第六章时间与频率的测量

第四章时间与频率的测量

在相等时间间隔内重复发生的现象称为周期现象,该时间间隔称为周期。在单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数称为频率,单位为赫兹(Hz).频率和周期互为倒数,是最基本的参量。目前，在电子测量中，时间和频率的测量精确度是最高的，在检测技术中，常常将一些非电量或其它电参量转换成频率进行测量。

测量频率的方法有很多，按照其工作原理分为无源测量法、比较法、示波器法和计数法等。

电子计数器可以用来测量频率、周期、时间等量,通过扩展还可以构成频率计、相位计，是电子测量三大仪器之一。主要知识点1频率测量的基本方法2电子计数器及其应用3其他的时间和频率测量方法第一节频率测量的基本方法一、无源测频法主要包括谐振法、电桥法和频率-变换电压法等。1.谐振法谐振法测频基本原理如图.被测信号经互感M与LC串联谐振回路进行松耦合,改变可变电容器C,使回路发生串联谐振。谐振时回路电流I达到最大时,被测频率fx可用下式计算:2.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,但要求电桥的频率特性尽可能尖锐.通常采用如下图所示的文氏电桥来进行测量.调节R1、R2使电桥达到平衡,则有:3.频率-电压变换法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。频率-电压变换法测正弦波频率原理框图如图(a)。首先把正弦信号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，产生频率为fx、宽度为τ、幅度为Um的矩形脉冲列uB(t)，如图(b)所示。经推导得知：

当Um、τ一定时，Uo指示就构成频率-电压变换型直读式频率计,电压表直接按频率刻度.最高频率可达几兆赫。二、有源比较测频法有源比较测频法主要包括拍频法和差频法。1.拍频法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,其原理电路如图所示。

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。当两频率靠近到差值不到4～6Hz时,就只能听到一个近于单一音调的声音,且作周期性的变化,电压表指针有规律地来回摆动,示波器上则可得到如图(b)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。2.差频法高频段测频常用差频法测量,利用非线性器件和标准信号对被测信号进行差频变换来实现频率测量.

fx和fs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.

3、示波法

李沙育图形法：将fx和fs分别接到示波器Y轴和X轴(X-Y图示方式),当fx＝fs时显示为斜线(椭圆或园);

测周期法：直接根据显示波形由X通道扫描速率得到周期，进而得到频率。第二节电子计数器及其应用第二节、电子计数器主要电路

通用电子计数器主要由输入通道、计数显示电路、标准时间产生电路和逻辑控制电路组成。1．输入通道电子计数器一般设置2个或3个输入通道，记作A、B、C。A通道用于测频、自校；B通道用于测周期；B、C通道合起来测时间间隔；A、B通道合起来测频率比。

A通道:计数脉冲信号的通道。它对输入信号进行放大整形、变换，输出计数脉冲信号。计数脉冲信号经过闸门进入十进制计数器，是十进制计数器的触发脉冲源。B通道:闸门时间信号的通道，用于控制闸门的开启和关闭。输入信号经整形后用来触发门控电路（双稳态触发器）使其状态翻转，以一个脉冲开启闸门，而以随后的一个脉冲关闭闸门，两脉冲的时间间隔为闸门时间。在此期间，十进制计数器对经过A通道的计数脉冲进行计数。为保证信号能够在一定的电平时触发，输入端可以对输入信号的电平进行连续调节，并且可以任意选择所需的触发脉冲极性。有的通用计数器闸门时间信号通道有B、C两个通道。B通道用作门控电路的启动通道，使门控电路状态翻转；C通道用作门控电路停止通道，使其复原。(2)计数显示电路计数显示电路是一个十进制计数显示电路，用于对通过闸门的脉冲（即计数脉冲）进行计数，并以十进制方式显示计数结果。(3)标准时间产生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。测量周期（测周）时，标准时间信号经过放大整形和倍频（或分频），用作测量周期或时间的计数脉冲，称为时标信号；测频时，标准时间信号经过放大整形和一系列分频，用作控制门控电路的时基信号，时基信号经过门控电路形成门控信号。(4)逻辑控制电路逻辑控制电路产生各种控制信号，用于控制电子计数器各单元电路的协调工作。每一次测量的工作程序一般是：准备→计数→显示→复零→准备下次测量等。第三节、通用电子计数器一、测量频率

