模塊四 時(shí)間與頻率的測(cè)量

模塊四時(shí)間與頻率的測(cè)量§4-1數(shù)字式頻率計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo)1、了解數(shù)字式頻率計(jì)的基本組成和主要技術(shù)指標(biāo)2、熟悉數(shù)字式頻率計(jì)的測(cè)量原理3、掌握數(shù)字式頻率計(jì)的使用數(shù)字式頻率計(jì)是一種用電子學(xué)方法測(cè)出一定時(shí)間間隔內(nèi)輸入的脈沖數(shù)目，并以數(shù)字形式顯示測(cè)量結(jié)果的測(cè)量?jī)x表。數(shù)字式頻率計(jì)的核心是電子計(jì)數(shù)器，其作用是在一定的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，以完成各種測(cè)量。實(shí)際上，它還可以進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量周期、平均周期、頻率比、時(shí)間間隔、累訂數(shù)、計(jì)時(shí)等其他操作。一、數(shù)字式頻率計(jì)的組成數(shù)字式頻率計(jì)一般由頻率/電壓(f/U)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字式電壓基本表配合組成。f/U轉(zhuǎn)換器的作用是將被測(cè)頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后送入數(shù)字式電壓基本表進(jìn)行測(cè)量，其工作程序如圖4-1-1所示。f/U轉(zhuǎn)換器主要由6部分組成，各部分的名稱及功能見表4-1。圖4-1-1數(shù)字式頻率計(jì)的工作方框圖表4-1f/U轉(zhuǎn)換器的組成及各組成部分的功能組成部分功能放大整形電路能把各種不同波形和幅值的被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅值相等、頻率與被測(cè)信號(hào)頻率相同的計(jì)數(shù)脈沖

石英晶體振蕩器可輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的振蕩信號(hào)。如產(chǎn)生非常穩(wěn)定的32768Hz的振蕩信號(hào)分頻器將石英晶體振蕩器產(chǎn)生的高頻信號(hào)經(jīng)分頻器分頻后，獲得周期為1s的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，送入控制門電路控制門受分頻器送來的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的控制打開或關(guān)閉?？刂崎T打開時(shí)，被測(cè)計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)控制門送入分壓濾波電路；控制門關(guān)閉，被測(cè)計(jì)數(shù)脈沖無法通過控制門分壓濾波電路將由控制門電路送來的被測(cè)脈沖經(jīng)分壓、濾波后，獲得平均值電壓。由于控制門電路打開時(shí)間是固定的（1s），所以，被測(cè)頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)通過控制門的脈沖數(shù)越多，獲得的平均值電壓越高。顯然，在f/U轉(zhuǎn)換器中，平均值電壓U與f成正比關(guān)系從f/U轉(zhuǎn)換器輸出的、與被測(cè)頻率成正比的直流電壓直接送到數(shù)字式直流電壓表即可測(cè)量出被測(cè)信號(hào)的頻率。二、數(shù)字式頻率計(jì)的工作原理被測(cè)信號(hào)fx經(jīng)放大整形后成為計(jì)數(shù)脈沖CP（如圖4-1-2a和b所示），送到控制門。由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)經(jīng)分頻器分頻后輸出時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)Ta，并打開控制門，如果控制門打開的時(shí)間正好是1s,則通過控制門送入計(jì)數(shù)器的CP脈沖個(gè)數(shù)，就是被測(cè)信號(hào)的頻率。這就是數(shù)字式頻率表的基本工作原理。顯然，頻率表顯示的是在T這段時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)的平均值。a在數(shù)字式頻率計(jì)中，控制門每打開一次，就完成一個(gè)測(cè)量過程，過程結(jié)束自動(dòng)回到零位，接著重復(fù)下一個(gè)測(cè)量過程。換句話說，控制門每開閉一次，顯示器就顯示一次被測(cè)信號(hào)的頻率，而且控制門開閉的時(shí)間間隔可以調(diào)節(jié)。于是，數(shù)字式頻率表就會(huì)以不同的速度重復(fù)閃動(dòng)，顯示出被測(cè)信號(hào)的頻率。

