Chapter 4-4数字化测量技术之频率周期测量--140514

1、一. 电子计数器(数字频率计)组成 数字频率计主要由四个部分构成：输入电路、时基（T）电路、计数显示电路以及控制电路。输入电路时基(T)电路计数显示电路控制电路输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通

2、过放大衰减处理。当输入信号电测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，若前级输入衰减为零时不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时，若前级输入衰减为零时不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，被测信号得以放大。被测信号得以放大。时基和闸门电路：闸门电路是控制计数器计数的标准时间信号，被测信号时基和闸门电路：闸门电路是控制计数器计数的标准时间信号，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器的个数就是由闸门信号决定的，闸门信号的精

3、度很的脉冲通过闸门进入计数器的个数就是由闸门信号决定的，闸门信号的精度很大程度上决定了频率计的频率测测量精度。当要求频率测量精度高时，应使用大程度上决定了频率计的频率测测量精度。当要求频率测量精度高时，应使用晶体振荡器通过分频获得。一般时基信号可由晶体振荡器通过分频获得。一般时基信号可由555定时器构成一个较稳定的多定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号。间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号。计数显示电路：在闸门电路导通的情况

4、下，开始计数被测信号中有多少个计数显示电路：在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。示计数完成后的数字。控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号二. 数字频率计测频原理 频率是每秒内信号变化的次数。在一个准确的时间段对信号变化计数，就可实现频率测量。开通时间：开通时间： 通用频率计一般选用频率稳定度良好的石英晶体谐振器来产生这个时间基准，它在短时间内的频率稳定度可

5、以达到10-9量级。 设石英晶体振荡器产生的脉冲周期为T0，经过一系列分频可以得到几种标准的开通时间T，如：10mS，0.1S，l S，10S等几种。T N0 T0 ，N0是在开通T 时间内晶振本身振荡周期的整倍数。只要分频次数准确， N0 就是确切的数，则开通时间 T 就是一个稳定的数值。 开通时间与频率的关系：开通时间与频率的关系： T/TNfx1=基准时间基准时间信号周次信号周次显示显示 计数式频率计组成计数式频率计组成例： 三. 数字频率计测周原理 当被测信号频率较低时，采用计数方式测频会带来较大的误差。这时可改用测量信号周期的方法以提高测量的准确度。标准频率与信号的关系：标准频率与信

6、号的关系： xxTNN闸门时间闸门时间标准频率周次标准频率周次单位时间单位时间标准频率标准频率=S10 xxxNTNfT=1=00 xxN/ff0=四. 时间间隔的测量 在测量两个信号之间的时间间隔时，也可借助于电子计数器。五. 测量频率比 用电子计数器可测量两信号的频率之比，原理见书P98-图4-28。六. 电子计数器的误差 1.测量频率的误差xxfffx=dxxTNf =dxTNxxfff+=量化误差dxxxNTfNN1=可见：被测信号频率越低、测量周期越短，量化误差越大。开门时间误差差差：来来源源于于晶晶体体的的时时基基误误dTdxTTf1=晶晶体体的的时时基基误误差差2.测量周期的误差

7、计数误差xxxxNKTTTKTNN00=1=可见：被测信号周期、闸门开通时间相对于时基周期越大，量化误差越小。时基误差差差：来来源源于于晶晶体体的的时时基基误误0TNTxxTNNTT=+=000K：表示闸门时间相当于被测信号周：表示闸门时间相当于被测信号周期展宽的倍数期展宽的倍数NT=晶晶体体的的时时基基误误差差xxNTT=0另另：当被测信号不是矩形波时，会出现当被测信号不是矩形波时，会出现触发电平漂移误差触发电平漂移误差(参书参书P100-图图4-30)。因此：输入信号经输入电路时，尽可能增幅，以减小触发误差。因此：输入信号经输入电路时，尽可能增幅，以减小触发误差。（1）测频时，在）测频时，

8、在1s的闸门时间内对被测信号的计数值为：的闸门时间内对被测信号的计数值为： 200Hz1s200 则量化误差为：则量化误差为：1/2000.5欲用电子计数器测量一个fx=200Hz的信号频率，采用测频（选闸门时间为1s）和测周（选时标为0.1s）两种方法。试比较这两种方法由1误差所引起的测量误差例：可见：测低频信号频率时，采用测周方法的量化误差小于测频方法。（2）测周时，因为被测信号的频率为测周时，因为被测信号的频率为200Hz，则一个周期时间，则一个周期时间为为T Tx x= =1/2000.005秒。秒。时标为时标为Ts=0.1s，被计数频率为被计数频率为1/0.1s10MHz107Hz。

9、在在0.005秒内计得的数为：秒内计得的数为：1070.00550000， 所以量化误差为：所以量化误差为：1/5000000000.02 (1) 测量范围：测量范围：电子计数器的测量范围很广，可以测量从 mHz 1010Hz范围。 (2) 晶体振荡器的频率稳定度：晶体振荡器的频率稳定度： 可用频率准确度、日频率漂移、秒级频率稳定度、温度影响误差、电压影响误差及负载影响误差等指标来完整地描述晶振的性能。 频率稳定度一般为10-6 10-9范围。 (3) 输入特性输入特性 1)耦合方式：有AC耦合和DC耦合两种方式。 2)触发电平及极性：助发电平和极性共同决定了输入信号的触发点，要求触发电平有一

10、定的调节范围，触发极性可选择。 3)输入电压范围。能保证正常工作的最小输入电压称为输入灵敏度输入灵敏度，大多为10 100mV 。此外，还需要定义最大输入电压最大输入电压。 4)输入阻抗：内输入电阻和输入电容两部分组成。 5)波形适应性。包括对正弦被、脉冲和其他信号的适应性。 (4) 测量时间测量时间Tm 1)闸门时间：即测量时间。测频时一般有1mS、10mS、0.1S 、1S、10S。 测周期时闸门时间为被测信号的一个或多个周期。 2)显示时间：显示测量结果的时间。 测量时间测量时间 = 闸门时间闸门时间+ 显示时间显示时间 + 复零时间复零时间七. 电子计数器主要技术指标 电子式计数器应用实例电子式计数器应用实例高精度高精度10MHZ频率计频率计整形整形电路电路ui功能功能最大量程最大量程误差误差直流电压直流电压1000V0.09交流电压交流电压1000V0.8直流电流直流电流10A1.0交流电流交流电流10A1.2电阻电阻60M0.5频率频率10MHz0.1电容电容110mF3.0温度温度7603.0液晶位数液晶位数11,000二极管测试二极管测试有短路蜂鸣测试有短路蜂鸣测试有有IP67防水防尘防水防尘有有1000V全保护全保护有数据保持有数据保持有最大有最大/最小值保持最小值保持有峰值模式有峰值模式相对值模式相对值模式自动量程自动量程