第五章頻率及時(shí)間測(cè)量3-4_第1頁(yè)
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1、15 53 3 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期 用用計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)法可測(cè)的信號(hào)的頻率,而周期是頻率可測(cè)的信號(hào)的頻率,而周期是頻率的倒數(shù),當(dāng)然用的倒數(shù),當(dāng)然用電子計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器也能測(cè)量信號(hào)的周期。也能測(cè)量信號(hào)的周期。 兩者在測(cè)量原理上有相似之處,但又不等同兩者在測(cè)量原理上有相似之處,但又不等同. .第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量2一、電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期的原理一、電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期的原理下圖是下圖是計(jì)數(shù)法測(cè)量周期原理計(jì)數(shù)法測(cè)量周期原理是將下圖中是將下圖中晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)和和輸入被測(cè)信號(hào)輸入被測(cè)信號(hào)的位置對(duì)調(diào)而構(gòu)成的的位置對(duì)調(diào)而構(gòu)成的ccxfNNTT/

2、 圖圖5.35.31 1計(jì)數(shù)法測(cè)量周期原理框圖計(jì)數(shù)法測(cè)量周期原理框圖圖圖5.35.32 2 各點(diǎn)波形各點(diǎn)波形第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量閘門(mén)脈沖信號(hào)3 當(dāng)當(dāng)Tc為一定時(shí),計(jì)數(shù)結(jié)果可直接表示為為一定時(shí),計(jì)數(shù)結(jié)果可直接表示為T(mén)x值。值。 例如例如Tcls,N562時(shí),時(shí),Tx562s; Tc0.1s,N26250時(shí),時(shí),Tx2625.0 s。 根據(jù)需要,根據(jù)需要,Tc可以用若干個(gè)檔位的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換可以用若干個(gè)檔位的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換Tc的值,顯示器能的值,顯示器能自動(dòng)顯示時(shí)間單位和小數(shù)點(diǎn),使用起來(lái)非常方便。自動(dòng)顯示時(shí)間單位和小數(shù)點(diǎn),使用起來(lái)非常方便。圖圖5.35.32 2 各點(diǎn)波形

3、各點(diǎn)波形第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量4二、電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期的誤差分析二、電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期的誤差分析對(duì)對(duì) 式微分,得:式微分,得: ccxNdTdNTdT (5.3-25.3-2) 上式兩端同除上式兩端同除 NTc 得:得:cccTdTNdNNTdTx 即:即: ccxTdTNdNTdTx (5.3-35.3-3)用增量符號(hào)替代上式中微分符號(hào),得用增量符號(hào)替代上式中微分符號(hào),得ccxTTNNTTx (5.3-45.3-4) 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量ccxfNNTT/ 5因因 ccfT/1 ,Tc上升時(shí),上升時(shí),fc 下降,所以有

4、下降,所以有 ccccffTT/ 計(jì)數(shù)誤差計(jì)數(shù)誤差N在極限情況下為在極限情況下為1,所以,所以 xcxcccTfTTNTTNNN11 由于晶振頻率相對(duì)誤差由于晶振頻率相對(duì)誤差fc / fc 的符號(hào)可正可負(fù)??紤]誤差最的符號(hào)可正可負(fù)??紤]誤差最大情況,因此應(yīng)用式大情況,因此應(yīng)用式(5.3-4)計(jì)算誤差時(shí),取絕對(duì)值相加,所以計(jì)算誤差時(shí),取絕對(duì)值相加,所以測(cè)量周期的相對(duì)誤差(測(cè)量周期的相對(duì)誤差(5.3-4)式可改為)式可改為 xcccccxxTTffNffTT1 (5.3-55.3-5)第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量6例如,某計(jì)數(shù)式頻率計(jì)例如,某計(jì)數(shù)式頻率計(jì)|fc| /

