时频测量

1第4章时频测量知识要点：通用电子计数器的组成与测量原理电子计数器误差的来源及减小措施通用电子计数器的使用方法与扩频方法数字相位计的工作原理。24.1概述频率定义：在单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数。频率测量方法：电容充放电法利用电子电路控制电容器充放电的次数，再用磁电式仪表测量充、放电电流的大小而测得被测信号频率。表4-1频率测量方法模拟法无源测频法谐振法电桥法频率–电压变换法比较法拍频法差频法示波器法计数法电容充放电法电子计数法34.1.1无源测频法分类：谐振法、电桥法、频率–电压变换法。1.谐振法fx的计算为：2.电桥法测频电桥种类：文氏电桥、谐振电桥和双T电桥。VLCMfxLCffπ210x2121xπ21CCRRf4（b）fxR3R4R1R2C2C1（a）返回563.频率–电压变换法结论：Uo=x0xmBx)(1TfUdttuT脉冲形成单稳多谐振荡器积分ux(t)(fx)ABUoUoτUmuB(t)tttux(t)uA(t)TxTx（b）（a）74.1.2比较测频法1.拍频法2.差频法耳机fsfx（a）示波器（b）VfxV混频滤波放大fs耳机84.3通用电子计数器的测量功能4.3.1测量频率结论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TsTxKfTsTxsfxxTKfNNTsfxTKNf9推论：N=mKfTsfx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时，无需对计数结果进行换算就可直接读出测量结果。sfxxTKmfNmTNsfxTmKNf104.3.2测量周期结论：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)KfTxTs/mKfTxTs/mssxf1mfNmTNTKfssfx1mKNTfmKNT114.3.3测量频率比结论：TB=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/TATBTATBTAfA（B通道）（A通道）fBBATNTBAABNTTff12推论1：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推论2：当对fA再进行m次倍频，用mfA作为时标信号时，存在关系：KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)134.3.4累加计数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；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。启动闸门计数显示门控电路放大整形电路ATATA输入信号A终止（A通道）启动终止S144.3.5测量时间间隔+触发器1闸门计数显示门控电路倍频器（m）TsTABTs/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15测量原理：与测量周期的原理相似，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决定。050%输入At050%输入Bt起始脉冲终止脉冲开启时间计数脉冲NTAB164.3.6自检（自校）判断：只要满足：N=mKf或N=mKf±1说明电子计数器的工作基本正常。目的：检查仪器自身的逻辑功能以及电路的工作是否正常。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)KfTsTs/mKfTsTs/m174.4电子计数器的测量误差4.4.1测量误差的来源1.量化误差——在量化过程中，由于闸门开启与计数脉冲输入在时间上具有不确定性，即相位随机性而产生的误差。计数脉冲闸门开启时间T闸门开启时间T计数脉冲N=8计数脉冲N=918计算：%1001%100NNNN特点1：量化误差是数字化仪器所特有的误差，是不能被消除的误差。特点2：无论计数值N为多少，每次的计数值总是相差±1，即ΔN=±1。别名：计数误差、±1误差解决措施：要减小量化误差，应设法增大计数值N。即在A通道中选用倍频次数m较大的倍频器，亦即选用短时标信号；在B通道中增大分频次数Kf，亦即延长闸门时间；19例1：用一7位电子计数器测量一个fx=5MHz的信号频率，试分别计算当“闸门时间”置于1s、0.1s、和10ms时，由±1误差产生的测频误差。例2：欲测量一个标称频率fo=1MHz的石英晶体振荡器，要求测量准确度优于±1×10-6，在下列方案中，哪一种是正确的，为什么？1.选用E312型计数器（Δfo/fo≤±1×10-6），“闸门时间”置于1s。2.选用E322型计数器（Δfo/fo≤±1×10-7），“闸门时间”置于1s。3.选用E312型计数器（Δfo/fo≤±1×10-7），“闸门时间”置于10s。202.触发误差在整形过程中，因整形电路触发电平抖动或被测信号叠加有噪声和各种干扰信号等，使整形后脉冲周期不等于被测信号周期而产生的误差。触发电平VB0A1A1′A2′A2干扰信号干扰信号Tx闸门开启闸门关闭ΔT1ΔT2Tx′=ΔT1+Tx+ΔT2被测信号21计算：影响：对测量周期影响大，对测频影响小。因测频时产生门控信号的是标准的晶振信号，叠加的干扰信号很小，故可忽略触发误差的影响；而产生计数脉冲的被测信号中虽有干扰信号，但不影响对计数脉冲的计数，故不产生触发误差。减小措施：提高被测信号信噪比，采用多周期测量法测量周期。3.标准频率误差Δfs/fs定义：由晶振信号不稳定等产生的误差。影响：一般情况下，不予考虑。mfnxxπ2UKUTT224.4.3频率扩展技术因受十进制计数器处理速度等的限制，通用电子计数器较适合测量低于700MHz的信号频率。