第7章頻率和時間測量及儀器

1、第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 1第第7 7章章頻率和時間測量及儀器頻率和時間測量及儀器7.1 概述概述 7.2 電子計數器概述電子計數器概述7.3 通用電子計數器通用電子計數器7.4 電子計數器的測量誤差電子計數器的測量誤差7.5 通用電子計數器實例通用電子計數器實例 7.6 數字相位計數字相位計本章小結本章小結第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 2第第7章章 頻率和時間測量及儀器頻率和時間測量及儀器學習參考：學習參考：電子計數器可以用來測量頻率、周期、時間等量，通過擴展還可以構成頻率計、相位計，是電子測量三大儀器之一。要求通過學習了解電子計數器的組成、技

2、術指標，理解它的工作原理、掌握它的使用方法。 本章要點：本章要點：通用電子計數器的組成、測量原理、測量誤差的來源及減小措施。第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 37.1 概述概述在相等時間間隔內重復發(fā)生的現象稱為周期現象，該時間間隔稱為周期。在單位時間內周期性過程重復、循環(huán)或振動的次數稱為頻率，用周期的倒數來表示，單位為赫茲（Hz）。頻率和周期互為倒數，是最基本的參量。7.1.1 時間與頻率測量的特點1. 測量精度高2. 應用范圍廣3. 自動化程度高4.測量速度快第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 47.2 電子計數器概述電子計數器概述7.2.1 分類分類按其測

3、試功能的不同，電子計數器分為以下幾類：（1）通用電子計數器通用電子計數器即多功能電子計數器。它可以測量頻率、頻率比、周期、時間間隔及累加計數等，通常還具有自檢功能。（2）頻率計數器頻率計數器是指專門用于測量高頻和微波頻率的電子計數器，它具有較寬的頻率范圍。第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 5（3）計算計數器計算計數器是指一種帶有微處理器、能夠進行數學運算、求解復雜方程式等功能的電子計數器。（4）特種計數器特種計數器是指具有特殊功能的電子計數器。如可逆計數器、預置計數器、程序計數器和差值計數器等，它們主要用于工業(yè)生產自動化，尤其在自動控制和自動測量方面。本章主要討論通用電子計數

4、器。第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 67.2.2 基本組成基本組成如圖7.1所示為通用電子計數器組成框圖，主要由輸入通道、計數顯示電路、標準時間產生電路和邏輯控制電路組成。A輸入通道閘門十進制計數顯示門控電路邏輯控制電路B輸入通道測頻累加計數測時間倍頻器晶振分頻器時標選擇標準時間產生電路閘門時間選擇人工觸發(fā)功能變換圖7.1 通用電子計數器的組成框圖第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 7 （1）輸入通道 輸入通道即輸入電路，其作用是接受被測信號，并對被測信號進行放大整形，然后送入閘門（即主門或信號門）。輸入通道通常包括A、B兩個獨立的單元電路。 A通道是計數脈

5、沖信號的通道。它對輸入信號進行放大整形、變換，輸出計數脈沖信號。計數脈沖信號經過閘門進入十進制計數器，是十進制計數器的觸發(fā)脈沖源。 B通道是閘門時間信號的通道，用于控制閘門的開啟和關閉。輸入信號經整形后用來觸發(fā)門控電路（雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）使其狀態(tài)翻轉，以一個脈沖開啟閘門，而以隨后的一個脈沖關閉閘門，兩脈沖的時間間隔為閘門時間。在此期間，十進制計數器對經過A通道的計數脈沖進行計數。為保證信號能夠第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 8在一定的電平時觸發(fā)，輸入端可以對輸入信號的電平進行連續(xù)調節(jié)，并且可以任意選擇所需的觸發(fā)脈沖極性。有的通用計數器閘門時間信號通道有B、C兩個通道。B通道用作

6、門控電路的啟動通道，使門控電路狀態(tài)翻轉；C通道用作門控電路停止通道，使其復原。 （2）計數顯示電路 計數顯示電路是一個十進制計數顯示電路，用于對通過閘門的脈沖（即計數脈沖）進行計數，并以十進制方式顯示計數結果。 （3）標準時間產生電路 標準時間信號由石英晶體振蕩器提供，作為電子計數器的內部時間基準。測量周期（測周）時，標準時間信號經過第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 9放大整形和倍頻（或分頻），用作測量周期或時間的計數脈沖，稱為時標信號；測頻時，標準時間信號經過放大整形和一系列分頻，用作控制門控電路的時基信號，時基信號經過門控電路形成門控信號。 （4）邏輯控制電路 邏輯控制電