5、fc210-7,在測(cè)量周期時(shí),取,在測(cè)量周期時(shí),取Tc1s,則當(dāng)被測(cè)信號(hào)周期為,則當(dāng)被測(cè)信號(hào)周期為T(mén)x1s 時(shí)時(shí)667-101.2101102 xxTT 其測(cè)量精確度很高,接近晶振頻率準(zhǔn)確度。其測(cè)量精確度很高,接近晶振頻率準(zhǔn)確度。 當(dāng)當(dāng)Txl ms ( fx1000Hz ) 時(shí),測(cè)量誤差為時(shí),測(cè)量誤差為%1.01010102367 xxTT第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量7當(dāng)當(dāng)Txl0s ( fx 100 Hz )時(shí),時(shí),10%1011027 xxTT可以明顯看出,計(jì)數(shù)器測(cè)量周期時(shí),其可以明顯看出,計(jì)數(shù)器測(cè)量周期時(shí),其測(cè)量誤差主要決定測(cè)量誤差主要決定于量化誤差于量化誤

6、差,被測(cè)周期越大,被測(cè)周期越大 ( fx 越小越小 ) 時(shí)時(shí)誤差越小誤差越小,被測(cè)周,被測(cè)周期越小期越小 ( fx 大大 ) 時(shí)時(shí)誤差越大誤差越大。第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量8減小測(cè)量誤差方法:減小測(cè)量誤差方法: 可以可以減小減小Tc (增大增大fc )。但這受到實(shí)際計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)速度的限制。但這受到實(shí)際計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)速度的限制。在條件許可的情況下,盡量使在條件許可的情況下,盡量使 fc 增大增大。 另一種方法是把另一種方法是把Tx擴(kuò)大擴(kuò)大m倍倍。形成的。形成的閘門(mén)時(shí)間閘門(mén)時(shí)間為為mTx,以它,以它控制主門(mén)開(kāi)啟,實(shí)施計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果為控制主門(mén)開(kāi)啟,實(shí)施計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器計(jì)

7、數(shù)結(jié)果為cxTmTN (5.3-65.3-6) 由于由于N1,并考慮式(,并考慮式(5.3-6),所以),所以 xcmTTNN (5.3-75.3-7) 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量上式表明了上式表明了量化誤差降低了量化誤差降低了m倍倍。9將式將式(5.3-6)代入式代入式(5.3-5)得得 xcccxcccxxTmfffmTTffTT1(5.3-85.3-8) 擴(kuò)大待測(cè)信號(hào)的周期為擴(kuò)大待測(cè)信號(hào)的周期為mTx,稱(chēng)作,稱(chēng)作“周期倍乘周期倍乘”,通常取,通常取m為為10i(i0,1,2,)。)。 例如上例被測(cè)信號(hào)周期例如上例被測(cè)信號(hào)周期Tx10s,即頻率為,即頻率為1

8、05Hz,若采用,若采用四級(jí)十分頻四級(jí)十分頻,把它分頻成,把它分頻成10Hz(周期為周期為105s),即周期倍乘,即周期倍乘m10000,這時(shí)測(cè)量周期的相對(duì)誤差,這時(shí)測(cè)量周期的相對(duì)誤差56671010101000010102 xxTT “周期倍乘周期倍乘”使周期測(cè)量精確度得到提高,但乘倍數(shù)受使周期測(cè)量精確度得到提高,但乘倍數(shù)受儀器顯示位數(shù)儀器顯示位數(shù)及及測(cè)量時(shí)間測(cè)量時(shí)間的限制。的限制。第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量10 測(cè)頻和測(cè)周期測(cè)頻和測(cè)周期的的原理及其誤差的表達(dá)式原理及其誤差的表達(dá)式都是相似的,都是相似的,但是從但是從信號(hào)的流通路徑信號(hào)的流通路徑來(lái)說(shuō)則完全不同。

9、來(lái)說(shuō)則完全不同。 測(cè)頻率時(shí),測(cè)頻率時(shí),標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間由由內(nèi)部基準(zhǔn)內(nèi)部基準(zhǔn)即晶體振蕩器產(chǎn)生。即晶體振蕩器產(chǎn)生。一般選用高精確度的晶振,采取防干擾措施以及穩(wěn)定觸發(fā)一般選用高精確度的晶振,采取防干擾措施以及穩(wěn)定觸發(fā)器的觸發(fā)電子,這樣使標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的誤差小到可以忽略。器的觸發(fā)電子,這樣使標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的誤差小到可以忽略。 測(cè)頻誤差測(cè)頻誤差主要決定于主要決定于量化誤差量化誤差( (即即1 1誤差誤差) )。 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量11 在測(cè)量周期時(shí),信號(hào)的流通路徑和測(cè)頻時(shí)完全相反,在測(cè)量周期時(shí),信號(hào)的流通路徑和測(cè)頻時(shí)完全相反,這時(shí)內(nèi)部的基準(zhǔn)信號(hào),在閘門(mén)時(shí)間信號(hào)控制下通過(guò)主門(mén),

