《電子測量實用技術》模塊6頻率與時間測量

電子測量實用技術問題1：如圖與門電路，輸入端A、B的輸入波形如圖所示，試畫出輸出端F的波形。&ABFBAF電子測量實用技術問題2：什么叫頻率準確度？什么叫頻率穩(wěn)定度？二者的關系如何？頻率準確度：頻率穩(wěn)定度：準確度與穩(wěn)定度的關系：頻率準確度是由主振蕩器的頻率穩(wěn)定度來保證的，頻率穩(wěn)定度是一個信號發(fā)生器的重要指標，一般穩(wěn)定度應比所要求的頻率準確度高1~2個數(shù)量級。電子測量實用技術模塊提示：時間和頻率是電子技術中兩個重要的參量，許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都與時間和頻率有著密切的關系；在檢測技術中，還常常將一些非電量轉(zhuǎn)換成頻率進行測量；許多科學技術領域都需要準確確定時間和頻率。因此說，時間和頻率的測量已經(jīng)成為電子測量的一個重要方面，其中頻率又是最準確、最穩(wěn)定的一個量。頻率計就是時間、頻率測量的精密儀器，掌握它的工作原理和使用方法是我們學習這一模塊的最終目的。模塊6時間與頻率測量電子測量實用技術6.1概述6.2通用電子計數(shù)器6.3等精度時間/頻率測量6.4TFC1000L型多功能等精度頻率計6.5頻率計的使用和讀測模塊總結(jié)與歸納模塊學習要點：

電子測量實用技術重點：

電子計數(shù)器測頻、測周、測量時間間隔、相位差、測量頻率比、累加計數(shù)及自校的方法。難點：

電子計數(shù)器測頻、測周的誤差分析；提高測量準確度的方法。測量任務：頻率計的使用與讀測電子測量實用技術6.1概述6.1.1時間與頻率概述

1.時間和頻率的含義時間有兩個含義：“時刻”：即某個事件何時發(fā)生；“時間間隔”：即某段時間相對于某一時刻持續(xù)了多久。頻率的定義：周期信號在單位時間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時間間隔t內(nèi)周期信號重復變化了N次，則頻率可表達為：電子測量實用技術2.時間與頻率測量的特點最常見和最重要的測量(2)測量準確度高。(3)自動化程度高。(4)測量速度快。電子測量實用技術 3.時間與頻率測量的方法 出現(xiàn)并得到過應用的測頻方法與儀器主要有以下幾種： （1）諧振法：利用LC回路的諧振特性進行測頻,測頻范圍為0.5~1500MHz。 （2）外差法：改變標準信號頻率，使它與被測信號混合，取其差頻，當差頻為零時讀取頻率。這種外差式頻率計可測高達3000MHz的微弱信號的頻率，測頻精確度為10-6左右。 電子測量實用技術

（3）示波法：李沙育圖形法和測周期法

幾種常用的李沙育圖形

電子測量實用技術

（4）電子計數(shù)器法：直接計數(shù)單位時間內(nèi)被測信號的脈沖數(shù)，然后以數(shù)字形式顯示頻率值。這種方法測量精確度高、快速，適合不同頻率、不同精確度測頻的需要。電子測量實用技術6.1.2電子計數(shù)器概述電子計數(shù)器是利用數(shù)字電路技術輸出給定時間內(nèi)所通過的脈沖數(shù)并顯示計數(shù)結(jié)果的數(shù)字化儀器，是其它數(shù)字化儀器的基礎。在它的輸入通道接入各種?！獢?shù)變換器，再利用相應的換能器便可制成各種數(shù)字化儀器。電子測量實用技術1.電子計數(shù)器的分類

(1)按功能可以分為如下四類：

1)通用計數(shù)器：是多用途的計數(shù)器，可測量頻率、頻率比、周期、時間間隔、累加計數(shù)及測量多周期平均值等。其測量功能可擴展。

電子測量實用技術

圖6.1E312B型系列通用計數(shù)器

電子測量實用技術2)頻率計數(shù)器：是測量高頻和微波頻率的計數(shù)器，其功能限于測頻和計數(shù)。但測頻范圍往往很寬(10Hz~12.4GHz)。圖6.2EE3382B1型頻率計數(shù)器電子測量實用技術3)時間計數(shù)器：以時間測量為基礎，可測量時間間隔。