频率扩展方法：外差降频变换法、预定标法、转移振荡器法、谐波外差变换法、取样法等，此类计数器可测量高达170GHz的信号频率，称之为数字频率计。1.外差降频变换法fx混频器调谐滤波器调谐倍频器放大器电子计数器晶振fof’m23例3：某一计数器内时基系统产生的标准信号频率为10MHz，如配以相应的变频器，对某一已知频率为205MHz的信号进行测量，此时计数器的读数为5MHz。若再用以上仪器对另一未知频率信号进行测量，此时计数器读数为9.6MHz，则被测信号的实际频率为多少？242.预定标法与通用计数器的区别：对被测信号进行N分频，即预定标后再测量。缺点：降低了单位时间内的分辨力，为了提高测量分辨力，如果十进制计数器位数足够多，通常对晶振进行Kf分频。放大整形输入Afx分频器（1/Kf）闸门十进制计数器晶振分频器（1/Kf）时基分频器显示Kf×0.1sKf×1sKf×10s254.2电子计数器概述4.2.1分类分类：①通用电子计数器：测量频率、频率比、周期、时间间隔及累加计数、自检功能。②频率计数器：测量高频和微波频率。③计算计数器：带有微处理器、能进行数学运算、求解复杂方程式等功能。④特种计数器：具有特殊功能。264.2.2基本组成组成：输入通道、计数显示电路、时基产生电路和逻辑控制电路等。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时基产生电路周期倍乘选择人工触发功能变换通用电子计数器的组成框图返回271.输入通道分类：A、B通道。A通道：对输入信号放大整形、变换输出计数脉冲信号。B通道：控制闸门的开启和关闭。2.计数显示电路3.时基产生电路组成：晶振、分频器、倍频器和转换开关等。功能：测周时，标准信号经放大整形和倍频（或分频）用作测周期或时间的计数脉冲；测频时，标准信号经过放大整形和一系列分频得到用作控制门控电路的时基信号，时基信号经过门控电路形成门控信号。284.逻辑控制电路功能：产生各种控制信号控制电子计数器各单元电路的协调工作。4.2.3主要性能指标1.测试功能2.测量范围3.输入特性①输入耦合方式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。294.测量准确度5.闸门时间和时标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：记忆显示和非记忆显示。记忆显示只显示最终结果，不显示正在计数的过程。非记忆显示方式时，还可显示正在计数的过程。7.输出304.5通用计数器实例（NFC–100型）4.5.1性能指标①测试功能：测频、测周、累加计数、自检等。②测量范围：测频范围为0.1Hz～100MHz；测周范围为0.4μs～10s；累加计数范围为1～108。③输入特性：耦合方式为AC；电压范围为30mV～10V，不同量程范围不同；Ri≥1MΩ，Ci≤30pF。④闸门时间：10ms、0.1s、1s、10s。⑤时标（晶振）：时标信号周期为0.1μs。⑥显示位数及显示器件⑦输出314.5.2工作原理组成：输入通道、预定标分频器、主机测量单元、晶振和电源等。工作原理：主机测量单元直接计数频率为10MHz，在测量10MHz以上信号频率时，需要经过预定标分频器10分频后，送入主机测量单元。测量周期、累加计数时，输入信号经输入通道放大整形后，直接进入主机测量单元，预定标分频器不起作用。输入fx(Tx)输入通道预定标分频器主机测量单元晶振显示NFC-100型通用电子计数器组成框图32主机测量单元由ICM7226B等组成。ICM7226B内包含多位计数器、寄存器电路、时基电路、逻辑控制电路以及显示译码驱动电路、溢出和消隐电路，可直接驱动外接的共阴极LED显示数码管，以扫描方式显示测量结果。当ICM7226B功能输入端和闸门时间输入端分别接入不同的扫描位脉冲信号时，其测量逻辑功能发生变化，分别完成“频率”、“周期”、“计数”、“自检”等功能。闸门时间在时标为10MHz时为10ms、0.1s、1s、10s，在其他时标时，闸门时间将随之作相应变化。33溢出闸门μskHzICM7226B段码输出（a、b、c、d、e、f、g、dp）88位码输出（D1～D8）功能选择闸门时间（周期倍乘）频率自检周期计数10s1s0.1s10ms44晶振NFC-100型电子计数器主机测量单元逻辑框图abcdefgdp复位返回344.5.3电子计数器的使用及注意事项8位LED显示OVFLGATEμskHzMODELNFC–100MULTFUNCTIONCOUNTERSTBYONRESETTOTPERFREQCHKFREQMEASURETIME10ms0.1s1s10sPERIODAVERAGE1101001000FUNCTIONTIMEBASEOUT50Ω10MHz＞10VP-P1MΩ8MHz100MHz0.1HzINPUTNFC-100型电子计数器前面板图3536“功能键（FUNCTION）”包括“累加计数（TOT，Totality）”、“周期（PER，Period）”、“频率（FREQ，Frequency）”、“自检（CHK，Check）”四个按键，每个按键对应一种测量功能。功能键右边的四个按键在测量频率、周期时，分别称为“时基（FREQMEASURETIME）选择”、“周期倍乘（PERIODAVERAGE）选择”开关，用于选择测频时的闸门时间和测周时对被测信号的分频次数，二者与被测量的范围配合使用。37使用注意事项：①按照要求接入正确的电源。②在使用电子计数器进行测量之前，对仪器进行自检，以初步判断仪器工作是否正常。③被测信号大小必须在电子计数器允许的范围内。否则，若输入信号太小，将测不出被测量；若输入信号太大，则有可能损坏仪器。④当“溢出（OVFL）”指示灯亮时，表明测量结果显示有溢出，不能漏记数字。⑤在允许的情况下，尽可能使显示结果精确些，即所选闸门时间应长一些。38⑥在测量频率时，