10、這時(shí)內(nèi)部的基準(zhǔn)信號(hào),在閘門(mén)時(shí)間信號(hào)控制下通過(guò)主門(mén),進(jìn)入計(jì)數(shù)器。進(jìn)入計(jì)數(shù)器。 閘門(mén)時(shí)間信號(hào)則由被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形產(chǎn)生,它的寬度閘門(mén)時(shí)間信號(hào)則由被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形產(chǎn)生,它的寬度不僅決定于不僅決定于被測(cè)信號(hào)被測(cè)信號(hào)Tx,還與被測(cè)信號(hào)的,還與被測(cè)信號(hào)的幅度幅度、波形陡直波形陡直程度程度以及以及疊加噪聲情況疊加噪聲情況等有關(guān),而這些因素在測(cè)量過(guò)程中等有關(guān),而這些因素在測(cè)量過(guò)程中是無(wú)法預(yù)先知道的,因此測(cè)量周期的誤差因素比測(cè)量頻率是無(wú)法預(yù)先知道的,因此測(cè)量周期的誤差因素比測(cè)量頻率時(shí)要多。時(shí)要多。 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量12 在測(cè)量周期時(shí),被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后作為時(shí)間閘門(mén)的在測(cè)量周

11、期時(shí),被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后作為時(shí)間閘門(mén)的控制信號(hào)控制信號(hào)(簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)門(mén)控信號(hào)門(mén)控信號(hào)),因此,噪聲將影響,因此,噪聲將影響門(mén)控信號(hào)門(mén)控信號(hào)(即即Tx)的準(zhǔn)確性,造成所謂的準(zhǔn)確性,造成所謂觸發(fā)誤差觸發(fā)誤差。 tgUTn 1(5.3-85.3-8) tgUTn 2(5.3-95.3-9) 圖圖5.35.33 3 觸發(fā)誤差示意圖觸發(fā)誤差示意圖第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量13 如下圖所示,若被測(cè)正弦信號(hào)為正常的情況,在過(guò)零時(shí)如下圖所示,若被測(cè)正弦信號(hào)為正常的情況,在過(guò)零時(shí)刻觸發(fā),則刻觸發(fā),則開(kāi)門(mén)時(shí)間為開(kāi)門(mén)時(shí)間為T(mén)x。若存在噪聲,有可能使。若存在噪聲,有可能使觸發(fā)時(shí)間觸發(fā)時(shí)間

12、提前提前T1,也有可能使,也有可能使觸發(fā)時(shí)間延遲觸發(fā)時(shí)間延遲T2。 若粗略分析,設(shè)正弦波形過(guò)零點(diǎn)的斜率為若粗略分析,設(shè)正弦波形過(guò)零點(diǎn)的斜率為tg,角如圖中角如圖中虛線(xiàn)所標(biāo),則得虛線(xiàn)所標(biāo),則得 tgUTn 1(5.3-85.3-8) tgUTn 2(5.3-95.3-9) 圖圖5.35.33 3 觸發(fā)誤差示意圖觸發(fā)誤差示意圖第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量14 式中式中 Ux 為被測(cè)信號(hào)上疊加的噪聲為被測(cè)信號(hào)上疊加的噪聲“振幅值振幅值”。當(dāng)被測(cè)信號(hào)為。當(dāng)被測(cè)信號(hào)為正弦波,即正弦波,即 tUuxmxsin門(mén)控電路觸發(fā)電平為門(mén)控電路觸發(fā)電平為Up ,則,則 mpmxpxmx