(a)日本歐姆龍時間計數(shù)器H7EC(b)時間計數(shù)器DH48J圖6.3時間計數(shù)器電子測量實用技術

4)特種計數(shù)器

(a)NSJ-406B型可逆計數(shù)器(b)JDM72型預置計數(shù)器圖6.4特種計數(shù)器電子測量實用技術(2)按測量范圍可分為：1)低速計數(shù)器最高計數(shù)頻率不大于10MHz。2)中速計數(shù)器：計數(shù)頻率為10~100MHz。3)高速計數(shù)器：最高計數(shù)頻率高于100MHz。4)微波計數(shù)器：測量頻率范圍為1~80GHz或更高。(3)按用途可分為：測量用計數(shù)器和控制用計數(shù)器。電子測量實用技術2.電子計數(shù)器的主要技術指標測量范圍：一般幾mHz~幾十GHz。(2)準確度：可達10-9以上。(3)晶振頻率及穩(wěn)定度(4)輸入特性:耦合方式、最高輸入電壓、輸入電阻等。(5)閘門時間(測頻)和時標(測周)：由機內(nèi)時標信號源所提供的時間標準信號決定。(6)顯示及工作方式

包括顯示位數(shù)、顯示時間、顯示方式等。(7)輸出：包括儀器可輸出的時標信號種類、輸出數(shù)據(jù)的編碼方式及輸出電平等。50Ω低阻（高頻）和1MΩ/25pF高阻（低頻）電子測量實用技術

3.電子計數(shù)器的工作原理 計數(shù)是電子計數(shù)器最基本的功能。因此，盡管電子計數(shù)器的種類很多，但其基本的工作原理可用圖6.5所示的簡化方框圖加以說明。電子測量實用技術圖6.5電子計數(shù)器簡化方框圖待計數(shù)脈沖門控信號門控計數(shù)法閘門時間電子測量實用技術6.2通用電子計數(shù)器

所謂通用電子計數(shù)器是指具有測量頻率和時間兩種以上功能的電子計數(shù)器，一般具有測頻、測時、測周期、測頻率比和累加計數(shù)等功能。 電子測量實用技術6.2.1通用電子計數(shù)器的基本組成通用電子計數(shù)器的組成如圖6.7所示圖6.7通用電子計數(shù)器的基本組成框圖輸入通道主門電路

時間基準部分控制部分

門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等計數(shù)與顯示電路電子測量實用技術圖6.12頻率測量的原理框圖1.頻率測量頻率的測量實際上就是在單位時間內(nèi)對被測信號的變化次數(shù)進行累加計數(shù)。其原理框圖如圖6.12所示。6.2.2通用電子計數(shù)器的測量功能待計數(shù)脈沖時基信號S電子測量實用技術

例如，測量一輸入信號，選擇閘門時間為1s，計數(shù)器顯示數(shù)字為3000，則被測信號頻率為：電子測量實用技術表6.1閘門時間與顯示

測量中選擇不同的閘門時間，測量結(jié)果相同但有效數(shù)字位數(shù)不同，用E312A型通用計數(shù)器測一輸入頻率fx=100000Hz的信號，顯示電路所顯示讀數(shù)隨閘門時間的不同而不同，見表6.1。較長的閘門時間可以獲得較多的測量結(jié)果位數(shù)。對于輸入的低頻信號，閘門時間應選長一些，以保證閘門時間內(nèi)能計數(shù)足夠多的輸入信號脈沖。電子測量實用技術圖6.13周期測量的原理框圖2.周期測量周期是頻率的倒數(shù)，因此周期的測量和頻率的測量正好相反。其原理框圖如圖6.13所示。待計數(shù)脈沖時標信號被測信號的周期為：Tx=N

