误差，测频量化误差可用下式表示：下式表示：%1001%1001%100 sxNTfNNN 减小测频量化误差的方法：减小测频量化误差的方法：增大计数值增大计数值N 。fx为被测信号频率，为被测信

36、号频率，Ts为闸门时间。为闸门时间。 具体措施：具体措施：在在A通道对输入信号进行倍频，提高进入通道对输入信号进行倍频，提高进入主门的脉冲频率；主门的脉冲频率； 增长闸门时间；增长闸门时间；对低频信号可采用间对低频信号可采用间接测量法，先测周期，再换算成频率。接测量法，先测周期，再换算成频率。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 %1001%1001%100 xCxTfNNNTT（2） 测周误差测周误差测周误差包括测周量化误差和触发误差。测周误差包括测周量化误差和触发误差。1 1） 测周量化误差测周量化误差测周量化误差为测周量化误差为fc为时标信号频率，为时标信号频率，Tx为被测信号周期。

37、为被测信号周期。 减小测周量化误差的方法：减小测周量化误差的方法：增大计数值增大计数值N 。 具体措施：具体措施：选用短时标信号选用短时标信号；在在B B通道对被测信号通道对被测信号进行分频，延长闸门时间；进行分频，延长闸门时间；( (多周期测量多周期测量) )对低频信号可采对低频信号可采用间接测量法，先测频率，再换算成周期。用间接测量法，先测频率，再换算成周期。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 mMTTxn 21 2 2）测周触发误差测周触发误差 一般门电路采用过零触发，触发误差可按下式近似表一般门电路采用过零触发，触发误差可按下式近似表示：示： Tn/ Tx为干扰引起的主门开启时间

38、误差，为干扰引起的主门开启时间误差，m为为B通通道分频器的分频系数，道分频器的分频系数，M为输入信号的信噪比。为输入信号的信噪比。 减小测周触发误差的方法：减小测周触发误差的方法：提高输入信号的信噪比；提高输入信号的信噪比；采用多周期测量法（增大采用多周期测量法（增大m m）。）。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 3） 中界频率的确定中界频率的确定 中界频率中界频率：电子计数器测量某信号的频率时，若采用：电子计数器测量某信号的频率时，若采用直接测频法和测周测频法的误差相等，则该频率称为中界直接测频法和测周测频法的误差相等，则该频率称为中界频率。频率。 忽略随机误差，根据中界频率的定义，

39、可得到中界频忽略随机误差，根据中界频率的定义，可得到中界频率的计算公式：率的计算公式：ScTmff 0 fc为测周时标信号频率，为测周时标信号频率，Ts为测频闸门时间（时基信号为测频闸门时间（时基信号周期），周期），m为为B通道分频器的分频系数。通道分频器的分频系数。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 43105110211 sxTfNN473102101021 xcxxTfTT 例如，用电子计数器测量例如，用电子计数器测量fx=2 kHz信号的频率，分别采信号的频率，分别采用测频（闸门时间为用测频（闸门时间为1s）和测周（晶振频率）和测周（晶振频率fc=10 MHz）两）两种测量方法，

40、由于量化误差所引起的相对误差如下：种测量方法，由于量化误差所引起的相对误差如下：测频时，量化误差为测频时，量化误差为测周时，量化误差为测周时，量化误差为中界频率为中界频率为kHzTmffsc16. 311070 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 4） 多周期测量多周期测量 多周期测量多周期测量：指在测量被测信号的周期时，时间间隔的：指在测量被测信号的周期时，时间间隔的起点在一个信号点，终点在若干周期后的另一个信号点。起点在一个信号点，终点在若干周期后的另一个信号点。 多周期测量的转换误差多周期测量的转换误差：两相邻周期的转换（触发）误：两相邻周期的转换（触发）误差相互抵消，只剩下第一个