13、pxmxttuuxUUUTtUTtUfdtdutgpxpx12sin12cos22, (5.3-105.3-10) 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量15將式將式(5.310)代入式代入式(5.38)、(5.39),可得,可得 22112 mpmxnUUUTUTT (5.3-115.3-11) 因?yàn)橐话汩T(mén)電路采用因?yàn)橐话汩T(mén)電路采用過(guò)零觸發(fā)過(guò)零觸發(fā),即,即 Up0,因此,因此mnxUUTTT 221(5.3-125.3-12) 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量16極限情況下,開(kāi)門(mén)起點(diǎn)將極限情況下,開(kāi)門(mén)起點(diǎn)將提前提前T1,關(guān)門(mén)終點(diǎn)將,關(guān)門(mén)終點(diǎn)將延遲

14、延遲T2,或者,或者相反。根據(jù)隨機(jī)誤差的合成定律,可得總的相反。根據(jù)隨機(jī)誤差的合成定律,可得總的觸發(fā)誤差觸發(fā)誤差 mnxmnxnUUTUUTTTT 2222221 (5.3-135.3-13) 如前類(lèi)似分析,若如前類(lèi)似分析,若門(mén)控信號(hào)周期擴(kuò)大門(mén)控信號(hào)周期擴(kuò)大k倍倍,則由隨機(jī)噪聲引起的,則由隨機(jī)噪聲引起的觸發(fā)觸發(fā)相對(duì)誤差相對(duì)誤差可降低為可降低為mnxxUUkTT 21(5.3-145.3-14) 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量上式表明:上式表明:測(cè)量周期時(shí)的觸發(fā)誤差與信噪比成反比測(cè)量周期時(shí)的觸發(fā)誤差與信噪比成反比。例如:例如:UmUn10時(shí),時(shí),TnTx2.310-2

15、。17可以看出,可以看出,信噪比越大時(shí)其觸發(fā)誤差就越小信噪比越大時(shí)其觸發(fā)誤差就越小。若對(duì)引起觸。若對(duì)引起觸發(fā)誤差主要因素分別單獨(dú)考慮,由式發(fā)誤差主要因素分別單獨(dú)考慮,由式(5.3-8)式式(5.3-11)可可看出:看出:信號(hào)過(guò)零點(diǎn)斜率信號(hào)過(guò)零點(diǎn)斜率(tg)值大,則在相同噪聲幅度值大,則在相同噪聲幅度Un條條件下,引起的件下,引起的T1、T2小,從而使觸發(fā)誤差就小;信號(hào)小,從而使觸發(fā)誤差就??;信號(hào)過(guò)零點(diǎn)斜率一定,則噪聲幅度大時(shí)引起的觸發(fā)誤差大。過(guò)零點(diǎn)斜率一定,則噪聲幅度大時(shí)引起的觸發(fā)誤差大。 圖圖5.35.33 3 觸發(fā)誤差示意圖觸發(fā)誤差示意圖第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位

16、的測(cè)量18圖圖5.35.33 3 觸發(fā)誤差示意圖觸發(fā)誤差示意圖由此推知:信號(hào)幅度由此推知:信號(hào)幅度Um大時(shí)引起的觸發(fā)誤差??;大時(shí)引起的觸發(fā)誤差??;觸發(fā)誤差還與觸發(fā)器的觸發(fā)靈敏度有關(guān),若觸發(fā)器的觸發(fā)觸發(fā)誤差還與觸發(fā)器的觸發(fā)靈敏度有關(guān),若觸發(fā)器的觸發(fā)靈敏度高,可以想見(jiàn),一個(gè)小的噪聲擾動(dòng),就可使觸發(fā)器靈敏度高,可以想見(jiàn),一個(gè)小的噪聲擾動(dòng),就可使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),所以在相同的其他條件下,觸發(fā)器觸發(fā)靈敏度高,翻轉(zhuǎn),所以在相同的其他條件下,觸發(fā)器觸發(fā)靈敏度高,則引起的觸發(fā)誤差大。則引起的觸發(fā)誤差大。 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量19分析至此,若分析至此,若考慮噪聲引起的觸發(fā)誤差考慮