TC電子測量實用技術

在實際測量中，如果被測周期較短，為減少測量誤差，常采用多周期測量來讀取輸入信號周期平均值。方法是將被測信號周期擴大10n倍最終計數(shù)值除以10n，它實際上是多個被測周期的平均值，即

計數(shù)器通過選擇開關確定時標周期To和周期倍乘10n。電子測量實用技術*電子計數(shù)器面板及控鍵示意圖(1)功能選擇；(2)時間選擇；(3)輸入通道；(4)觸發(fā)選擇；(5)觸發(fā)電平；(6)數(shù)碼顯示器。電子測量實用技術

3.時間間隔測量時間間隔測量和周期的測量都是測量信號的時間，因此測量電路大體相同，所不同的是測量時間間隔需要B、C兩個通道分別送出起始和停止信號去控制門控雙穩(wěn)電路以形成閘門信號，其工作原理如圖6.14所示。電子測量實用技術圖6.14時間間隔測量的原理框圖時標信號開門信號關門信號B和C兩脈沖信號之間的時間間隔為：電子測量實用技術

選取兩個輸入信號的上升沿或下降沿的某電平點作為時間間隔的始點和終點，這樣就可以測量兩個輸入信號任意兩點之間的時間間隔，如圖6.15所示。電子測量實用技術圖6.15輸入信號任意兩點間的時間間隔測量示意圖電子測量實用技術

4.相位差測量相位差測量通常是指兩個同頻率的信號之間的相位差的測量。利用電子計數(shù)器也可進行相位差的測量，它是時間間隔測量的一個應用。瞬時值數(shù)字相位差測量原理框圖如圖6.16所示。圖6.16瞬時值數(shù)字相位差測量原理框圖電子測量實用技術圖6.17瞬時值數(shù)字相位差測量工作波形

其工作波形如圖6.17所示。電子測量實用技術

設被測信號周期為Tx，門控信號u3的寬度，亦即兩個信號相位差Δφ對應的時間為tφ，則式中，Ts為時標信號周期。由以上兩式可得：電子測量實用技術

為減小測量誤差，可利用觸發(fā)源選擇開關，第一次設置“+”，第二次設置為“－”，則兩次測量結(jié)果取平均值：再利用可得相位差。電子測量實用技術*電子計數(shù)器面板及控鍵示意圖(1)功能選擇；(2)時間選擇；(3)輸入通道；(4)觸發(fā)選擇；(5)觸發(fā)電平；(6)數(shù)碼顯示器。電子測量實用技術圖6.18頻率比測量原理框圖由：TB=NTA得:fA=NfB所以頻率比為:fA/fB=N高頻信號做時標信號低頻信號做時基信號5.頻率比fB/fA測量頻率比是指兩路信號源的頻率的比值。其測量原理與頻率、周期測量的原理類似，如圖6.18所示。電子測量實用技術

6.累加計數(shù)和計時 累加計數(shù)是電子計數(shù)器最基本的功能，是指在一段較長時間內(nèi)累加被測信號的脈沖個數(shù)，測量原理框圖如圖6.19所示。電子測量實用技術圖6.19累加計數(shù)和計時的原理框圖計數(shù)顯示為N，則計時值為T=NTC電子測量實用技術

7.自校 在使用電子計數(shù)器測量之前，應對電子計數(shù)器進行自校，一是檢驗電子計數(shù)器的邏輯關系是否正常，二是檢驗電子計數(shù)器能否準確地進行定量測量。自校的原理框圖如圖6.20所示。電子測量實用技術圖6.20電子計數(shù)器的自校原理框圖

計數(shù)器正常工作時，應顯示N=TS/TC。例如TC=1ns，TS=1s時，正常顯示的讀數(shù)應為1000000000，如果多次自校能穩(wěn)定顯示此值，則說明儀器工作正常。電子測量實用技術*電子計數(shù)器面板及控鍵示意圖(1)功能選擇；(2)時間選擇；(3)輸入通道；(4)觸發(fā)選擇；(5)觸發(fā)電平；(6)數(shù)碼顯示器。電子測量實用技術圖6.21量化誤差的形成 6.2.3通用電子計數(shù)器的測量誤差