7、路產生各種控制信號，用于控制電子計數器各單元電路的協調工作。每一次測量的工作程序一般是：準備計數顯示復零準備下次測量等。 第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 107.3 通用電子計數器通用電子計數器7.3.1 測量頻率測量頻率周期性信號在單位時間內重復的次數稱為頻率，即f=N/T式中，T為時間，單位為“s”；N為在時間T內周期性現象的重復次數。電子計數器測頻原理框圖如圖7.2所示。被測信號經過放大整形，形成重復頻率為mfx的計數脈沖，作為閘門的輸入信號。門控電路的輸出信號稱為門控信號，控制著閘門的啟閉，閘門開啟時間等于分頻器輸出信號周期KfTs。只有當閘門開啟（圖中假設門控信號

8、為高電平）時，計數脈沖才能通過閘門進入十進制計數器去計數，設計數結果為N。則存在關第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 11系：N=KfTsfxsfxxTKfNNTsfxTKNffs=1/Ts放大整形電路閘門十進制計數器門控電路分頻器晶振fxKfTsKfTs顯示器TsTxKfTsTx圖7.2 通用電子計數器測頻原理框圖第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 12如果被測信號經過放大整形后，再經過m次倍頻，則滿足關系： N=mKfTsfx式中，N為閘門開啟期間十進制計數器計出的計數脈沖個數；fx為被測信號頻率，其倒數為周期Tx；Ts為晶振信號周期；m為倍頻次數；Kf為分

9、頻次數，調節(jié)Kf的旋鈕稱為“閘門時間選擇”（或“時基選擇”）開關，與Ts的乘積等于閘門時間。為了使N值能夠直接表示fx，常取mKfTs=1ms、10ms、0.1s、1s、10s等幾種閘門時間。即當閘門時間為110ns(n為整數)，并且使閘門開啟時間的改變與計數器顯示屏上小數點位sfxxTKmfNmTNsfxTmKNf第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 13置的移動同步進行時，無需對計數結果進行換算，就可直接讀出測量結果。 7.3.2 測量周期測量周期頻率的倒數就是周期，電子計數器測量周期的原理與測頻原理相似，其原理框圖如圖7.3所示。KfTx放大整形電路閘門計數顯示門控電路倍頻

10、器(m)晶振TxTxfs=1/Ts分頻器(1/Kf)KfTx圖7.3 通用電子計數器測周原理框圖Ts/mKfTxTs/m第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 14門控電路由經放大整形、分頻后的被測信號控制，計數脈沖是晶振信號經倍頻后的時間標準信號（即時標信號）。存在關系：N=mKfTx/Ts式中，Tx與Kf的乘積等于閘門時間；Kf為分頻器分頻次數，調節(jié)的Kf旋鈕稱為“周期倍乘選擇”開關，通常選用10n，如1、10、102、103等，該方法稱為多周期測量法；Ts為晶振信號周期，fs為晶振信號頻率；Ts/m通常選用1ms、1s、0.1s、10ns等，改變Ts/m大小的旋鈕稱為“時標選

11、擇”開關。ssxf1mfNmTNTKfssfx1mKNTfmKNT第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 15由上述分析得知，通用電子計數器無論是測頻還是測周，其測量方法是依據閘門時間等于計數脈沖周期與閘門開啟時通過的計數脈沖個數之積，然后根據被測量的定義進行推導計算而得出被測量。同樣道理，也可以據此來測量頻率比、時間間隔、累加計數等。7.3.3 測量頻率比測量頻率比頻率比即兩個信號的頻率之比，電子計數器測量頻率比的原理框圖如圖7.4所示。其測量原理與測量頻率的原理相似。不過此時有兩個輸入信號加到電子計數器輸入端，如果fAfB，就將頻率為fB的信號經B通道輸入，去控制閘門的啟閉，假

12、設該信號未經分頻器分頻，則閘門開啟時間等于TB(=1/fB)；而把頻率為fA的信號從A通道輸入，假設該信號未經過倍頻，設十進制計數器計數值為N，則存在關系： 第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 16TB=NTAN=TB/TA=fA/fB為了提高測量準確度，可以采用類似多周期測量的方法，在B通道增加分頻器，對fB進行Kf次分頻，使閘門開啟時間擴展Kf倍。則有：TB=1/fB放大整形電路B閘門計數顯示門控電路放大整形電路AfA=1/TATB圖7.4 通用電子計數器測量頻率比原理框圖 TATBTAfA（B通道）（A通道）fB第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 17Kf