三、數(shù)字式頻率計(jì)的使用(一)HC-F1000L數(shù)字頻率計(jì)的介紹圖4-1-2前面板圖電源要求電源要求AC220V土10%,50Hz單相，最大消耗功率10肌測(cè)量前預(yù)熱20min以保證晶體振蕩的頻率穩(wěn)定。前面板特性前面板圖如圖4-1-2所示。電源開關(guān)(POWER)儀器220V電源開關(guān)。復(fù)位按鈕(RESET)整機(jī)復(fù)位。當(dāng)儀器工作不正常時(shí)，可按復(fù)位按鈕。功能健FAA通道測(cè)頻功能。用于1Hz?100MHz信號(hào)頻率的測(cè)量。功能鍵FBB通道測(cè)頻功能。用于100MHz?1GHz信號(hào)頻率的測(cè)量。功能鍵PAA通道測(cè)周功能。用于1Hz?100MHz信號(hào)周期的測(cè)量。閘門時(shí)間0.001s(GT0.001s)測(cè)量時(shí)閘門開啟時(shí)間為0.001s，測(cè)量結(jié)果為六位。閘門時(shí)間0.01s(GT0.01s)測(cè)量時(shí)閘門開啟時(shí)間為0.01s,測(cè)量結(jié)果為七位。閘門時(shí)間0.1s(GT0.1s)測(cè)量時(shí)閘門開啟時(shí)間為0.1s，測(cè)量結(jié)果為八位。低通濾波(LPFOUT/IN)A通道低通濾波器，截至頻率約100kHz。衰減(ATTX1/X20)A通道衰減，截止頻率約100KHz。閘門指示燈指示燈亮表示閘門開啟。溢出指示燈指示燈亮表示測(cè)量結(jié)果溢出，超過正常測(cè)量范圍。顯示屏8位LED數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果。HZ頻率測(cè)量結(jié)果的單位為Hz。KHZ頻率測(cè)量結(jié)果的單位為KHz。MHZ頻率測(cè)量結(jié)果的單位為MHz。ps周期測(cè)量結(jié)果的單位ps。A通道輸入端通道阻抗為1M。，35PF。輸入頻率低于100MHz的信號(hào)。B通道輸入端通道阻抗為50。.輸入頻率為100MHz?1GHz的信號(hào)。后面板特性后面板圖如圖4-1-3所示。圖4-1-3后面板圖標(biāo)頻輸出端輸出內(nèi)標(biāo)頻信號(hào)，f°=10MHz,TTL電平。電源輸入端220v±10%交流，50Hz市電。保險(xiǎn)0.3A。(二)HC-F1000L數(shù)字頻率計(jì)的使用1、測(cè)試前的準(zhǔn)備(1)把儀器電源插頭和供電插座連接，檢查后面板內(nèi)外接選擇開關(guān)位置，一般開關(guān)置于“內(nèi)接”位置，如圖4-1-4所示。圖4-1-4【小提示】確認(rèn)市電電壓在220V±10%范圍內(nèi)，方可將電源插頭插入本機(jī)后面面板的電源插座內(nèi)(2)打開電源開關(guān)，此時(shí)儀器對(duì)數(shù)碼管每段進(jìn)行測(cè)試,單位指示燈全部亮。5s后進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。如果功能開關(guān)和閘門時(shí)間開關(guān)未設(shè)置，則顯示全0，單位指示燈全亮。需對(duì)儀器進(jìn)行正確的設(shè)置，如圖4-1-5所示。圖4-1-52、頻率測(cè)量(1)首先把輸入信號(hào)接至輸入A通道輸入端，如圖4-1-6所示。圖4-1-6【小提示】當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率范圍在fx=1Hz?100MHz時(shí)用入輸入通道(2)估計(jì)被測(cè)信號(hào)的幅度。若信號(hào)幅度大于10V，將衰減器打至“X20”,以防燒壞通道電路，如圖4-1-7所示。圖4-1-7【小提示】可選擇不同的閘門時(shí)間得到所需要的分辨率設(shè)定功能開關(guān)在FA位置，如圖4-1-8所示。圖4-1-8【小提示】當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率范圍在100MHZ~1GHZ時(shí)用FB輸入通道，把輸入信號(hào)接至輸入FB插座；設(shè)置頻率FB功能開關(guān)；使用門時(shí)選擇開關(guān)選擇所需要的分頻率.接入信號(hào)源，如圖4-1-9所示。圖4-1-9【小提示】

