电子测量技术基础第五章.

电子测量原理第1页第5章频率时间测量5.1概述5.2电子计数器测频率5.3电子计数器测周期5.4电子计数器测时间间隔电子测量原理第2页5.1.1时间、1.2.频率的定义与标准5.1.25.1概述电子测量原理第3页5.2电子计数器测频率5.2.1频率的定义：周期性信号在一秒钟内变化的周期。如果在一定的时间间隔Ts内计有周期信号的重复变化次数N，则频率可写为：SxTNf这就是电子计数器测频的基本原理。原理框图：电子测量原理第4页5.2.2电子计数器测频的组成框图组成框图：电子测量原理第5页5.2.2误差分析据误差传递公式，测频的误差为可得误差有两部分，第一项是量化误差；第二项是闸门时间误差。dfx=(dN／T)－(N／T2)dT电子测量原理第6页5.2.2误差分析1.量化误差也叫计数误差或±1个字误差，是电子计数器的固有误差，也是数字仪表特有的误差。T=NTx+Δt1－Δt2电子测量原理第7页5.2.2误差分析产生原因：由被测信号和门控信号之间不同步及周期关系任意性引起的。被测信号与门控信号间没有同步锁定关系，门控信号的起始点随开机时刻而随机；被测信号周期是任意的，而门控信号周期是一定的。当Ts与被测Tx的整数倍相当时，产生±1误差更为典型。注意：①与fxT成反比。②当被测fx一定，闸门开启时间Ts越大，±1量化误差对测频误差影响越小；当闸门开启时间Ts一定，被测频率fx越高，±1量化误差对测频误差影响越小。故，电子计数器测频适于测高频频率。电子测量原理第8页5.2.2误差分析2.闸门时间误差(标准时间误差)闸门时间不准引起闸门时间相对误差。产生原因：主要是晶振频率准确度，而整形电路、分频电路、闸门的开关速度等因素也产生影响。设晶振频率为fc(周期为Tc)，分频系数为m，所以有：微分，得电子测量原理第9页5.2.2误差分析2.闸门时间误差(标准时间误差)由前两式可知：考虑相对误差定义中使用的是增量符号Δ，所以用增量符号代替式(5.2-9)中的微分符号，改写为表明：闸门时间的相对误差在数值上等于晶振频率的相对误差。电子测量原理第10页5.2.2误差分析3.总误差将式前几个式子整理得：Δfc有可能大于零，也有可能小于零。若按最坏情况考虑，则测量频率的最大相对误差应写为电子测量原理第11页5.2.2误差分析要提高频率测量的准确度，应采取如下措施：①提高晶振频率的准确度和稳定度以减小闸门时间误差；②扩大闸门时间T或倍频被测信号频率fx以减小±1误差；③被测信号频率较低时，采用测周期的方法测量。电子测量原理第12页5.3电子计数器测周期时间测量在科学技术各领域中十分重要。时间测量主要指周期、上升时间、时间间隔等的测量。5.3.1电子计数器测周期的基本原理1.原理框图T与f互为倒数，则将测频的被测通道与标准通道对调即可。原路框图：电子测量原理第13页5.3.1电子计数器测周期的基本原理工作原理：将被测信号经分频后作为门控信号去控制主闸门开启与关闭，晶振标准信号经分频后通过主闸门进入计数器被计数。2.测量结果显然，测周是将被测周期Tx与标准周期Tc进行比较，若在Tx内对标准脉冲计数值为N，则Tc是晶振经分频后的脉冲周期，大小由“时标选择”开关来选择。cxNTT电子测量原理第14页5.3.2误差分析类似测频的误差分析。据误差传递公式，由Tx=NTc可得写成增量形式1.量化误差因△N＝±1，而N＝Txfc，有注意：量化误差的影响在被测周期Tx小（即频率高）时大，这与测频时刚好相反。2.晶振误差同测频，为cxxTTNNTTcCCffTTccc1fTNNx电子测量原理第15页5.3.2误差分析注意：晶振准确度和稳定性的影响与测频相同。则总误差为3.周期倍乘)1(cCCxxxfffTTT为了减小测量误差，可以减小Tc(增大fc)，但这受到实际计数器计数速度的限制。在条件许可的情况下，应尽量使fc增大。另一种方法是把Tx扩大m倍，形成的闸门时间宽度为mTx，以它控制主门开启，实施计数。计数器的计数结果为：由于ΔN=±1，并考虑上式，因此电子测量原理第16页5.3.2误差分析4.周期倍乘的总误差电子测量原理第17页5.3.2误差分析5.触发误差：在测量周期时，被测信号经放大整形后作为时间闸门的控制信号(简称门控信号)，因此，噪声将影响门控信号(即Tx)的准确性，造成所谓触发误差。tantan21nnUTUT电子测量原理第18页5.3.2误差分析式中Un为被测信号上叠加的噪声“振幅值”.当被测信号为正弦波，即ux=Umsinωxt,门控电路触发电平为Up，则)(12sin12cos2|2mpmxpxmxpxmxttuuUUUTtUTtUfdtdutgppx221)(12mpmxnUUUTUTTmnxUUTTT221电子测量原理第19页5.3.2误差分析于是转换误差为mnxxnUUTTTTT21)()(2221mnccsxxxUUfffTTT2114.