17、噪聲引起的觸發(fā)誤差,那么,用電,那么,用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量信號(hào)周期的子計(jì)數(shù)器測(cè)量信號(hào)周期的誤差誤差共有三項(xiàng),即共有三項(xiàng),即量化誤差量化誤差( (l l誤差誤差) )、標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差、觸發(fā)誤差觸發(fā)誤差。在求總誤差時(shí),。在求總誤差時(shí),若按最大誤差考慮,可進(jìn)行絕對(duì)值相加,即若按最大誤差考慮,可進(jìn)行絕對(duì)值相加,即 mncccxxxUUkfffkTTT 211(5.3-155.3-15) 式中式中k k為為“周期倍乘周期倍乘”數(shù)數(shù) 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量20三、中界頻率三、中界頻率式式 表明,被測(cè)信號(hào)頻率表明,被測(cè)信號(hào)頻率 fx 越高,用越高,用計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率的

18、計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率的精確度精確度越高。越高。而式而式 表明,被測(cè)信號(hào)表明,被測(cè)信號(hào)周期周期Tx越越長(zhǎng),用長(zhǎng),用計(jì)數(shù)法測(cè)量周期計(jì)數(shù)法測(cè)量周期的測(cè)量精確度越高,顯然二者結(jié)的測(cè)量精確度越高,顯然二者結(jié)論是對(duì)立的。因?yàn)檎撌菍?duì)立的。因?yàn)轭l率與周期頻率與周期有互為倒數(shù)關(guān)系。有互為倒數(shù)關(guān)系。 所以頻率、周期的測(cè)量可以相互轉(zhuǎn)換,即測(cè)頻率后經(jīng)所以頻率、周期的測(cè)量可以相互轉(zhuǎn)換,即測(cè)頻率后經(jīng)倒數(shù)運(yùn)算得到周期;測(cè)出周期再經(jīng)倒數(shù)運(yùn)算得到頻率。倒數(shù)運(yùn)算得到周期;測(cè)出周期再經(jīng)倒數(shù)運(yùn)算得到頻率。第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量 ccxxxffTfff1 xcccccxxTTffNffTT121 這里的這

19、里的高頻、低頻高頻、低頻是以所謂的是以所謂的“中界頻率中界頻率”為界劃分為界劃分的。的?!爸薪珙l率中界頻率”指對(duì)某信號(hào)使用計(jì)數(shù)法測(cè)頻與測(cè)周期計(jì)算得頻指對(duì)某信號(hào)使用計(jì)數(shù)法測(cè)頻與測(cè)周期計(jì)算得頻率,兩者引起的誤差相等,則該信號(hào)的頻率定義為率,兩者引起的誤差相等,則該信號(hào)的頻率定義為中界頻率中界頻率,記為記為 f0 。第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量三、中界頻率三、中界頻率22在忽略周期測(cè)量時(shí)的在忽略周期測(cè)量時(shí)的觸發(fā)誤差觸發(fā)誤差,根據(jù)上面所述中界頻率的定,根據(jù)上面所述中界頻率的定義,考慮:義,考慮: 的關(guān)系的關(guān)系,xxxxffTT/ 令式令式(5.2-12)與式與式(5.3-

20、5)取絕對(duì)值相等取絕對(duì)值相等 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量ccxxcccffTfTTff 1(5.3-165.3-16) 將上式中將上式中 fx 換為換為中界頻率中界頻率 f0,Tx 換為換為T(mén)0 再寫(xiě)為再寫(xiě)為1/f0 ,Tc 寫(xiě)為寫(xiě)為 1/fc, 則式(則式(5.3-16) 可寫(xiě)為可寫(xiě)為T(mén)fffc001 由式由式(5.3-17)(5.3-17)解得解得中界頻率中界頻率(5.3-175.3-17) Tffc 0(5.3-185.3-18) 三、中界頻率三、中界頻率23 若若測(cè)量頻率測(cè)量頻率時(shí)以時(shí)以擴(kuò)大閘門(mén)時(shí)間擴(kuò)大閘門(mén)時(shí)間n倍倍(擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)周期擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)周期n倍