1.測量誤差的來源——量化誤差、觸發(fā)誤差和標準誤差

(1)量化誤差—是所有數(shù)字化儀器都存在的計數(shù)誤差。如圖6.21是頻率測量時量化誤差的示意圖。電子測量實用技術

測頻時的相對量化誤差為：

如圖6.21所示，雖然閘門開啟時間都為T，但因為閘門開啟時刻不一樣，計數(shù)值一個為9，另一個卻為8，兩個計數(shù)值相差1。又稱±1誤差或±1字誤差，又稱計數(shù)誤差。

減小誤差的方法是增大N：一方面當被測信號頻率一定時，選用較長的閘門時間；另一方面當閘門時間一定時，提高被測信號的頻率。電子測量實用技術(2)觸發(fā)誤差

觸發(fā)誤差又稱轉(zhuǎn)換誤差。測量頻率時，需對被測信號進行放大、整形，轉(zhuǎn)換為計數(shù)脈沖；測量時間或周期時，也需對被測信號放大、整形，轉(zhuǎn)換為門控信號。由于輸入信號中干擾和噪聲的影響，以及利用施密特電路進行轉(zhuǎn)換時電路本身觸發(fā)電平的抖動，使得整形后的脈沖周期不等于被測信號的周期，由此產(chǎn)生的誤差稱為觸發(fā)誤差，誤差的大小與被測信號的大小和轉(zhuǎn)換電路的信噪比有關。電子測量實用技術圖6.22噪聲和干擾產(chǎn)生的觸發(fā)誤差

施密特電路有兩個觸發(fā)電平，被測信號進入輸入通道放大后，加至施密特觸發(fā)器。圖6.22(a)是不存在干擾信號和噪聲的輸出波形（規(guī)則的矩形）;圖6.22(b)是被測信號疊加了干擾，并且干擾較大，測量誤差很大，應視為壞值予以避免；圖6.22(c)疊加了干擾，但干擾不大，對測量周期影響大，對測量頻率影響小。

減小觸發(fā)誤差的方法:提高被測信號的信噪比；采用多周期測量法（即提高B通道分頻器分頻次數(shù)）。

電子測量實用技術

(3)標準頻率誤差電子計數(shù)器在測量頻率和時間時是以晶振產(chǎn)生的各種時標信號作為基準的。顯然，如果時標信號不穩(wěn)定，則會產(chǎn)生測量誤差，這種誤差稱為標準頻率誤差。測頻率時，稱為時基誤差；測周期時，稱為時標誤差。很小，可忽略其影響。

電子測量實用技術

2.測量誤差分析與提高測量精度的方法對頻率的影響：量化誤差。對周期的影響：量化誤差和觸發(fā)誤差。

(1)測頻誤差通過前面的介紹，測頻量化誤差可表示為：

提高測量精度的方法是增大N：A通道倍頻提高被測信號頻率；延長閘門時間；低頻信號先測周期再換算成頻率。電子測量實用技術 (2)測周誤差 測周誤差包括測周量化誤差和觸發(fā)誤差。

1)測周量化誤差。 參照式Tx=NTc

，以及對測頻量化誤差的分析，測周量化誤差為

提高測量精度的方法是增大N：A通道倍頻提高基準頻率；B通道分頻即延長閘門時間；該方法稱多周期測量法。低頻信號可直接測量。電子測量實用技術

2)測周觸發(fā)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：

m——為B通道分頻器的分頻系數(shù)

M——為輸入信號的信噪比。

減小測周觸發(fā)誤差的方法：

1.提高被測信號信噪比M；

2.采用多周期測量法（提高m）。電子測量實用技術(3)提高測量精度的方法1)選擇準確度和穩(wěn)定度高的晶振作為時標信號發(fā)生器，以減小標準頻率誤差。2)在不使計數(shù)器產(chǎn)生溢出的前提下，加大分頻器的分頻系數(shù)，擴大主門的開啟時間Ts，以減小量化誤差的影響。3)對隨機的計數(shù)誤差，可通過提高信噪比或調(diào)小通道增益來減小誤差程度。4)測高頻信號的頻率時，用測頻的方法直接讀取被測信號的頻率。測低頻信號的頻率時，先通過測周期的方法測出被測信號的周期，再換算成頻率。分別稱直接測頻法和測周測頻法。電子測量實用技術

