电子测量与仪器课件第七章频率和时间测量及仪器1

第7章频率和时间测量及仪器1第7章频率和时间测量及仪器7.1概述时间:含意有二，时刻和时间间隔周期:在相等时间间隔内重复发生的现象称为周期现象，该时间间隔称为周期。频率:描述周期现象最重要的物理量，周期信号在单位时间内变化的次数通常用电子计数器测量时间和频率。计数法在实质上属于比较法，比较法是利用已知的标准的参考频率同被测频率进行比较而测得被测信号的频率。第7章频率和时间测量及仪器27.1.1无源测频法(直读法）主要包括谐振法、电桥法和频率-变换电压法等方法。1.谐振法图7.1所示为谐振法测频基本原理图。被测信号经互感M与LC串联谐振回路进行松耦合，改变可变电容器C，使回路发生串联谐振。谐振时回路电流I达到最大。被测频率fx可用下式计算:（7-1）式中，f0为谐振回路的谐振频率，L、C分别为谐振回路谐振电感和谐振电容。VLCMfx图7.1谐振法测频原理LCff210x第7章频率和时间测量及仪器32.电桥法凡是平衡条件与频率有关的任何电桥都可用来测频，但要求电桥的频率特性尽可能尖锐。测频电桥的种类很多，常用的有文氏电桥、谐振电桥和双T电桥频率-电压变换法测频就是先把频率变换为电压或电流，然后以频率刻度的电压表或电流表来指示被测频率。图7.2(a)为频率-电压变换法测正弦波频率原理框图。首先把正弦信号变换为频率与之相等的尖脉冲uA，然后加至单稳多谐振荡器，产生频率为fx、宽度为τ、幅度为Um的矩形脉冲列uB(t)，如图7.2(b)所示第7章频率和时间测量及仪器4脉冲形成单稳多谐振荡器积分ux(fx)ABUoUoτUmuBtttuxuATxTxTx(b)(a)图7.2频率-电压变换法测频原理图第7章频率和时间测量及仪器5可见，当Um、τ一定时，Uo指示就构成频率—电压变换型直读式频率计，电压表直接按频率刻度。该频率计最高频率可达几兆赫。x0xmBxo)(1TfUdttuTU第7章频率和时间测量及仪器67.1.2比较法有源比较测频法主要包括拍频法和差频法。1.拍频法拍频法是将被测信号与标准信号经线性元件（如耳机、电压表）直接进行叠加来实现频率测量的，其原理电路如图7.3所示。V耳机fsfx(a)示波器(b)图7.3拍频法测频原理第7章频率和时间测量及仪器7当两个音频信号逐渐靠近时，耳机中可以听到两个高低不同的音调。当这两个频率靠近到差值不到4～6Hz时，就只能听到一个近于单一音调的声音，这时，声音的响度作周期性的变化，再观察电压表，会发现指针在有规律地来回摆动，示波器上则可得到如图7.3(b)所示的波形。拍频法通常只用于音频的测量，而不宜用于高频测量。第7章频率和时间测量及仪器82.差频法高频段测频常用差频法测量。差频法是利用非线性器件和标准信号对被测信号进行差频变换来实现频率测量的，其工作原理如图7.4所示。fx和fs两个信号经混频器混频和滤波器滤波后输出二者的差频信号，该差频信号落在音频信号范围内，调节标准信号频率，当耳机中听不到声音时，表明两个信号频率近似相等。fxV混频滤波放大fs图7.4差频法测频原理耳机第7章频率和时间测量及仪器97.2电子计数器概述7.2.1分类按其测试功能的不同，电子计数器分为以下几类：（1）通用电子计数器（2）频率计数器（3）计算计数器（4）特种计数器第7章频率和时间测量及仪器107.2.2基本组成：A输入通道闸门十进制计数显示门控电路逻辑控制电路B输入通道测频累加计数测时间倍频器晶振分频器时标选择标准时间产生电路闸门时间选择人工触发功能变换图7.5通用电子计数器的组成框图第7章频率和时间测量及仪器117.2.3主要技术指标1.测试功能2.测量范围3.