若測(cè)量頻率較低(低于100KHz)且信號(hào)高頻噪聲較大，可使用低通濾波LPF(低通濾波器)顯示器顯示頻率值，在每次測(cè)量過程中閘門燈亮，而測(cè)量間隔的末尾更新顯示結(jié)果.如圖4-1-10所示。圖4-1-103、周期測(cè)量估計(jì)被測(cè)信號(hào)的幅度.若信號(hào)幅大于10V,將衰減器打至“X20”，以防燒壞通道電路，如圖4-1-11所示。圖4-1-11【小提示】用A輸入通道，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率范圍在1Hz?100MHz時(shí)測(cè)量把輸入信號(hào)接至輸入FA通道輸入端，如圖4-1-12所示。圖4-1-12(3)設(shè)定功能開關(guān)在PA位置，如圖4-1-13所示。圖4-1-13【小提示】可選擇不同的閘門時(shí)間得到所需要的分辨率（4）顯示器顯示周期值.在每次測(cè)量過程中閘門燈亮，而測(cè)量間隔的末尾更新顯示結(jié)果，如圖4-1-14所示。圖4-1-14【小提示】若顯示Err，表示測(cè)量出錯(cuò)，可按復(fù)位鍵，如果仍然出錯(cuò)，則需要修理。所加的輸入信號(hào)電壓大于“技術(shù)指標(biāo)”中所列的限制將會(huì)損壞頻率計(jì)。因此在接入輸入信號(hào)之前，必須確保其不大于儀器所能接受的最大值。§4-2掃頻儀學(xué)習(xí)目標(biāo)1、了解掃頻儀的基本組成和主要技術(shù)指標(biāo)2、熟悉掃頻儀的測(cè)量原理3、掌握掃頻儀的使用在電子測(cè)量中，經(jīng)常需要測(cè)量電子設(shè)備（或網(wǎng)絡(luò)）的頻率特性，也就是需要了解在某一頻率范圍內(nèi)，當(dāng)輸入電壓幅度恒定時(shí)，電子設(shè)備（或網(wǎng)絡(luò)）輸出電壓隨其頻率而變化的特性，通常稱之為幅頻特性。頻率特性測(cè)試儀又稱掃頻儀，它是根據(jù)掃頻原理，利用示波器屏幕直接顯示被測(cè)電子設(shè)備（或網(wǎng)絡(luò)）幅頻特性的專用示波器，它是示波器功能的又一擴(kuò)展。頻率特性測(cè)試儀廣泛應(yīng)用于無線電設(shè)備測(cè)量領(lǐng)域，對(duì)各種放大器頻率特性的調(diào)整'檢驗(yàn)及動(dòng)態(tài)快速測(cè)量都帶來極大的便利。一、BT3型頻率特性測(cè)試儀的原理BT3型頻率特性測(cè)試儀的原理框圖如圖4-2-1示。儀器主要由三個(gè)部分組成。圖4-2-1BT3型頻率特性測(cè)試儀的原理框圖掃頻信號(hào)發(fā)生器測(cè)試儀的工作頻帶為1~300MHz，共分三個(gè)波段：第一波段1~75MHz，第二波段75~150MHz,第三波段150~300MHz。掃頻信號(hào)發(fā)生器由兩組振蕩器組成，第一組振蕩器為第一波段所專用，它包括兩個(gè)振蕩器，一個(gè)振蕩器產(chǎn)生290MHz的固定頻率，另一個(gè)振蕩器產(chǎn)生215~290MHz的掃頻信號(hào)，二者混頻后便可得到0~75MHz的掃頻信號(hào)。第二組只有一個(gè)振蕩器，它能直接輸出75~150MHz的掃頻信號(hào)，用于第二波段，經(jīng)倍頻后又可得到150?300MHz的掃頻信號(hào)，用于第三波段。儀器面板上設(shè)有波段開關(guān)和中心頻率度盤。為了控制掃頻信號(hào)輸出幅度，還設(shè)有衰減電路，對(duì)應(yīng)于面板上用分貝數(shù)標(biāo)度的輸出衰減開關(guān)。頻標(biāo)信號(hào)發(fā)生器用頻率特性測(cè)試儀調(diào)試被測(cè)電路時(shí)，除了必須顯示被測(cè)電路頻率特性曲線外，還必須準(zhǔn)確指出特性曲線上任何一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率值，這項(xiàng)工作是由頻標(biāo)發(fā)生器所產(chǎn)生的頻標(biāo)信號(hào)來完成的，如圖4-2-2所示。