中界頻率所謂高頻或低頻，是相對于電子計數(shù)器的中界頻率而言的。定義為：測量某信號的頻率時，若采用直接測頻法和測周測頻法誤差相等，則該信號的頻率為中界頻率。忽略隨機誤差，根據(jù)中界頻率的定義，可得到中界頻率的計算公式：TS——時基周期；fC——時標頻率。電子測量實用技術

例如，用電子計數(shù)器測量fx=2kHz信號的頻率，分別采用測頻（閘門時間為1s）和測周（晶振頻率fc=10MHz）兩種測量方法，由于量化誤差所引起的相對誤差如下： 測頻時，量化誤差為：

測周時，量化誤差為：電子測量實用技術

中界頻率為

5)多周期測量 所謂多周期測量法，是指在測量被測量的周期時，時間間隔的起點在一個信號上取出，終點在若干(N)個周期后的信號中取出，轉(zhuǎn)換誤差只有第一個和最后一個的轉(zhuǎn)換誤差，減小了原來的N倍，測周量化誤差也減小了N倍。所以經(jīng)“周期倍乘”后在進行周期測量，其測量精度大為提高。fX小于fo，測周法比測頻法誤差小。電子測量實用技術

除采取以上措施外，測量時還應注意以下事項：(1)每次測試前應先對儀器進行自校檢查，當顯示正常時再進行測試。

(2)當被測信號的信噪比較差時，應降低輸入通道的增益或加低通濾波器。

(3)為保證機內(nèi)晶體穩(wěn)定，應避免溫度有大的波動和機械振動，避免強的工業(yè)磁電干擾，儀器的接地應良好。電子測量實用技術6.3等精度時間/頻率測量

等精度時間/頻率測量技術也叫多周期同步測量技術，它是將被測信號經(jīng)輸入通道放大整形后產(chǎn)生的計數(shù)脈沖和由時基電路產(chǎn)生的時鐘計數(shù)脈沖分別在事件（E）計數(shù)器和時間（T）計數(shù)器中累加存放，然后根據(jù)預先編制好的管理程序，由微處理器對存儲在兩個計數(shù)器中的數(shù)據(jù)進行運算、比較等處理，并把處理結(jié)果送到顯示單元顯示。電子測量實用技術圖6.24等精度測量原理

實現(xiàn)等精度時間／頻率測量的儀器是等精度計數(shù)器。它主要由通道、同步電路、預定閘門時間控制電路以及運算單元等組成。電子測量實用技術

在閘門時間T內(nèi)，E計數(shù)器累計了個被測信號脈沖

T計數(shù)器累計了個時鐘脈沖由于兩個計數(shù)器對兩個頻率計數(shù)是在同一個同步閘門控制下進行的，由此可得到被測信號頻率為：

等精度測量的主要特點：不產(chǎn)生±1誤差；可取得較高的分辨力；可以獲得相對較高的測量精度；保證在同一閘門時間內(nèi)對不同頻率信號的等精度測量。電子測量實用技術6.4TFC1000L型多功能等精度頻率計6.4.1概述圖6.25TFC1000L多功能等精度頻率計電子測量實用技術 6.4.2技術指標1.測量方式

(1)頻率測量

(2)周期測量

(3)累計測試

(4)自檢

2.輸入特性

3.時基電子測量實用技術6.4.3工作原理

本儀器進行頻率、周期測量都是采用等精度的測量原理。如圖6.26所示。圖6.26TFC1000L型多功能等精度頻率計原理框圖電子測量實用技術 6.4.4使用方法

1.使用前的準備電源要求：AC-220V、50Hz。測量前預熱2