41、周期开始时和最后一个周期结束差相互抵消，只剩下第一个周期开始时和最后一个周期结束时的转换误差，若进行时的转换误差，若进行m周期测量，误差值为单周期测量的周期测量，误差值为单周期测量的1/m。 多周期测量的量化误差多周期测量的量化误差：由于周期倍增后计数器的计数：由于周期倍增后计数器的计数值也增加了值也增加了m倍，所以量化误差也减小为原来的倍，所以量化误差也减小为原来的1/m。注意注意：倍乘数：倍乘数m受仪器显示位数限制。受仪器显示位数限制。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 除采取以上措施外，测量时还应注意以下事项：除采取以上措施外，测量时还应注意以下事项： (1) 每次测试前应先对仪器

42、进行自校检查，当显示正常每次测试前应先对仪器进行自校检查，当显示正常时再进行测试。时再进行测试。 (2) 当被测信号的信噪比较差时，应降低输入通道的增当被测信号的信噪比较差时，应降低输入通道的增益或加低通滤波器。益或加低通滤波器。 (3) 为保证机内晶体稳定，应避免温度有大的波动和机为保证机内晶体稳定，应避免温度有大的波动和机械振动，避免强的工业磁电干扰，仪器的接地应良好。械振动，避免强的工业磁电干扰，仪器的接地应良好。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.3 等精度时间等精度时间/频率测量频率测量一、等精度测量原理一、等精度测量原理 等精度测量技术又称多周期平均技术，它是将被测信等精

43、度测量技术又称多周期平均技术，它是将被测信号和时间基准信号分别在事件（号和时间基准信号分别在事件（E）计数器和时间（）计数器和时间（T）计数器中累加计数，然后由微处理器对计数结果进行运算、计数器中累加计数，然后由微处理器对计数结果进行运算、比较等处理，并将处理结果送显示单元显示。比较等处理，并将处理结果送显示单元显示。 图图6.14所示为等精度测量原理。测量时，仪器先产生所示为等精度测量原理。测量时，仪器先产生闸门预备信号，由被测信号脉冲的上升沿触发同步门闸门预备信号，由被测信号脉冲的上升沿触发同步门E，主门主门E开启，开启，E计数器计数。与此同时，时钟脉冲的上升沿计数器计数。与此同时，时钟脉

44、冲的上升沿触发同步门触发同步门T，主门，主门T开启，开启，T计数器计数。计数器计数。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图图6.14 等精度测量原理等精度测量原理同步门ENEE计数器 运算部分预定闸门R-S触发器预备信号E门同步门TT门fx(被测)f0(10 MHz)预备CPUNTT计数器0TEfNN第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图图6.15 等精度测量逻辑时序图等精度测量逻辑时序图t1预 定 闸 门 时 间Tfx闸 门 时 间Tt2f0预定闸门时间预定闸门时间T闸门时间闸门时间T图图6.15是等精度测量的逻辑时序图。是等精度测量的逻辑时序图。第第6章章 频率与时间测量频率与

45、时间测量 在闸门时间T内，E计数器累计了NE=fxT个被测信号脉冲，T计数器累计了NT=f0T个时钟脉冲，由运算部分（微处理器）可算出： ，并显示出来。当钟频f0选为100 MHz时，对1 s闸门时间测量的分辨力恒为10-8， 如图6.16所示。 0fNNfTEx第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.16 1 s闸门时间测量分辨力示意图分 辨 力10 80频 率 / MHz100第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.3.2 时间间隔平均测量原理时间间隔测量时序图如图6.17所示。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.17 时间间隔测量时序图fAfB预备E同步门Qf

46、B同步门Qf0T同步门QE计数器入T计数器入第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.4 EE3376型可程控通用计数器简介型可程控通用计数器简介6.4.1 EE3376型可程控通用计数器原理及电路介绍图6.18示出了EE3376型可程控通用计数器的原理框图。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.18 EE3376型可程控通用计数器逻辑原理框图显示器键盘显示驱动键盘扫描缓冲器缓冲器RAMROM16 KB地址译码CPU(280)通用接口CP-IB地址开关打印接口E同步门fB同步门T同步器TAB合成器E主门E计数器与门T主门T计数器取样率电容预选闸门电路内接口电路(2)复原电路分辨率