晶體振蕩器產(chǎn)生f為1MHz或10MHzL的頻標(biāo)信號(hào)，通過諧波發(fā)生器（相當(dāng)于頻率倍增器），得到fL的N倍（N為正整數(shù)）的頻標(biāo)信號(hào)，然后將其與掃頻信號(hào)（設(shè)其頻率變化范圍為fmin~fmax）一起加到混頻器進(jìn)行混頻，產(chǎn)生頻率為（f~f）-Nf的輸出信號(hào)。如N為某一數(shù)值恰minmaxL好使Nf落在掃頻信號(hào)的頻率變化范圍內(nèi)，則該輸出信號(hào)便是一個(gè)以零頻率為中L心的調(diào)頻信號(hào)。再經(jīng)放大并由帶通濾波器濾波，便可獲得一個(gè)接近菱形的頻標(biāo)信號(hào)。例如，一個(gè)35MHz（即Nf=35X1MHz）的頻標(biāo)信號(hào)與f~f=34.8~35.2MHzLminmax的掃頻信號(hào)混頻，通過帶通濾波器和垂直放大器加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上，如果在垂直偏轉(zhuǎn)板上同時(shí)作用著反映被測(cè)電路幅頻特性的檢波電壓，那么菱形的頻標(biāo)波形就顯示在幅頻特性曲線的35MHz那一點(diǎn)上，如圖4-2-3所示。因?yàn)榱庑晤l標(biāo)具有一定的頻率寬度，所以只有當(dāng)菱形頻標(biāo)的頻率寬度和掃頻范圍相比很窄時(shí)，才能形成一個(gè)很細(xì)的頻標(biāo)。圖4-2-2頻標(biāo)信號(hào)發(fā)生器原理框圖圖4-2-3帶有頻標(biāo)的幅頻特性曲線通常1MHz的頻標(biāo)間隔較窄，幅度較??；10MHz的頻標(biāo)間隔較寬，幅度較大。在測(cè)試中，如儀器內(nèi)部1MHz和10MHz頻標(biāo)不能滿足要求時(shí)，可利用外接頻標(biāo)端子接入所需要的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，此時(shí)在屏幕上顯示的便是外接的幅頻信號(hào)。顯示部分包括掃描信號(hào)發(fā)生器、垂直放大器和示波管等。其中掃描信號(hào)發(fā)生器實(shí)際上是以電源變壓器的次級(jí)繞組來代替的，掃描信號(hào)就是從該繞組取出的50Hz交流電壓，將其送到示波管水平偏轉(zhuǎn)板進(jìn)行掃描，同時(shí)送到掃頻振蕩器進(jìn)行調(diào)制，保證掃描信號(hào)與掃頻信號(hào)同步。面板說明BT3C型頻率特性測(cè)試儀的面板如圖4-2-4所示。顯示部分電源、輝度兼電源開關(guān)和輝度調(diào)節(jié)作用。聚焦。調(diào)節(jié)掃描線清晰度。標(biāo)尺亮度。調(diào)節(jié)屏幕標(biāo)尺亮度。影象極性。改變波形顯示極性，有“+”“-”和“鑒頻”選擇。Y軸位置調(diào)節(jié)曲線在垂直方向移動(dòng)。Y軸衰減。改變Y軸增益和波形高度，有X1,X10,X100三擋。Y軸增益。調(diào)節(jié)Y軸增益和波形高度。Y軸輸入。被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)接入端。圖4-2-4BT3C型頻率特性測(cè)試儀的面板掃描部分波段開關(guān)改變輸出掃頻信號(hào)的頻率范圍，分為1(0~75MHz),II(75~150MHz),III(150~300MHz)。中心頻率度盤。能連續(xù)改變掃頻信號(hào)的中心頻率。輸出衰減。調(diào)節(jié)輸出掃頻信號(hào)的幅度。掃頻電壓輸出。調(diào)節(jié)掃頻信號(hào)的輸出端，可接輸出探頭。頻率偏移。調(diào)節(jié)掃頻信號(hào)的頻偏寬度，在測(cè)試時(shí)可以調(diào)整適合被測(cè)網(wǎng)絡(luò)通頻帶寬度所需的頻偏，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，頻偏增寬。頻標(biāo)部分頻標(biāo)選擇。分1MHz、10MHz和外接3擋。頻標(biāo)幅度。調(diào)節(jié)頻標(biāo)顯示幅度。3）外接頻標(biāo)輸入。外接頻標(biāo)信號(hào)的輸入端，使用此輸入端時(shí)，頻標(biāo)選擇應(yīng)設(shè)置在“外接”擋。二、BT3型頻率特性測(cè)試儀的使用1、測(cè)試前的準(zhǔn)備（1）顯示系統(tǒng)的檢查。接通電源，預(yù)熱5?10min，然后調(diào)節(jié)輝度和聚焦，得到亮度適中的聚焦清晰的掃描基線，如圖4-2-5所示。圖4-2-5【小提示】調(diào)整Y軸位置旋鈕，掃描基線應(yīng)能上下移動(dòng)（2）將50。連接電纜插入Y輸入口，將75RF寬帶檢波器接RF輸出口，如圖4-2-6所示。圖4-2-6（3）檢查儀器內(nèi)部標(biāo)記，按入50MHz，10.1MHz，掃描線上應(yīng)分別呈現(xiàn)出50MHz或10.1頻標(biāo)信號(hào)，如圖4-2-7所示。

