电子测量技术第4章

1、2u 4.1 时间频率测量u 4.2 电子计数器u 4.3 电子计数器测量误差分析u 4.4 电子计数器性能的改进u 4.5 调制域测量4u时间是国际单位制中七个基本物理量之一,它的基本单位是秒(s)。u时间有两种含义：n时刻：回答某事件或现象何时发生t t1 1n间隔：两个时刻之间的间隔,回答某事件或现象持续多久u“时刻”“间隔”二者测量方法 是不同的。 t tU U0 0t t1 1t t2 2t t3 3t t4 4T T5u频率标准时间标准 u频率是时间的导出量，在法定计量单位中，是具有专门名称的导出量。u频率表征在1秒的时间间隔内，周期现象重复出现的次数，出现1次，称为1Hz。u在时

2、间t内，周期现象重复出现n次时，则频率定义为f=n/t(Hz)。u时间准确度取决于频率准确度,其标准相同整个电磁频谱有各种各样的划分方式。在微波技术中，通常按波长划分为米、分米、厘米、毫米、亚毫米波。在无线电广播中，则划分为长、中、短三个波段。在电视中，把48.5223 MHz按每频道占据8 MHz范围带宽划分为112频道。 总之，频率的划分完全是根据各部门、各学科的需要来划分的。在电子测量技术中，常以100 kHz为界，以下称低频测量，以上称高频测量。8uUT：以地球自转周期为标准测定的时间uUT0(零类世界时)：直接通过天文观察求得的时间秒n1秒=地球自转周期1/84600 准确度10-6

3、uUT1(第一类世界时)：地球自转受极运动的影响,校正了这个偏差而得到世界时 uUT2(第二类世界时)：再把地球自转的季节性、年度性的变化校正后的世界时 准确度310-8 uET(历书时)：1900回归年(太阳连续两次经过春分点所经历的时间)长度的 13 1556 925. 974 7为1s。准确度110-9 9u近来引进了微观计时标准,这就是利用原子或分子内部能级跃迁所辐射或吸收的电磁波的频率为基准来计量时间。u1967年10月13届国际计量大会正式通过了秒的定义uAT(原子时)：“秒是Cs133原子基态的两个超精细能极之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”。 准确度

4、10-13 10-1410u世界时和原子时之间互有联系,可以精确运算，但不能彼此取代,各有各的用处。u原子时：只能提供准确的时间间隔u世界时：考虑了时刻和时间间隔。u目前国际上已应用经过原子标准修正过的时间来发送标准,用原子时来对天文时进行修正。uUTC (协调世界时)：n以原子秒定义为秒长,但通过闰秒方法使其时刻与世界时UT1接近的时间尺度。 u协调世界时是原子时和世界时UT1的一种折衷产物。 11u原子频率标准(原子频标) n原子频标有许多种,高标准的频率标准源大多采用铯束原子频标,它的稳定性、制作重复性较好。原子频标的准确度可达10-13。 u高精度石英晶体振荡器 n石英有很高的机械稳定

5、性和热稳定性,它的振荡频率受外界因素的影响小,因而比较稳定,频率稳定度可达到10-10。 u时间标准和频率标准具有。 12u电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器(简称“晶振”)为基准信号源。u晶体振荡器基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频率易受温度影响(其频率-温度特性曲线有拐点,在拐点处最平坦),普通晶体频率准确度为10-5。u采用温度补偿或恒温措施(恒定在拐点处的温度)可得到高稳定、高准确的频率输出。13u本地比较法： n用户把自己要核准的装置搬到拥有标准源的地方,或者由有标准源的主控室通过电缆把标准信号送到需要的地方,然后通过中间测试设备进行比对。14u发送接收标准电磁波

6、法 n拥有标准源的地方通过发射设备将标准电磁波发送出去,用户用相应的接收设备将标准电磁波接收下来,便可得到标准时频信号,并与自己的装置进行比对测量。n用标准电磁波传送标准时频,是时频量值传递与其他物理量传递方法显著不同的地方,它极大地扩大了时频精确测量的范围,大大提高了远距离时频的精确测量水平。15u测量精度高n频率(时间)测量所达到的分辨率和准确度是最高的10-14u测量范围广n0.01Hz以下1012 Hz以上，都可以做到高精度的测量u频率(时间)的测量具有动态性质,即时间频率总在改变着。n必须依靠信号源和钟的稳定性,期望后一周期是前一周期的准确复现u信号可以通过电磁波传播,扩大了时间频率