21、倍)來(lái)提高頻率測(cè)量精確度,這時(shí),式來(lái)提高頻率測(cè)量精確度,這時(shí),式(5.2-12)變?yōu)樽優(yōu)?ccxxxffTnfff1(5.3-19) 若若測(cè)量周期測(cè)量周期時(shí)以時(shí)以擴(kuò)大閘門(mén)時(shí)間擴(kuò)大閘門(mén)時(shí)間k倍倍(擴(kuò)大待測(cè)信號(hào)周期擴(kuò)大待測(cè)信號(hào)周期k倍倍),來(lái)提高周期測(cè)量精確度,這時(shí)式來(lái)提高周期測(cè)量精確度,這時(shí)式(5.3-5)變?yōu)樽優(yōu)?ccxcxxffkTTTT(5.3-20) 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量三、中界頻率三、中界頻率24 仿對(duì)式仿對(duì)式(5.3-18)的推導(dǎo)過(guò)程,可得的推導(dǎo)過(guò)程,可得中界頻率中界頻率更一般的定義式,更一般的定義式, 即即nTkffco (5.3-215.3-

22、21) T 為為直接測(cè)頻直接測(cè)頻時(shí)選用的時(shí)選用的閘門(mén)時(shí)間閘門(mén)時(shí)間。若若knl,式,式(5.321)就成了式就成了式(5.318)。 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量三、中界頻率三、中界頻率25例例5.31 某電子計(jì)數(shù)器,若可取的最大的某電子計(jì)數(shù)器,若可取的最大的T、fc 值分別為值分別為10s、100MHz,并取,并取k104,試確定該儀器可以選擇的中界頻率,試確定該儀器可以選擇的中界頻率 f0。 解:解: 將題目中的條件代入式將題目中的條件代入式(5.3-21),得,得kHznTkffco62.3110100100104 所以本儀器可選擇的所以本儀器可選擇的中界頻率

23、中界頻率 f0 31.62 kHz。 因此用該儀器測(cè)量低于因此用該儀器測(cè)量低于31.62 kHz 信號(hào)頻率時(shí),最好采用測(cè)信號(hào)頻率時(shí),最好采用測(cè)周期的方法。周期的方法。 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量265 54 4 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔 在對(duì)信號(hào)波形在對(duì)信號(hào)波形時(shí)域參數(shù)時(shí)域參數(shù)測(cè)量時(shí),經(jīng)常需要測(cè)量測(cè)量時(shí),經(jīng)常需要測(cè)量信號(hào)信號(hào)波形上升邊、下降邊時(shí)間、脈沖寬度、波形起伏波動(dòng)的時(shí)波形上升邊、下降邊時(shí)間、脈沖寬度、波形起伏波動(dòng)的時(shí)間區(qū)間及人們所感興趣的波形中兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔間區(qū)間及人們所感興趣的波形中兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔等。等。上述諸多所要求的測(cè)量,

24、都可歸納為上述諸多所要求的測(cè)量,都可歸納為時(shí)間間隔時(shí)間間隔的測(cè)量。時(shí)的測(cè)量。時(shí)間間隔的測(cè)量與上節(jié)討論的間間隔的測(cè)量與上節(jié)討論的信號(hào)周期信號(hào)周期的測(cè)量類(lèi)似,本節(jié)著的測(cè)量類(lèi)似,本節(jié)著重討論重討論計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔的原理和誤差分析。的原理和誤差分析。 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量27一、時(shí)間間隔測(cè)量原理一、時(shí)間間隔測(cè)量原理 下圖為下圖為測(cè)量時(shí)間間隔測(cè)量時(shí)間間隔的原理框圖。它有兩個(gè)獨(dú)立的通的原理框圖。它有兩個(gè)獨(dú)立的通道輸入,即道輸入,即A通道與通道與B通道通道。 一個(gè)通道產(chǎn)生打開(kāi)時(shí)間閘門(mén)的觸發(fā)脈沖,另一個(gè)通道一個(gè)通道產(chǎn)生打開(kāi)時(shí)間閘門(mén)的觸發(fā)脈沖,另一個(gè)通道