输入特性（1）输入耦合方式：有AC和DC两种方式（2）触发电平及其可调范围（3）输入灵敏度（4）最高输入电压（5）输入阻抗（输入阻抗包括输入电阻和输入电容）。4.测量准确度第7章频率和时间测量及仪器125.闸门时间和时标闸门时间和时标由标准时间电路产生的信号决定。可以提供的闸门时间和时标信号有多种。6.显示及工作方式（1）显示位数（2）显示时间（3）显示器件（4）显示方式7.输出输出是指仪器可输出的时标信号种类、输出数码的编码方式及输出电平。第7章频率和时间测量及仪器137.3通用电子计数器7.3.1测量频率周期性信号在单位时间内重复的次数称为频率，即f=N/T式中，T为时间，单位为“s”；N为在时间T内周期性现象的重复次数。电子计数器测频原理框图如图7.6所示。被测信号经过放大整形，形成重复频率为mfx的计数脉冲，作为闸门的输入信号。门控电路的输出信号称为门控信号，控制着闸门的启闭，闸门开启时间等于分频器输出信号周期KfTs。只有当闸门开启（图中假设门控信号为高电平）时，计数脉冲才能通过闸门进入十进制计数器去计数，设计数结果为N。则存在关系：第7章频率和时间测量及仪器14N=KfTsfxsfxxTKfNNTsfxTKNffs=1/Ts放大整形电路闸门十进制计数器门控电路分频器晶振fxKfTsKfTs显示器TsTxKfTsTx图7.6通用电子计数器测频原理框图第7章频率和时间测量及仪器15如果被测信号经过放大整形，再经过m次倍频，则满足：N=mKfTsfx式中，N为闸门开启期间十进制计数器计出的计数脉冲个数；fx为被测信号频率，其倒数为周期Tx；Ts为晶振信号周期；m为倍频次数；Kf为分频次数，调节Kf的旋钮称为“闸门时间选择”（或“时基选择”）开关，与Ts的乘积等于闸门时间。为了使N值能够直接表示fx，常取mKfTs=1ms、10ms、0.1s、1s、10s等几种闸门时间。即当闸门时间为1×10ns(n为整数)，并且使闸门开启时间的改变与计数器显示屏上小数点位置的移动同步进行时，无需对计数结果进行换算，就可直接读出测量结果。sfxxTKmfNmTNsfxTmKNf第7章频率和时间测量及仪器167.3.2测量周期频率的倒数就是周期，电子计数器测量周期的原理与测频原理相似，其原理框图如图7.7所示。KfTx放大整形电路闸门计数显示门控电路倍频器(m)晶振TxTxfs=1/Ts分频器(1/Kf)KfTx图7.7通用电子计数器测周原理框图Ts/mKfTxTs/m第7章频率和时间测量及仪器17门控电路由经放大整形、分频后的被测信号控制，计数脉冲是晶振信号经倍频后的时间标准信号（即时标信号）。存在关系：N=mKfTx/Ts式中，Tx与Kf的乘积等于闸门时间；Kf为分频器分频次数，调节的Kf旋钮称为“周期倍乘选择”开关，通常选用10n，如×1、×10、×102、×103等，该方法称为多周期测量法；Ts为晶振信号周期，fs为晶振信号频率；Ts/m通常选用1ms、1μs、0.1μs、10ns等，改变Ts/m大小的旋钮称为“时标选择”开关。ssxf1mfNmTNTKfssfx1mKNTfmKNT第7章频率和时间测量及仪器18由上述分析得知，通用电子计数器无论是测频还是测周，其测量方法是依据闸门时间等于计数脉冲周期与闸门开启时通过的计数脉冲个数之积，然后根据被测量的定义进行推导计算而得出被测量。同样道理，也可以据此来测量频率比、时间间隔、累加计数等。第7章频率和时间测量及仪器197.3.3测量频率比频率比即两个信号的频率之比，电子计数器测量频率比的原理框图如图7.8所示。其测量原理与测量频率的原理相似。