总误差将量化误差、晶振准确度影响、触发误差按绝对值公式合成总误差：误差曲线：左图所示。其中10Tx和100Tx两条为采用多周测量的误差曲线。电子测量原理第20页5.3.2误差分析注意：利用电子计数器测周①适于低频（因Tx大，±1误差影响小）；②时标要小（fs大，±1误差影响小）；③采用多周期测量。可减小±1误差影响，还可减小触发误差的影响。对前者，计数N大，±1误差影响就小；对后者，因一个△Tn对应门控输出的一次开启时间，若10个周期则有(△Tn)/10，即有误差（△Tn/10）/Tx，影响就小10倍。此外，提高信噪比（即增大Um/Un），也能减少触发误差的影响。电子测量原理第21页5.3.3中界频率1）测量频率误差2）测量周期误差)1(cCCxxxfffTTT电子测量原理第22页5.3.3中界频率3）“中界频率”是这样定义的：对某信号使用测频法和测周法测量频率，两者引起的误差相等，则该信号的频率定义为中界频率，记为f0。将式中的fx换为中界频率f0，将Tx换为T0再写为1／f0，将Tc写为1/fc，则式可写为解得中界频率为电子测量原理第23页5.3.3中界频率若进行频率测量时以扩大闸门时间n倍(标准信号周期扩大Tcn倍)来提高频率测量精确度，则在进行周期测量时，以扩大闸门时间k倍(扩大待测信号周期k倍)来提高周期测量精确度，这时式(5.3-5)变为电子测量原理第24页5.3.3中界频率可得中介频率更一般的定义式，即【例1】某电子计数器，若可取的最大的T、fc值分别为10s、100MHz，并取k=104,n=102，试确定该仪器可以选择的中界频率f0电子测量原理第25页5.4电子计数法测量时间间隔我们讲的时间间隔，指交流信号上任意两点间距离代表的时间。对脉冲波，主要有上升时间、脉宽等。交流信号的周期，实际上也是时间间隔，只是为两周波形上同电位点间的时间间离。原理框图：B1、B2：两个同特性的独立通道，各自均有触发性极选择和触发电平调节。K：开关，用于选择两个通道输入信号的种类，当K闭合时两个通道输入同一信号。电子测量原理第26页5.4电子计数法测量时间间隔工作原理：K闭合：B1、B2输入同一信号。若B1、B2选同极性触发，但触发电平选得不同，则可测上升时间，如（c）图所示；若B1、B2选择同触发电平，但触发极性选得不同，则可测脉冲宽度，如（d）图所示。K断开：B1、B2分别输入两个信号。调各自的触发极性和电平，可测两个信号上升沿间的时间间隔，如（b）图所示.电子测量原理第27页5.4电子计数法测量时间间隔5.4.2电子测量原理第28页5.4电子计数器测量相位相位差的测量，前述示波器测量法，虽直观方便，但准确度较低；电子计数器测量法，则准确度较高。6.4.1电路组成原理框图：通道1、通道2：特性类似过零比较器，在被测信号由负向正通过零点或由正向负通过零点时产生脉冲，加到门控电路。电子测量原理第29页5.4.1电路组成（续）门控：如“R-S”触发器电路，一个通道来的脉冲使门控输出高电平，而另一通道来的脉冲使之输出低电平。时标信号：包括晶振、分频电路。门控输出高电平期间闸门开启，时标信号通过闸门进入计数器被计数，再译码显示结果。波形图：基本原理：就是时间间隔的测量。即在通道1、通道2输入信号相位差的时间间隔内，用标准脉冲来填充。电子测量原理第30页5.4.2测量结果设两信号相位差的时间为，被测信号周期为Tx，时标信号周期为Ts，在内计数器计的时标脉冲为N，则有被测相位差为360360360SxxSxfNfTNTTt1.瞬时值相位计数法一个周期测一次，即有上述结果。注意：①适于测低频信号的相位差。因为时标信号频率是有限的，则测高频信号相位差的准确度就会降低。②测量结果与被测频率有关，需测出被测信号的周期或频率，才会按上式得出结果。电子测量原理第31页5.4.2测量结果（续）2.平均值相位计数法此法是对多个相位差的脉冲计数后再平均。如利用时标使计数器一秒“清零”一次，或再用一闸门开启一秒来对时标脉冲通过闸门输出的脉冲进行累计，则有记数N´=fxN（N为一个相位差内计的脉冲数），因而360SfN可见：测量结果与被测频率无关，不需要测被测频率。电子测量原理第32页5.4.3误差分析1.瞬时值相位计数法的误差对瞬时值相位计数法测量结果表达式，按误差传递公式有xxSSffTTNNssTTNN//注意：误差中除±1量化误差和晶振准确度外，还有被测信号的频率误差。2.平均值相位计数法的误差对均值相位计数法结果表达式，按误差传递公式有注意：误差中不存在被测频率误差的影响。电子测量原理第33页5.6其他测量频率的方法一、直读法测频1．电桥法测频电桥法测频即是利用电桥的平衡条件和被测信号频率有关这一特性来测频。322411111RCjRRCjRxx