7、的比对和测量范围n如GPS卫星导航系统,可实现全球范围最高准确度的时频比对和测量 16模拟法直读法比较法电桥法谐振法拍频法差频法示波法李沙育图形法测周期法计数法电容充放电式电子计式17u由于频率是时间的倒数,时间和频率共用一个标准源,并由频率导出时间,所以在实际中往往更多的讨论频率测量。u直接利用电路的某种频率响应特性来测量频率n电桥法和谐振法 18u利用标准频率和被测频率进行比较来测量频率n拍频法、外差法、示波器法以及计数器测频u由于数字电路的发展和数字集成电路的普及,利用电子计数器测量时间和频率具有精度高,使用方便,迅速以及便于实现测量过程自动化等一系列突出优点,成为近代频率测量的重要手段

8、。 20u计数器通常具有三种主要功能n累计计数对输入信号连续地计数n频率测量在确定的时间内对输入信号计数 n时间测量对周期准确的时标信号计数u在三种主要功能的基础上,可扩展多种功能n测脉冲宽度n测时间差n测相位n测频率比n自检21u电子计数器的基本原理是基于比较法进行测量u根据频率(时间)的A/D转换原理来构成一个数字仪器,应包含：n实现量化的比较电路主门n被转换量的输入电路n量化单位fc (Tc)的产生电路n转换结果N的计数与显示电路n控制电路22u主门也称为闸门u功能n通过“门控信号”控制进入计数器的脉冲,使计数器只对预定的“闸门时间”之内的脉冲计数u 电路：由“与门”或“或门”构成。n由

9、“与门”构成的主门,其“门控信号”为1时,允许计数脉冲通过；n由“或门”构成的主门,其“门控信号”为0时，允许计数脉冲通过。u“门控信号”还可手动操作得到,如实现手动累加计数。23u组成n它们主要由放大/衰减、滤波、整形、触发(包括触发电平调节)等单元电路构成u作用n对输入信号处理以产生符合计数要求(波形、幅度)的脉冲信号。输入电路工作波形图ust0放大ttt000整形微分A输入(T0或Fx )24u通道组合可完成不同的测量功能：n被计数的信号(常从A通道输入)称为计数端；控制闸门开启的信号通道(常从B、C通道输入)称为控制端。n从计数端输入的信号有：被测信号(fx);内部时标信号等;n从控制

10、端输入的信号有：闸门信号；被测信号(Tx)等；25u功能：n产生测频时的“门控信号”(多档闸门时间可选)及时间测量时的“时标”信号(多档可选)。u实现：n由内部晶体振荡器(也可外接),通过倍频或分频得到。26u要求：n标准性:“门控信号”和“时标”作为计数器频率和时间测量的本地工作基准,应当具有高稳定度和高准确度。n多值性：为了适应计数器较宽的测量范围,要求“闸门时间”和“时标”可多档选择。27u功能：n产生各种控制信号,控制、协调各电路单元的工作n使整机按“复零测量显示”的工作程序完成自动测量的任务。电子计数器的工作流程图准备期复零，等待测量期开门，计数显示期关门,停止计数28u计数电路对通

11、过主门的脉冲进行计数(计数值代表了被测频率或时间),并通过数码显示器将测量结果直观地显示出来。u为了便于观察和读数,通常使用十进制计数电路29u计数电路的重要指标：最高计数频率n计数电路一般由多级双稳态电路构成,受内部状态翻转的时间限制,使计数电路存在最高计数频率的限制。而且对多位计数器,最高计数频率主要由个位计数器决定。u显示电路：包括锁存、译码、驱动电路。30u根据频率的定义,若某一信号在T秒时间内重复变化了N次,则该信号的频率为：门电路复习： 与门A1/0B1/0C1/0同理“或”门、与非、或非门等也有类似功能。A A0 00 01 11 1B B0 01 10 01 1C C0 00

12、00 01 1TNfx31u计数控制闸门可由门电路或模拟开关构成,由于其开启时间为T,所以称为“闸门时间”。 u闸门时间通常以秒为单位,一般有10s,1s,0.1s, 0.01s等几种,为了获得较多的测量位数及测量精度,较长的闸门时间一般用来测量较低的频率32u由于计数器的位数总是有限的,对于较高频率,则应选用较小的闸门时间,以免使测量数据溢出u当被测信号的频率太低时,闸门时间(测量时间)将会长到测量者无法忍受的程度。n例如,测量1Hz左右的信号频率,位数需达到6位,则闸门时间至少应为105s(约1个月),这显然是不可行的33u对于较低频率信号宜采取先测量其周期T,然后再根据f x=1/Tx