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，T为时间，单位为“s”；N为在时间T内周期性现象的重复次数。电子计数器测频原理框图如图所示。被测娇信号草经放至大整晚形形慢成频凤率为mfx的计蜓数脉裕冲,作为园闸门妥的输衔入信喜号.门控身电路越输出歪门控触信号托控制漆闸门揪的启柏闭，栋闸门介开启裙时间此等于祖分频铃器输渴出信处号周酒期KfTs.只有梢当闸集门开罗启时丽，计好数脉烧冲才葱能通张过闸总门进秋入十趟进制怎计数讽器去惑计数,设计熔数结戴果为N。则蓄存在藏关系跨：N=辩KfTsfx如果育被测截信号虹经过迷放大进整形松后再凭经过m次倍依频,则满堆足：N=犹mKfTsfxN为闸悠门开辽启期摄间十售进制找计数决器计啊出的黎计数醒脉冲子个数苍；fx为被躺测信滑号频佣率，天其倒共数为屑周期Tx；Ts为晶工振信粉号周脚期；m为倍虑频次寺数；Kf为分宵频次千数，揭调节Kf的旋蚁钮称叠为“闸门庭时间然选择”（或“时基准选择”）开甩关，烦与Ts的乘询积等程于闸胸门时柄间。★时间夺与频统率的挽测量二、访测量楼周期电子解计数姨器测旱量周蹲期的寸原理炒与测预频原扒理相嗓似，惹其原暖理框弄图如共图所葱示。门控放电路环由经生放大列整形想、分录频后寨的被杯测信惧号控疑制，益计数掏脉冲病是晶廉振信用号经眯倍频乌后的辣时间碗标准训信号.存在拜关系骂：N=势mKfTx/TsTx与Kf的乘寒积等租于闸电门时果间；Kf为分唇频器加分频平次数伏，调因节的Kf旋钮短称为“周期白倍乘扩选择”开关牌，通处常选授用10n，如×1、×1碰0、×1劝02、×1捕03等，欢该方损法称迈为多钳周期拣测量霸法；Ts为晶尺振信讯号周魄期，fs为晶慰振信苏号频浑率；Ts/m通常蛇选用1m安s、1μs、0.蹄1μ集s、10材ns等，活改变Ts/m大小绑的旋诉钮称漆为“时标唯选择”开关辽。由上杠述分次析得践知，零通用匆电子役计数鲁器无染论是及测频栋还是创测周蚁，其养测量逝方法盆是依萄据闸傻门时钳间等贡于计妈数脉北冲周温期与士闸门摇开启道时通响过的鼠计数答脉冲认个数碎之积塞，然凤后根某据被书测量选的定钉义进兼行推唯导计谁算而表得出沙被测修量。塘同样惭道理娘，也西可以图据此刮来测锯量频箱率比陪、时航间间铜隔、喊累加数计数庙等。三、金测量译频率繁比两个束输入张信号庄加到梯电子破计数美器输堪入端,如果fA＞fB，就缺将频熔率为fB的信疫号经B通道淡输入,去控厨制闸寇门的辱启闭,假设错该信纹号未聋经分敏频器乱分频,则闸唇门开伶启时降间等屋于TB(=巷1/fB);而把什频率蹲为fA的信纯号从A通道急输入,假设纵该信驳号未旨经过静倍频,设十尽进制种计数娇器计键数值上为N，则峡存在揭关系障：TB=NTAN=葡TB/TA=fA/fB为了灯提高板测量音准确攀度,可以搅在B通道拌增加倘分频览器,对fB进行Kf次分秘频,使闸创门开控启时饮间扩袖展Kf倍。勉则有智：KfTB=NTAfA/fB=TB/TA=N/蒜Kf或者众对fA进行m次倍刊频，惜用mfA作为蔬时标考信号后时，绍存在均关系姨：KfTB=NTA/m恳fA/fB=N/(mKf)四、季累加域计数其测焰量原绪理与暮测量回频率凡是相旧似的,此时虑门控者电路疮改由冰人工纳控制.其电爆路原革理框坛图如巴图所注示,当开云关S打在“启动”位置桃时,闸门奥开启,计数裤脉冲届进入壳计数怕器计拖数,当开为关S打在“终止”位置呢时,闸门谈关闭捷，终胸止计粒数.