圖4-2-7（4）調(diào)節(jié)頻標(biāo)幅度旋鈕，可以均勻地改變頻標(biāo)的大小，如圖4-2-8所示。圖4-2-8（5）頻率范圍的檢查：將粗細(xì)衰減器置于0dB，如圖4-2-9所示。圖4-2-9（6）掃頻方式選用“全掃”，頻標(biāo)方式按鍵選用50MHz，極性選擇開關(guān)放在“+”位置，調(diào)節(jié)Y位移和Y增益，倍率開關(guān)選用X10擋，如圖4-2-10所示。

圖4-2-10（7）曲線上從零頻數(shù)的標(biāo)記數(shù)應(yīng)大于6個(gè)，如圖4-2-11所示。圖4-2-11（8）掃頻方式選用“窄掃”時(shí)，頻標(biāo)方式按鍵選用50MHz，如圖4-2-12所/示O圖4-2-12（9）旋轉(zhuǎn)中心頻率旋鈕，同時(shí)在曲線上從零頻數(shù)得6個(gè)，掃頻寬度電位器

調(diào)至最大，頻標(biāo)方式選用10.1MHz,10MHz的標(biāo)記數(shù)應(yīng)大于4個(gè)，如圖4-2-13所示。圖4-2-132、測(cè)試儀的使用(1)無源濾波器的測(cè)試，將RF掃頻輸出口接濾波器輸入口。濾波器輸入口接檢波器后送給顯示輸入口，顯示方式置于DC,倍率X1,調(diào)Y位移使基線與底格重合，Y增益調(diào)至5div，適當(dāng)選擇掃頻寬度進(jìn)行測(cè)量，如圖4-2-14所示。圖4-2-14(2)有源放大器、中高頻電路的測(cè)量，對(duì)有源網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量必須注意信號(hào)饋給時(shí)隔直流問題，如圖4-2-15所示。圖4-2-15【小提示】注意RF輸出的大小應(yīng)保證被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出不失真，不飽和，同時(shí)通過檢波器的信號(hào)不可大于100mW，以免損傷濾波器。（3）諧振回路測(cè)量，測(cè)量時(shí)應(yīng)盡可能做到外電路與諧振回路松耦合，為此可在信號(hào)饋入點(diǎn)外加入適量的電抗分量元件，如圖4-2-16所示。圖4-2-16【小提示】注意使被測(cè)回路的輸入端盡可能構(gòu)成行波狀態(tài)，從而減少反射的影響。信號(hào)的定性檢測(cè)用高阻檢波器比較方便，在高阻檢波器的輸入點(diǎn)可串接一小電容，以減小測(cè)試回路可能產(chǎn)生失諧問題三、掃頻儀的注意事項(xiàng)1、掃頻儀與被測(cè)電路相連時(shí)，必須考慮阻抗匹配問題。2、若被測(cè)電路內(nèi)部帶有，而直接用開路電纜與儀器相連。3、在顯示幅頻特性時(shí)，如有發(fā)現(xiàn)圖形異常曲折，則表示被測(cè)電路中有寄生振蕩，在測(cè)試前予以排除4、測(cè)試時(shí)，輸出電纜和檢波探頭的接地線應(yīng)盡量短些，切忌在檢波頭上加接導(dǎo)線。實(shí)訓(xùn)：掃頻儀的使用一、實(shí)訓(xùn)目的能熟練使用掃頻儀測(cè)試中頻放大器的技術(shù)指標(biāo)。培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。二、實(shí)訓(xùn)設(shè)備與工具掃頻儀1臺(tái)、中頻放大器一個(gè)、通用工具1套。三、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與步驟掃頻儀的測(cè)試應(yīng)用，以一個(gè)中頻放大器為例，它的技術(shù)指標(biāo)如下：中心頻率為30MHz，頻帶寬度為6MHz，增益大于50dB，特性曲線頂部呈雙峰曲線，平坦度小于ldB。測(cè)試步驟和方法如下。（一）測(cè)試前準(zhǔn)備開機(jī)預(yù)熱，調(diào)節(jié)輝度、聚焦，使圖形清晰，基線與掃描線重合，頻標(biāo)顯示正常。波段選擇開關(guān)置于I位置，中心頻率為30MHz，頻偏約為±5MHz，掃頻電壓輸出接帶75Q的匹配電纜，Y軸輸入接檢波器