25、產(chǎn)生關(guān)閉時(shí)間閘門(mén)的觸發(fā)脈沖。對(duì)兩個(gè)通道的斜率開(kāi)關(guān)產(chǎn)生關(guān)閉時(shí)間閘門(mén)的觸發(fā)脈沖。對(duì)兩個(gè)通道的斜率開(kāi)關(guān)和觸發(fā)電平作不同的選擇和調(diào)節(jié),就可測(cè)量一個(gè)波形下和觸發(fā)電平作不同的選擇和調(diào)節(jié),就可測(cè)量一個(gè)波形下任意兩點(diǎn)間的相同間隔。任意兩點(diǎn)間的相同間隔。第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量28 每個(gè)通道都有一個(gè)每個(gè)通道都有一個(gè)倍乘器倍乘器或或衰減器衰減器,觸發(fā)電平調(diào)節(jié)和,觸發(fā)電平調(diào)節(jié)和觸發(fā)斜率選擇的門(mén)電路圖中開(kāi)關(guān)觸發(fā)斜率選擇的門(mén)電路圖中開(kāi)關(guān)K用于選擇二個(gè)通道輸入用于選擇二個(gè)通道輸入信號(hào)的種類(lèi)。信號(hào)的種類(lèi)。 K在在“1”位置位置時(shí),兩個(gè)通道輸入相同的信號(hào),測(cè)量同時(shí),兩個(gè)通道輸入相同的信號(hào),測(cè)

26、量同一波形中兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔;一波形中兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔; K在在“2”位置位置時(shí),輸入不同的波形,測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)間時(shí),輸入不同的波形,測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)間的時(shí)間間隔。在開(kāi)門(mén)期間,對(duì)頻率為的時(shí)間間隔。在開(kāi)門(mén)期間,對(duì)頻率為 fc 或或 nfc 的時(shí)標(biāo)脈沖的時(shí)標(biāo)脈沖計(jì)數(shù),這與測(cè)周期時(shí)計(jì)數(shù)的情況相似。計(jì)數(shù),這與測(cè)周期時(shí)計(jì)數(shù)的情況相似。第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量一、時(shí)間間隔測(cè)量原理一、時(shí)間間隔測(cè)量原理29 框圖中框圖中衰減器衰減器將大信號(hào)減低到觸發(fā)電平允許的范圍內(nèi)。將大信號(hào)減低到觸發(fā)電平允許的范圍內(nèi)。 A和和B兩個(gè)通道的兩個(gè)通道的觸發(fā)斜率觸發(fā)斜率可任意選擇為正或負(fù),觸可任意選擇為

27、正或負(fù),觸發(fā)電平可分別調(diào)節(jié)。發(fā)電平可分別調(diào)節(jié)。觸發(fā)電路觸發(fā)電路用來(lái)將輸入信號(hào)和觸發(fā)電平用來(lái)將輸入信號(hào)和觸發(fā)電平進(jìn)行比較,以產(chǎn)生啟動(dòng)和停止脈沖。進(jìn)行比較,以產(chǎn)生啟動(dòng)和停止脈沖。 圖圖5.45.4l l 測(cè)量時(shí)間間隔的原理框圖測(cè)量時(shí)間間隔的原理框圖 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量一、時(shí)間間隔測(cè)量原理一、時(shí)間間隔測(cè)量原理30 如需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入信號(hào)如需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入信號(hào)u1和和u2之間的時(shí)間間隔,之間的時(shí)間間隔,可使可使K置置“2”,兩個(gè)通道的,兩個(gè)通道的觸發(fā)斜率都選為觸發(fā)斜率都選為“+”。 當(dāng)分別用當(dāng)分別用Ul和和U2完成完成開(kāi)門(mén)開(kāi)門(mén)和和關(guān)門(mén)關(guān)門(mén)來(lái)對(duì)時(shí)標(biāo)脈沖進(jìn)來(lái)對(duì)時(shí)標(biāo)脈