不过此时有两个输入信号加到电子计数器输入端，如果fA＞fB，就将频率为fB的信号经B通道输入，去控制闸门的启闭，假设该信号未经分频器分频，则闸门开启时间等于TB(=1/fB)；而把频率为fA的信号从A通道输入，假设该信号未经过倍频，设十进制计数器计数值为N，则存在关系：TB=NTAN=TB/TA=fA/fB第7章频率和时间测量及仪器20TB=1/fB放大整形电路B闸门计数显示门控电路放大整形电路AfA=1/TATB图7.8通用电子计数器测量频率比原理框图TATBTAfA（B通道）（A通道）fB第7章频率和时间测量及仪器21为了提高测量准确度，可以采用类似多周期测量的方法，在B通道增加分频器，对fB进行Kf次分频，使闸门开启时间扩展Kf倍。则有：KfTB=NTAfA/fB=TB/TA=N/Kf当对fA进行m次倍频，用mfA作为时标信号时，存在关系：KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)第7章频率和时间测量及仪器227.3.4累加计数累加计数是指在限定时间内，对输入信号重复次数（即放大整形后的计数脉冲个数）进行累加。其测量原理与测量频率是相似的，不过此时门控电路改由人工控制。其电路原理框图如图7.9所示，当开关S打在“启动”位置时，闸门开启，计数脉冲进入计数器计数，当开关S打在“终止”位置时，闸门关闭，终止计数，累加计数结果由显示电路显示。第7章频率和时间测量及仪器23启动闸门计数显示门控电路放大整形电路A图7.9通用电子计数器累加计数原理框图TATA输入信号A终止（A通道）启动终止S第7章频率和时间测量及仪器247.3.5测量时间间隔图7.10所示为测量时间间隔的原理框图，其测量原理与测量周期原理相似，不过控制闸门启闭的是两个（或单个）输入信号在不同点产生的触发脉冲。触发脉冲的产生由触发器的触发电平与触发极性选择开关来决定当测量两个信号的时间间隔时，开关S1处于“单独”位置，测量原理如图7.11所示。A输入(设时间超前)产生起始触发脉冲用于开启闸门，使十进制计数器开始对时标信号进行计数；B输入（设时间滞后）则产生终止触发脉冲以关闭闸门，停止计数。假设起始脉冲和终止脉冲分别选择输入A、B正极性（即开关S2、S3置于“+”处）、50%电平处产生，计数值为N，则时间间隔TAB存在以下关系：第7章频率和时间测量及仪器25+触发器1闸门计数显示门控电路倍频器(m)TsTAB图7.10通用电子计数器测量时间间隔原理框图Ts/mTABTs/m晶振TA起始触发器终止触发器触发器2-+-单独公共TBS1S2S3触发极性第7章频率和时间测量及仪器26当测量脉冲信号的时间间隔如脉冲前沿tr、脉宽τ等参数时，将开关S1置于“公共”位置，根据被测量的定义，调节触发器1、2的触发电平和触发极性，选择合适的时标信号，即可测量。例如测量脉宽τ,根据脉宽定义，调节触发器1、2的触发电平均为50%，分别调节触发极性选择S1、S2为“+”、“－”。闸门开启期间计数结果为N，则τ=NTs/mmTNTSAB050%输入At050%输入Bt起始脉冲终止脉冲开启时间计数脉冲NTAB图7.11通用电子计数器测量时间间隔示意图第7章频率和时间测量及仪器277.3.6自检（自校）大多数电子计数器都具有自检（即自校）功能，它可以检查仪器自身的逻辑功能以及电路的工作是否正常，其原理框图如图7.12所示。KfTs闸门计数显示门控电路倍频器(m)晶振Tsfs=1/Ts分频器(1/Kf)KfTs图7.12通用电子计数器自检原理框图Ts/mKfTsTs/m第7章频率和时间测量及仪器28由图可见，自检过程与测量频率的原理相似，不过自检时的计数脉冲不再是被测信号而是晶振信号经倍频后产生的时标信号。显然，只要满足关系：NTs/m=KfTsN=mKf或N=mKf±1则说明电子计数器及其电路等工作正常，之所以出现±1是因为计数器中存在量化误差的缘故。