13、的关系求得其频率u电子计数器测量周期的原理ccxfNNTT34u将测周原理中门控电路稍加改变,可测量多种时间u下图为脉冲宽度测量的原理图。它既可测正脉冲宽度,又可测负脉冲宽度。u输入的被测信号首先进入整形电路,该电路除将被测信号整形为陡峭方波外,还通过倒相输出一对极性相反的信号,即图(b)中a,b点的信号。 35u周期的测量,本质上也是时间间隔的测量n测量一个周期信号波形上两相邻同相位点之间的时间间隔。n我们还可把它扩展到同一信号波形上两个不同点之间的时间间隔的测量。3637u时间间隔的测量有两种工作方式：uS断开,两个通道是完全独立的,来自两个信号源的信号控制计数器工作；n用于测量两个信号的

14、时间差n两个独立的输入通道(B、C)可分别设置触发电平和触发极性(触发沿) uB为起始通道,用来开启主门uC的信号为计数器的终止信号38uS闭合,两个输入端并联,仅一个信号加到计数器,但可独立地选择触发电平和触发极性,以完成起始和终止功能。n用于测量一个信号任意两点间的时间间隔。39u相位的测量实际是指两个同频周期性信号的相位差的测量u先将S闭合，选择相同极性，测出一路信号周期T。u再将S断开，分别输入两路被测信号，选择相同极性触发，测出两路信号 相同边沿穿过触发电平的 时间差Tx2xTT相位差的测量相位差的测量t T360t t40u频率比f1 f2是加于A、B两路的信号源的频率比值nNff

15、102141实际原理框图：实际原理框图： 42u累计计数对输入信号连续地计数n传送带上的成品计数 n剪票口、百货商店、展览会的入场人数统计 n行人、自行车、船舶等交通量的测量n电线、钢板之类物体的长度测量n距离测量n流量测量n重量测量n液面位置测量传送带上的物品传送带上的物品43u频率测量在确定的时间内对输入信号计数 n频率测量(RC振荡器、信号发生器等)n转速测量(内燃机、电动机、滚筒)n机械振动n流量测量n产速率测量44u时间测量对周期准确的时标信号计数 n快门时间测量n继电器动作时间测量n体育运动比赛的计时n速度测量（汽车或火车等运动中的物体、飞行中的物体、坠落的物体、流体）n水位、距离

16、测量n粘度、力矩、功率的测量n相位差测量n化学试剂反应时间的测量 45距离的计数测量距离的计数测量用计数法测量子弹的飞行速度用计数法测量子弹的飞行速度46u电子自动裁判装置的显示精度虽然不超过百分之一秒,但是它能够鉴别五千分之一秒的时间差,能够极精确地判断到达终点的先后次序,能够清楚地区别出利用摄影技术也很难鉴别的时间差。 电子裁判电子裁判u测频时,主门的开启时刻与计数脉冲间的时间关系是不相关的,即它们在时间轴上的相对位置是随机的u计数器值NuT通常不是Tx 的整数倍 xTNTu频率量化时带来的误差称量化误差,又称脉冲计数误差或1误差。49u量化误差：n将模拟量转换为数字量(量化)时所产生的误

17、差n数字化仪器所特有的误差。u计数法的最大量化误差为末尾1字。u1误差的大小与门控时间T有关,T越大,1误差越小。u1误差往往是测量误差的主要部分。TfNNNx1150u闸门时间不准,造成主门启闭时间或长或短,显然要产生测 频误差。u闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc(周期为Tc),则有 ccfTTf =110-7110-10 石英晶体性能和切割方式-生产厂 石英振荡器的输出频率准确度决定 温度的影响-单、双层恒温糟 振荡电路的质量-电路优化设计 51u计数器直接测频的误差主要有两项 n1误差n标准频率误差u一般总误差可采用分项误差绝对值合成,即 |)|1(ccxxxffTfff

18、u被测频率fx越高,闸门时间T越大,测频的相对误差fx / fx越小,即测频的精确度越高。5253u量化误差和基准频率误差n与分析电子计数器测频时的误差类似,这里 cxNTT ccxxTTNNTTcccxcccxxxfffTTTfTTT115455u被测信号脉冲的形成通常采用施密特触发器。u在不存在噪声干扰的情况下,施密特触发器可以将正弦波等较为规则的信号整型成周期与输出信号相同的矩形脉冲来作为计数脉冲或闸门控制信号。56u如果被测信号中含有较强的噪声干扰(噪声干扰的幅度大于施密特触发器的触发窗口),且干扰脉冲落在施密特触发器的触发窗口内,将会使施密特触发器产生误触发,从而使计数器产生错误计数