28、沖進(jìn)行計(jì)數(shù),便能測(cè)行計(jì)數(shù),便能測(cè)U2對(duì)于對(duì)于Ul的時(shí)間延遲的時(shí)間延遲tg,如圖,如圖5.4-2所示,所示,即完成了兩輸入信號(hào)即完成了兩輸入信號(hào)u1和和u2之間的時(shí)間間隔的測(cè)量。之間的時(shí)間間隔的測(cè)量。圖圖5.45.42 2測(cè)量?jī)尚盘?hào)的時(shí)間間隔測(cè)量?jī)尚盘?hào)的時(shí)間間隔 圖圖5.45.43 3測(cè)量同一信號(hào)任意兩點(diǎn)的時(shí)間間隔測(cè)量同一信號(hào)任意兩點(diǎn)的時(shí)間間隔 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量一、時(shí)間間隔測(cè)量原理一、時(shí)間間隔測(cè)量原理31 若需要測(cè)量某一個(gè)輸入信號(hào)上任意兩點(diǎn)之間的時(shí)若需要測(cè)量某一個(gè)輸入信號(hào)上任意兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔,則把間間隔,則把K置置“1”位位,如圖,如圖5.4-3(a

29、)、(b)所示。圖所示。圖(a)情況,兩通道的情況,兩通道的觸發(fā)斜率也都選觸發(fā)斜率也都選“+”,Ul、U2分別分別為為開(kāi)門(mén)開(kāi)門(mén)和和關(guān)門(mén)電平關(guān)門(mén)電平。圖。圖(b)情況,開(kāi)門(mén)通道的觸發(fā)斜率情況,開(kāi)門(mén)通道的觸發(fā)斜率選選“+”,關(guān)門(mén)通道的觸發(fā)斜率選,關(guān)門(mén)通道的觸發(fā)斜率選“-”同樣,同樣, Ul、U2分分別為開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)電平。別為開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)電平。 圖圖5.45.42 2測(cè)量?jī)尚盘?hào)的時(shí)間間隔測(cè)量?jī)尚盘?hào)的時(shí)間間隔 圖圖5.45.43 3測(cè)量同一信號(hào)任意兩點(diǎn)的時(shí)間間隔測(cè)量同一信號(hào)任意兩點(diǎn)的時(shí)間間隔 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量一、時(shí)間間隔測(cè)量原理一、時(shí)間間隔測(cè)量原理32二、誤差分析

30、二、誤差分析 電子計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器測(cè)量時(shí)間間隔的測(cè)量時(shí)間間隔的誤差誤差與測(cè)周期時(shí)類(lèi)與測(cè)周期時(shí)類(lèi)似,它主要由似,它主要由量化誤差量化誤差、觸發(fā)誤差觸發(fā)誤差和和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差三三部分構(gòu)成。部分構(gòu)成。 由測(cè)量原理框圖由測(cè)量原理框圖5.4-l可以看出,測(cè)時(shí)間間隔不能可以看出,測(cè)時(shí)間間隔不能像測(cè)周期那樣可以把像測(cè)周期那樣可以把被測(cè)時(shí)間被測(cè)時(shí)間Tx擴(kuò)大擴(kuò)大k倍倍來(lái)減小量化來(lái)減小量化誤差。誤差。 所以,測(cè)量時(shí)間間隔的誤差一般來(lái)說(shuō)要比測(cè)周期所以,測(cè)量時(shí)間間隔的誤差一般來(lái)說(shuō)要比測(cè)周期時(shí)大。下面作具體分析。時(shí)大。下面作具體分析。 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量33設(shè)測(cè)量時(shí)間間隔的真值即設(shè)測(cè)量時(shí)間間隔的真值即閘門(mén)時(shí)間閘門(mén)時(shí)間為為T(mén)x,偏差偏差為為T(mén)x,并考慮被測(cè)信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí)的觸發(fā)誤差,類(lèi)似測(cè)量并考慮被測(cè)信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí)的觸發(fā)誤差,類(lèi)似測(cè)量周期時(shí)的推導(dǎo)過(guò)程,可得測(cè)量時(shí)間間隔時(shí)誤差表示式周期時(shí)的推導(dǎo)過(guò)程,可得測(cè)量時(shí)間間隔時(shí)誤差表示式為為 mncccxxxUUfffTTT 211(5.4-15.4-1) Um、Un分別為分別為被測(cè)信號(hào)被測(cè)信號(hào)、噪聲噪聲的幅值。的幅值。 第五章第五章 時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量時(shí)間、頻率和相位的測(cè)量二、誤差分析二、誤差分析量化誤差量

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