13、TB=NTAfA/fB=TB/TA=N/Kf當對fA進行m次倍頻，用mfA作為時標信號時，存在關系：KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)7.3.4 累加計數累加計數累加計數是指在限定時間內，對輸入信號重復次數（即放大整形后的計數脈沖個數）進行累加。其測量原理與測量頻率是相似的，不過此時門控電路改由人工控制。其電路原理框圖如圖7.9所示，當開關S打在“啟動”位置時，閘門開啟，計數脈沖進入計數器計數，當開關S打在“終止”位置時，閘門第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 18關閉，終止計數，累加計數結果由顯示電路顯示。 7.3.5 測量時間間隔測量時間間隔圖7.10所示為測量

14、時間間隔的原理框圖，其測量原理與測量周期原理相似，不過控制閘門啟閉的是兩個（或單個）輸入信號在不同點產生的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的產生由觸發(fā)器的觸發(fā)電平與觸發(fā)極性選擇開關來決定。啟動閘門計數顯示門控電路放大整形電路A圖7.9 通用電子計數器累加計數原理框圖TATA輸入信號A終止（A通道）啟動終止S第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 19當測量兩個信號的時間間隔時，開關S1處于“單獨”位置，測量原理如圖7.11所示。A輸入(設時間超前)產生起始觸發(fā)脈沖用于開啟閘門，使十進制計數器開始對時標信號進行計數；B輸入（設時間滯后）則產生終止觸發(fā)脈沖以關閉閘門，停止計數。假設起始脈沖和終止脈沖

15、分別選擇輸入A、B正極性（即開關S2、S3置于“+”處）、50%電平處產生，計數值為N，則時間間隔TAB存在以下關系： +觸發(fā)器1閘門計數顯示門控電路倍頻器(m)TsTAB圖7.10 通用電子計數器測量時間間隔原理框圖Ts/mTABTs/m晶振TA起始觸發(fā)器終止觸發(fā)器觸發(fā)器2-+-單獨公共TBS1S2S3觸發(fā)極性第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 20當測量脈沖信號的時間間隔如脈沖前沿tr、脈寬等參數時，將開關S1置于“公共”位置，根據被測量的定義，調節(jié)觸發(fā)器1、2的觸發(fā)電平和觸發(fā)極性，選擇合適的時標信號，即可測量。例如測量脈寬,根據脈寬定義，調節(jié)觸發(fā)器1、2的觸發(fā)電平均為50

16、%，分別調節(jié)觸發(fā)極性選擇S1、S2為“+”、“”。閘門開啟期間計數結果為N，則 mTNTSAB 050%輸入At050%輸入Bt起始脈沖終止脈沖開啟時間計數脈沖NTAB圖7.11 通用電子計數器測量時間間隔示意圖第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 21=NTs/m7.3.6 自檢（自校）自檢（自校）大多數電子計數器都具有自檢（即自校）功能，它可以檢查儀器自身的邏輯功能以及電路的工作是否正常，其原理框圖如圖7.12所示。KfTs閘門計數顯示門控電路倍頻器(m)晶振Tsfs=1/Ts分頻器(1/Kf)KfTs圖7.12 通用電子計數器自檢原理框圖Ts/mKfTsTs/m第 7 章

17、頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 22由圖可見，自檢過程與測量頻率的原理相似，不過自檢時的計數脈沖不再是被測信號而是晶振信號經倍頻后產生的時標信號。顯然，只要滿足關系：NTs/m=KfTsN=mKf或N=mKf1則說明電子計數器及其電路等工作正常，之所以出現1是因為計數器中存在量化誤差的緣故。第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 237.4 電子計數器的測量誤差電子計數器的測量誤差7.4.1 測量誤差的來源測量誤差的來源電子計數器的測量誤差來源主要包括量化誤差、觸發(fā)誤差和標準頻率誤差。1. 量化誤差量化誤差量化誤差是在將模擬量變換為數字量的量化過程中產生的誤差，是數字化儀器

18、所特有的誤差，是不可消除的誤差。它是由于電子計數器閘門的開啟與計數脈沖的輸入在時間上的不確定性，即相位隨機性而產生的誤差。如圖7.13所示，雖然閘門開啟時間均為T，但因為閘門開啟時刻不一樣，計數值一個為9另一個卻為8，兩個計數值相差1個字。第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 24量化誤差的特點是：無論計數值N為多少，每次的計數值總是相差1，即N=1。因此，量化誤差又稱為1誤差或1字誤差。又因為量化誤差是在十進制計數器的計數過程中產生的，故又稱為計數誤差。量化誤差的相對誤差為：2. 觸發(fā)誤差觸發(fā)誤差觸發(fā)誤差又稱為變換誤差。被測信號在整形過程中，由于整形電路本身觸發(fā)電平的抖動或者被