19、。57u触发误差的示意图如下图所示,图中所画干扰信号是连续的,但它也可以是离散的噪声脉冲。u干扰信号的出现使触发转换时间出现了或前或后的错位,即闸门时间中包含了误差T1及T2。vx=VmSinxt58u综合上面的讨论,可知测周误差由三部分组成:n量化误差n时基误差n触发误差u因此,测周法的总误差(采用绝对值合成法.按最坏的情况考虑)为()1324 1nmxccxxcffUUkTTTf59u为了减小测量误差,提高测量的准确度,应注意:n在条件允许的情况下,尽量提高时标信号(计数脉冲)的频率fs。n提高晶振频率的准确度和稳定度。n使用,把主门时间从被测信号的周期Tx扩大为mTx,通常m为10n(n

20、1,2,)。u此时,测周误差为(4 14)110102nnmnxcxcxcffUUkTTTf60u例题1：被测信号fx=10Hz，采用测周法，已知信噪比为20dB，当周期被乘开关分别置乘1和乘1000时，由触发误差引入的测周误差为多少？u例题2：某计数器最高标准频率fcmax=10MHz。若忽略标准频率误差和触发误差，则当被测时间间隔Tx为50us和5us测量误差。若最高标准频率fcmax一定，且给定最大相对误差rmax，最小可测量的时间间隔是多少？61u直接测频与测周法测频的相对误差是不一样的u量化误差：u测频：fxNN T=1s, fx = 106Hz,NN = 10-6 fx = 108

21、Hz,NN = 10-8u测周：fxNN fc =10Hz, fx = 10Hz,NN = 10-5 fx = 100Hz,NN = 10-4|)|1(ccxxxffTfff|)|1(cccxxxfffTff62u若被测频率fx较高,则直接测量频率,以保持最佳的测量状态；u若被测频率fx较低,则应用测周法测频。u所谓高频低频是以中界频率为界划定的u中界频率：n对某信号使用测频法和测周法测量频率,两者引起的误差相等,则该信号的频率定义为中界频率63u令测频误差和测周误差相等u求得测频与测周相对误差都一样的中界频率为： |)|1(|)|1(cccxccxfffTffTfTffcm64u例题3u某电

22、子计数器， 若可取的最大的T、 fc值分别为10 s、 100 MHz， 并取k=104, n=102， 试确定该仪器可以选择的中界频率fm。65：n可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。其测量功能可扩展。：n其功能限于测频和计数,但测频范围往往很宽：n以时间测量为基础,可测量周期、脉冲参数等,其测时分辨力和准确度很高。:n具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控66测量范围: mHzGHz。准确度: 可达10-9以上。晶振频率及稳定度:晶体振荡器是电子计数器的内部基准,一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级(10倍)。 输出频率为1MHz,2

23、.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低阻和1M /25pF高阻)等。闸门时间(测频): 有1ms,10ms,100ms,1s,10s。时标(测周): 有10ns、100ns、1ms、10ms。显示: 包括显示位数及显示方式等。68u计数器的改进主要体现在减小测量误差方面,在计数器发展中提出若干从电路结构上的改进措施。u最突出的是运用了P和IC技术的微机化等相对误差计数器,它是计数器最重要的改进之一。u传统计数器在测低频信号时不能用测频方式,测高

24、频信号时不能用测周方式,否则 1误差会很大69u微机化等相对误差计数器的原理如简图,它既可以测周期又可以测频率。 u电路中有S和C两个计数器,分别对被测信号S和已知时钟信号C进行计数。 70u例题4u分别用通用计数器和多周期同步计数器对50Hz正弦信号频率进行测量，计算其误差。闸门时间为1s，晶振标准频率为1MHz71u克服计数错误的常见措施 n克服计数错误最主要的就是避免触发整形电路中发生误触发。n触发整形电路工作不正常,必然导致闸门时间不对或者计数脉冲个数不对,最终造成测量结果错误。72u减小计数误差的电路改进措施n由于计数误差或者说1误差往往是计数器误差的主要成分,所以减小它就成为改进的重要方面。n在通常情况下计数误差为1N,一方面前面讨论了不少增大N的方法,另一方面人们也考虑能否在减小“l”的影响上做文章。73u为测量时间间隔 TxNt1t2uT的测量与普通计数器相同, t1和t2采用内插法来测量,即用两个内插器将t1和t2分别扩展1000倍,然后再在扩展后的时间间隔内,对同一时钟脉冲进行计数,故被测时间间隔 1000100011NNNTx74u游标法是利用机械测量中游标卡尺的概念来求t1和t2u游标法