47、电路主门预备电路计量结束电路计量状态电路内接口电路(1)CS打印输出DSDSDSDSCSCSCSCSASASASA4R48STA/STPJKDSCSASDSCS驱动器DSDSCSASCSASDSA6CP-IB接口8f0fBfA(b)放大分频/ 10输出控制A/C选通通道/ 10E / T100 MHz控制门/ 128E / T寄存器16MHz选通门A选通开关AC/DC放大整形触发电平显示晶振10 MHz倍频器整形跟随10 MHz时标输出B选通开关f0选通开关A输入10 MHz或5 MHzJK121 11 MHz选通电路(a)C输入fAfB分/合101电平调节选择AC/DC放大整形触发电平显示分

48、/合101电平调节选择B输入f0第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 1. A、B输入通道A 通道中输入保护电路包括由两只二极管组成的双向限幅电路及由一只稳压管等组成的源极跟随器，其作用是过压保护、阻抗变换及电平移位。B通道同A通道。 2. C输入通道C通道由放大、分频及电平控制三大部分组成，其中放大器由五级ERB90组成，分频由SP8668完成。图6.19所示为C通道方框图。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.19 C通道方框图放大分频输出停止控制C通道第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 3. 预定标EE3376的钟频周期为100 ns，最大可测信号频率为10 MHz。

49、为了测量高于10 MHz的信号频率，需进行预定标法。A 通道频宽为DC120 MHz，C通道频宽为100 MHz1.5 GHz。在C通道中，信号经放大、整形后通过SP8668预先进行分频。 4. 主门电路主门电路是实现倒数计数的关键部件，由微机送出各种不同的功能码，经由选择开关选择，来实现各种功能的测量。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 5.预选闸门电路 EE3376的预选闸门电路是由单稳电路T555组成的。单稳电路的脉宽受控于前面板上的可调电位器，因此闸门时间约在0.0510 s之间连续可调。6.计数电路EE3376采用两块40位二进制计数器 LS7061和两块十六进制计数器 74L

50、S93分别组成 E 、T计数器。其中LS7061包括32位二进制计数器、40位寄存器、扫描选通译码电路及8位三态门输出电路。微处理器接到测量结束指令后开始取数。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 7.送显电路送显电路是由扫描驱动显示器7812 完成的。8.取样率电路取样率电路是由T555 组成单稳电路来执行的。9.微处理器单元微处理器单元对仪器的运行进行管理、数据交换和数据处理。 10.GPIB通用接口EE3376配置了GPIB接口，其通用性强，加上通用接口所需的应用软件，可以很方便地将该机接入自动测试系统。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.4.2 EE3376型可程控通

51、用计数器的使用1.面板功能启动“POWER”键，接通电源, 这时面板上除“LEVEL A”、“LEVEL B”两灯外，所有指示灯全亮，显示器显示全“8”1秒钟，然后显示本机型号“EE3376”。 2.功能键操作 功能键可以上下换挡，只要分别按、键即可。按一次键功能上（或下）移一次。按“RESET”键是对微机重新进行初始化。在进行某一测量时，如不需要继续测量，而要重新测量时可按下“CLEAR”键，此时仍进行原功能的测量。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 3. A通道频率测量（fA）、周期测量（PA）被测信号fx从“INPUT A”输入，“COM”键弹起。“LEVEL A”可以调节触发电平，调节范围为-1.5+1.5 V，触发电平可用万用表从旁边的检测孔测量。当电位器调至灯闪亮时，触发灵敏度为最高。如 fx 为正信号，触发电平往“+”方向调节； 如fx为负信号，触发电平往“-”方向调节。 4. AB 时间间隔测量(TA-B) 启动信号从“INPUT A”输入，停止信号从“INPUT B”输入，调节触发电平使A、B通道触发指示灯闪烁。调节LEVEL A和LEVEL B的电平要一致（用万用表在检测孔检测）。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测