19、測信號疊加有噪聲和計數脈沖閘門開啟時間T閘門開啟時間T圖7.13 量化誤差產生示意圖計數脈沖N=8計數脈沖N=9%1001%100NNNN第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 25各種干擾信號等原因，使得整形后的脈沖周期不等于被測信號的周期，由此而產生的誤差稱為觸發(fā)誤差。 如圖7.14所示，電子計數器測量周期時，被測信號控制門控電路的工作狀態(tài)而產生門控信號。門控電路一般采用施密特電路，當被測信號達到施密特電路觸發(fā)電平VB時（即A1點），門控信號控制閘門打開，當被測信號經過一個周期（設被測信號未被分頻）再次達到施密特電路觸發(fā)電平VB時（即A2點），門控信號控制閘門關閉。顯然，當無噪

20、聲和干擾信號的理想情況下，閘門開啟時間就等于被測信號的周期Tx。但疊加有噪聲或干擾信號時，如圖所示，閘門在A1就打開，而在A2時才關閉，閘門的開啟時間變?yōu)門x，顯然不等于被測信號的周期，這樣就產生了觸發(fā)誤差。 第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 26經推導得知，觸發(fā)誤差的相對誤差等于 (7-2) 觸發(fā)電平VB0A1A1A2A2干擾信號干擾信號Tx閘門開啟閘門關閉T1T2Tx=T1+Tx+T2被測信號圖7.14觸發(fā)誤差產生示意圖mfnxx2UKUTT第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 27式中，Un為噪聲或干擾信號的最大幅度，包括因觸發(fā)電平抖動而產生的影響，一般情

21、況下，可以不考慮觸發(fā)電平抖動或漂移的影響；Um為被測信號電壓幅度；Kf為B通道分頻器分頻次數。觸發(fā)誤差對測量周期的影響較大，而對測量頻率的影響較小，所以測頻時一般不考慮觸發(fā)誤差的影響。這是因為測頻時用來產生門控信號的是標準的晶振信號，疊加的干擾信號很小，故可以忽略觸發(fā)誤差的影響；而產生計數脈沖的被測信號中雖然有干擾信號，但不影響對計數脈沖的計數，故不產生觸發(fā)誤差。為了減小測周時觸發(fā)誤差的影響，除了盡量提高被測信號的信噪比外，還可以采用多周期測量法測量周期，即增大B第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 28通道分頻器分頻次數。3. 標準頻率誤差標準頻率誤差fs/fs標準頻率誤差是指

22、由于晶振信號的不穩(wěn)定等原因而產生的誤差。測頻時，晶振信號用來產生門控信號（即時基信號），標準頻率誤差稱為時基誤差；測周時，晶振信號用來產生時標信號，標準頻率誤差稱為時標誤差。一般情況下，由于標準頻率誤差較小，不予考慮。7.4.2 測量誤差的分析測量誤差的分析上述測量誤差中，對頻率測量影響最大的是量化誤差，其他誤差一般不予考慮。周期測量則主要受量化誤差和觸發(fā)誤差的影響。下面對測頻和測周誤差進行分析：第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 291. 測頻誤差測頻誤差經過推導得知，測頻量化誤差等于 由此可見，要減小量化誤差對測頻的影響，應設法增大計數值N。即在A通道中選用倍頻次數m較大的

23、倍頻器，亦即選用短時標信號；在B通道中增大分頻次數Kf，亦即延長閘門時間；可以直接測量高頻信號的頻率，否則，測出周期后再進行換算，該方法屬于間接測量法，這是由測周誤差的特性所決定的。xsfxx11fTmKNff第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 302. 測周誤差測周誤差（1）量化誤差經過推導得知，測周量化誤差為： 由此可見，要減小測周量化誤差，應設法增大計數值N。即在A通道中選用倍頻次數m較大的倍頻器，亦即選用短時標信號；在B通道中增大分頻次數Kf，亦即延長閘門時間，該方法稱為多周期測量法；可以直接測量低頻信號的周期，否則，測出頻率后再進行換算，該方法屬于間接測量法。除此之外,人們還常采用游標法、內插法等方法來減小測量誤差。xsfxx1TfmKNNTT第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 31所謂的高頻或低頻是相對于電子計數器的中界頻率而言的。中界頻率是指采用測頻和測周兩種方法進行測量，產生大小相等的量化誤差時的被測信號的頻率。（2）測周觸發(fā)誤差減小測周觸發(fā)誤差的方法如式(7-2)結論所述，不再贅述。綜上所述，多周期測量法以及提高信噪比、選用短時標信號等方法，可以減小測量周期的誤差。第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 327.6