電子測量技術(shù)第6章第1部分

1、 多功能計數(shù)器 函數(shù)發(fā)生器/計數(shù)器 頻率計 6.1 概述 目前，在電子測量中，時間和頻率的測量精確 度是最高的，在檢測技術(shù)中，常常將一些非電量 或其他電參量轉(zhuǎn)換成頻率進行測量。本章將重點 介紹利用電子計數(shù)器測量頻率、周期和時間間隔 的測量方法。 1頻率和周期的基本概念 頻率定義為相同的現(xiàn)象在單位時間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)的 次數(shù)。 周期則是指出現(xiàn)相同現(xiàn)象的最小時間間隔. s N f T 式中，f頻率； N相同的現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)； Ts單位時間。 周期性現(xiàn)象，是指經(jīng)過一段相等的時間隔又出現(xiàn) 相同狀態(tài)的現(xiàn)象，在數(shù)學(xué)上可用一個周期函數(shù)來 表示所謂周期性現(xiàn)象。 式中 f頻率，用赫茲（HZ）表示； n正整數(shù)，相同

2、的現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù) ； T周期過程的周期時間。 正弦波是一種典型常見的周期性信號，可表示為 對一個周期現(xiàn)象來說，周期和頻率都是描述它的重 要參數(shù)。周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系，只要測出其中 一個，便可取倒數(shù)而求得另一個。 式中 f頻率，用赫茲（HZ）表示； T周期過程的周期時間。 （1）時頻測量具有動態(tài)性質(zhì)。 （2）測量精度高。 （3）測量范圍廣。 （4）頻率信息的傳輸和處理比較容易。 2時間與頻率測量的特點 頻率的測量方法按工作原理可分為直接法和比 對法兩大類。 （1）直接法。直接法是指直接利用電路的某種頻 率響應(yīng)特性來測量頻率的方法。電橋法和諧振法是 這類測量方法的典型代表。 直接法常常通過數(shù)

3、學(xué)模型先求出頻率表達式，然后 利用頻率與其他已知參數(shù)的關(guān)系測量頻率。 （2）比對法。比對法是利用標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測頻率 進行比較來測量頻率的。其測量準(zhǔn)確度主要取決于 標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度。拍頻法、外差法及計數(shù)器測頻 法是這類測量方法的典型代表。 3頻率測量的基本方法 6.2.1 電子計數(shù)器面板及控鍵示意圖 電子計數(shù)器的面板和主要的控制按鍵如圖6.1所示 。 6.2 電子計數(shù)器及其應(yīng)用 （1 1）功能選擇）功能選擇 有6個鍵，完成計數(shù)、測量頻率、測量周期、測量 時間間隔、測量頻率比和自校功能。 （2 2）時間選擇）時間選擇 測量頻率時，用于選擇閘門時間；測量周期時，用 于選擇周期倍乘。 （3 3）輸入通

4、道）輸入通道 具有A、B和C三個通道，其中A、B通道可對輸入信 號進行衰減。 （4 4）觸發(fā)選擇）觸發(fā)選擇 用于選擇觸發(fā)方式。置“+”時，為上升沿觸發(fā)； 置“-”時，為下降沿觸發(fā)。 （5 5）觸發(fā)電平）觸發(fā)電平 可連續(xù)調(diào)節(jié)觸發(fā)電平。 （6 6）數(shù)碼顯示器）數(shù)碼顯示器 用于測量值顯示，小數(shù)點自動定位。 622電子計數(shù)器的主要電路技術(shù) 電子計數(shù)器一般由輸入通道、計數(shù)器、邏輯控 制、顯示器及驅(qū)動等電路構(gòu)成。 1輸入通道 電子計數(shù)器一般設(shè)置23個輸入通道，記做A、B 、C。A通道用于測頻、自校；B通道用于測量周期 ；B、C通道合起來測時間間隔；A、B通道合起來 測頻率比。 A通道是主通道，頻帶較寬；B

5、、C通道是簡易通道 。A通道的基本框圖如圖6.2所示，它包括衰減器 、放大器、整形器。 圖6.2 A通道的基本框圖 2計數(shù)器 計數(shù)器由觸發(fā)器構(gòu)成。在數(shù)字儀表中，最常用的 是按8421編碼的十進制計數(shù)器，來了10個脈沖就產(chǎn)生 1個進位。 3顯示與驅(qū)動電路 電子計數(shù)器以數(shù)字方式顯示出被測量，目前常 用的有LED顯示器和LCD顯示器。LED為數(shù)碼顯示， 其優(yōu)點是工作電壓低、能與COMS、TTL電路兼容， 發(fā)光亮度高、響應(yīng)快、壽命長。LCD為液晶顯示， 其突出優(yōu)點是供電電壓低和微功耗，是各類顯示 器中功耗最低的。同時LCD制造工藝簡單、體積小 而薄，特別適用于小型數(shù)字儀表中。 4邏輯控制電路 邏輯控制