五、甩测量形时间楼间隔其测银量原尝理与拿测量介周期脊原理挂相似,控制雅闸门浴启闭晶的是蚕两个神（或窄单个鹿）输垦入信筑号在姨不同晋点产垫生的逼触发紫脉冲挣。当测拔量两班个信悄号的罩时间忘间隔花时，书开关S1处于“单独”位置.当测扬量脉顺冲信涛号的酷时间火间隔魄如脉陷冲前齐沿tr、脉渗宽τ等参蹲数时墨，将铁开关S1置于“公共”位置努，根长据被啦测量施的定搜义,调节周触发灵器1、2的触特发电台平和委触发陷极性共，选强择合姻适的捉时标晋信号,即可支测量父。例如欲测量悉脉宽τ,根据茫脉宽昏定义诱，调洲节触喉发器1、2的触野发电悔平均端为50疏%，分别参调节庄触发餐极性痛选择S1、S2为“+”、“－”。闸键门开电启期摧间计衫数结糟果为N，则:τ=NTs/m六、菌自检筛（自辛校）大多抱数电阵子计厌数器革都具绞有自胳检（泊即自庙校）浑功能孕，它告可以掉检查余仪器奸自身迟的逻探辑功墨能以秤及电课路的辉工作功是否且正常.自检黎过程右与测术量频之率的屿原理商相似,但自哥检时模的计跑数脉拥冲不做再是圣被测度信号悟而是体晶振痰信号陆经倍如频后热产生帜的时燥标信秒号。迈显然牺，只括要满赠足关抽系：NTs/m雅=KfTsN=mKf或N=mKf±1则说评明电氧子计罚数器猴及其夫电路狱等工敬作正哄常，习之所放以出歪现±1是因亲为计转数器蜜中存别在量筒化误雹差的欧缘故奇。第四麻节矿电混子计相数器僚的测孩量误命差一、允测量例误差饿的来妹源电子索计数低器的乳测量梅误差质来源殊主要曲包括量化补误差耳、触规发误援差和依标准翠频率财误差滤。1量化衔误差量化惠误差隆是在鄙将模傻拟量怀变换复为数钢字量准的量土化过努程中铸产生假的误舅差,是数茫字化欢仪器忌所特洁有的丽误差,是不车可消墨除的尚误差凯。它证是由示于电锦子计拾数器抗闸门模的开誓启与粉计数制脉冲炭的输舟入在蝴时间川上的赢不确尝定性澡，即饲相位跨随机冠性而论产生宫的误周差。如图翼所示,虽然仪闸门婚开启幅时间察均为T,但因语为闸斗门开前启时评刻不韵一样,计数骨值一诵个为9另一伸个却催为8,两个佳计数薪值相害差1个字.无论风计数吧值N为多怎少,每次漂的计鼓数值廊总是导相差±1惑,因此,量化蔑误差出又称捎为±1误差铅或±1字误宗差,又称遵为计盟数误口差。量化第误差识的相膨对误则差为省：2.触发嘴误差又称察为变乡丰换误沈差:被测姜信号含在整隔形过庄程中,由于构整形摸电路兵本身杰触发幕电平同的抖睛动或稳者被湖测信欠号叠艺加有勤噪声古和各棕种干俩扰信攀号等钢原因,使得隔整形半后的浙脉冲商周期注不等梯于被笑测信烦号的捧周期,由此获而产恨生的施误差没称为触发活误差。如下陕页图植所示,电子僻计数鼠器测无量周忠期时,被测赠信号恳控制使门控漂电路蝇的工零作状秩态而残产生撑门控早信号.门控扯电路亏一般沸采用身施密灵特电雕路,当被纽奉测信帐号达嘉到施费密特这电路障触发枯电平VB时(即A1点),门控除信号啦控制米闸门鉴打开,当被屋测信自号经碗过一踩个周驰期(设被斜测信约号未识被分感频)再次鬼达到咬施密许特电生路触害发电义平VB时(即A2点),门控层信号蜜控制待闸门迹关闭.当无米噪声议和干胡扰信代号时,闸门锤开启旦时间抬就等低于被也测信荷号的朴周期Tx.但叠夜加有孟噪声串或干颗扰信白号时,闸门雨在A’1就打展开,而在A’2时才辈关闭,闸门障的开券启时迟间变湖为T’x,显然概不等友于被内测信垄号的协周期,这样挑就产茎生了灰触发膛误差.式中,Un为噪拦声或丛干扰辛信号雹的最屋大幅订度,包括宏因触帜发电孔平抖虫动而钩产生斜的影间响,一般毛可以告不考已虑触由发电乏平抖永动或青漂移惧的影想响;Um为被抢测信仙号电卷压幅夺度;Kf为B