6、電路是由門電路和觸發(fā)器組成的時序 邏輯電路。它產(chǎn)生各種指令信號，這些指令控制 整機各單元電路的工作，使整機按一定的工作程 序完成測量任務(wù)。 6.2.3 6.2.3 電子計數(shù)器測量頻率 1測頻的基本原理 電子計數(shù)器測頻是嚴(yán)格按照頻率的定義進行的。 它在某個已知的標(biāo)準(zhǔn)時間間隔Ts內(nèi)，測出被測信號重 復(fù)的次數(shù)N，然后由公式f = N/Ts計算出頻率。測量的 原理框圖如圖6.3所示。 圖6.3 電子計數(shù)器測頻原理框圖 （1）輸入單元電路 由放大、整形電路構(gòu)成，它將輸入頻率為fx的 被測周期性信號放大、整形，變換成計數(shù)器能接 受的計數(shù)脈沖信號，并加到閘門電路輸入端。 （2）時基Ts產(chǎn)生電路 包括石英晶體

7、振蕩器、分頻器及時基選擇電路 。用于產(chǎn)生準(zhǔn)確的時間間隔Ts 。 （3）主門電路 通常由一個與門（或一個或門）構(gòu)成。它進行 時間或頻率的量化比較，完成時間或頻率的數(shù)字 轉(zhuǎn)換。 （4）計數(shù)顯示電路 包括多級十進制計數(shù)器、寄存器、譯碼器和數(shù)字 顯示器等。 它對主門輸出的脈沖個數(shù)進行計數(shù)，再用數(shù)字顯 示出來。 （5）邏輯控制電路 包括門電路和觸發(fā)器組成的時序邏輯電路。 它產(chǎn)生各種控制信號，如寄存、顯示、復(fù)位信號 等，控制整機各單元電路的工作，使整機按一定的 工作程序完成測量任務(wù)。 2測頻方法的誤差分析 （1）量化誤差。利用電子計數(shù)器測量頻率，測量的 實質(zhì)是在已知的時間內(nèi)累計脈沖個數(shù)，是一個量化過 程。

8、這種計數(shù)只能對整數(shù)個脈沖進行計數(shù)，它不可能 測出半個脈沖，即量化的最小單位是數(shù)碼的一個字。 這種誤差稱為“1個字誤差”，簡稱“1誤差”。 量化誤差的相對值為 當(dāng)被測信號頻率一定時，主門開啟時間越長，量化 的相對誤差就越??；當(dāng)主門開啟時間一定時，提高 被測信號的頻率，也可減小量化誤差的影響。 xs 11N NNfT 式中， 量化誤差的相對值，即計數(shù)的相對誤 差； fx被測信號的頻率； Ts選定的主門開啟時間。 N N （2）閘門開啟時間的誤差。閘門開啟時間的誤差主 要由晶振的頻率誤差引起。設(shè)晶振頻率為fc（周期為 Tc）、分頻系數(shù)為常數(shù)k，則 s sc 1k T ff 式中，k分頻系數(shù)； fc標(biāo)

9、準(zhǔn)頻率。 （3）測頻公式誤差 測頻的公式誤差為 由于 的符號可正可負，若按最壞情況考慮， 可得電子計數(shù)器測量頻率的最大相對誤差計算公 式為 c f cx f xxsc 1 ff ffTf （4）測頻計數(shù)誤差。 計數(shù)誤差是指在測量頻率時，由于被測信號中的干 擾噪聲影響，使輸入信號經(jīng)觸發(fā)器整形后，形成的 計數(shù)脈沖發(fā)生了錯誤而產(chǎn)生的誤差。如圖6.5（a） 、（b）所示。 圖6.5 噪聲干擾引起的計數(shù)誤差 （5）結(jié)論 電子計數(shù)器測量頻率時要提高頻率測量的準(zhǔn)確 度（減少測量誤差）可采取如下措施： 選擇準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度高的晶振作為時標(biāo)信號發(fā) 生器，以減小閘門時間誤差。 加大分頻器的分頻系數(shù)k，擴大主門的開啟

10、時間 ，以減小量化誤差的影響。 當(dāng)被測信號頻率較低時，用測頻方法測得的頻率 誤差較大，應(yīng)選用其它方法進行測量。 對隨機的計數(shù)誤差，可提高信噪比或調(diào)小通道增 益來減小誤差程度。 6.2.4 6.2.4 電子計數(shù)器測量周期 1測量周期的基本原理 周期是頻率的倒數(shù)，因此周期的測量與頻率測 量正好相反。電子計數(shù)器測量周期的原理框圖如 圖6.6所示。電路構(gòu)成與測頻電路類似，包括輸入 整形電路，時標(biāo)、時基產(chǎn)生電路，主門電路，計 數(shù)顯示及邏輯控制電路等。 圖6.6 電子計數(shù)器測量周期的基本原理框圖 （1）公式誤差 測量周期的相對誤差為 2測周方法的誤差分析 xx s s lnln T TT NT NT ss s s lnlnlnlnNTNT NT NT ()() s s T N NT 其中： 按最壞結(jié)果考慮，周期測量總的系統(tǒng)誤差應(yīng)是兩 種誤差之和。 k fT kT T T T N cx c x s x 1N cx fT k NN N 1 c c c c s s f f f k f k T T c c cx T f f fT k （2）觸發(fā)誤差。觸發(fā)誤差是指在測量周期時，由于 輸入信號受噪聲影響，經(jīng)觸發(fā)器整形后形成的門控 脈沖時間間隔與信號的周期產(chǎn)生了差異而形成的誤 差。因為一般門電路采用過零觸發(fā)，可以證明觸發(fā) 誤差可按下式近似表示： n xm 11 22 n TV TV kkM 式中，k分