电子仪器测量第4章时频测量

第四章时频测量本章所研究的问题：（一）（二）误差分析？（四）通用仪器简介（五）仪器的升级或改进1、关系？2、仪器？3、实现测量的原理？（三）实现周期、频率测量的方案选择？（一）问题：1、时频关系指某事件发生的瞬间。如tl时刻开始出现，在t2时刻消失；通常要与年月日时分秒关联。“时间”“时刻”,“间隔”,即两个时刻之间的间隔，表示该事件持续了多久.如图中，Δt=t2-tl是两时刻之间的“间隔”,即矩形脉冲持续的时间长度。“周期”是指同一事件重复出现的时间，如T。“频率”是单位时间（1秒）内周期性事件重复的次数，单位是赫兹Hz。图4.1时频关系示意图tU0t1t2t3t4T电子表走时是否准确取决于石英晶体作振荡器设石英晶体振荡器日频率稳定度为10-6610246060t则日误差：6466606024108.6410100.08640.1/10ts日频率标准时间标准32768Hz（215Hz）液晶屏分频计数译码2151秒601分601小时24日图4.2电子表的组成原理振荡驱动（一）问题2、仪器（一）问题3、实现测量的原理1.基本原理根据频率的定义，若某一信号在T秒时间内重复变化了N次，则该信号的频率为：TNfx（4.2）门电路复习：与门A1/0B1/0c1/0同理“或”门、与非、或非门等也有类似功能。A0011B0101C0001由图可见：TNTx因此TNfx实现了测频原理：“定时计数”实质：比较法图4.3测频的原理与门ABT1s…………TNTxC1s重点掌握2．组成框图图4.4是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。t0BC00ttTTxDE0tTxN0AtTx时基电路计数一输入电路分频显示晶振门控主门控制电路ABCDE1)时基（T）电路两个特点：(1)标准性闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故通常晶振频率稳定度要求达10-6～10-10。（恒温糟）(2)多值性闸门时间T不一定为1秒，应让用户根据测频精度和速度的不同要求自由选择。例如：1kHz100Hz10Hz1Hz0.1Hz1ms10ms0.1s、1s、10s等。门控（双稳）电路：TT2)输入电路由放大整形电路和主门电路组成。被测输入周期信号（频率为fx，周期为Tx）经放大、整形、微分得周期Tx的窄脉冲，送主门的一个输入端。图4.5输入电路工作波形图ustttt0000A输入(T0或Fx)放大整形微分3)计数显示电路这部分电路的作用，简单地说，就是计数被测周期信号重复的次数，显示被测信号的频率。它一般由计数电路、逻辑控制电路、译码器和显示器组成。4)控制电路控制电路的作用是产生各种控制信号，去控制各电路单元的工作，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。在控制电路的统一指挥下，电子计数器的工作按照“复零一测量—显示”的程序自动地进行，其工作流程如图4.6所示。准备期（复零，等待）显示期（关门，停止计数）测量期（开门，计数）图4.6电子计数器的工作流程图4.3电子计数法测量时间本节介绍时间量的测量主要是指与频率对应的周期、相位及时间间隔等时间参数，重点讨论周期的测量。4.3.1.电子计数法测量周期的原理t0BC00ttTxTxDE0tTcTcNTxTx由右图可得ccxfNNTT输入电路A分频门控主门倍频晶振输入电路BTxuxBCDE4.4误差分析计算由第二章误差传递公式（2.43）jmjjxxfy1可对式（4.2）TNfx求得TTNNffxx（4.3）计数误差时基误差1.量化误差——计数误差、±1误差在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，既便在相同的主门开启时间T，计数器所计得的数却不一定相同。可能多1个或少1个的±1误差，这是频率量化时带来的误差故称量化误差，又称脉冲计数误差或±1误差。TfNNNx11ΔN=±1N=fxT图4.7量化误差3467521834675218T(a)(1)(2)黑门进8个脉冲红门进7个脉冲误差合成定理2.闸门时间误差（时基误差、标准时间误差）TTNNffxxccfdfTdT闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc（周期为Tc），则有ccfTTf=1×10-7~1×10-10石英晶体性能和切割方式----生产厂石英振荡器的输出频率准确度决定温度的影响---单、双层恒温糟振荡电路的质量----电路优化设计4.2.3.结论1.计数器直接测频的误差主要有两项即±1误差和标准频率误差一般总误差可采用分项误差绝对值合成，即)1(ccxxxffTfff（4.9）2.测量低频时，由于±1误差产生的测频误差大得惊人例如，fx=10Hz，T=1s，则由±1误差引起的测频误差可达10％，所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。4.3.2.电子计数器测量周期的误差分析1.量化误差和基准频率误差与分析电子计数器测频时的误差类似，这里cxNTT，根据误差传递公式可得ccxxTTNNTT（4.11）根据图4.10所示的测周原理，由式（4.10）可得,cxcxfTTTN而ΔN=±1cccxcccxxxfffTTTfTTT11（4.12）4.3.3中界频率研究量化误差（±1误差）对测频和测周的影响。测频、测周误差相等的频率称为中界频率。将（4.6）和（4.12）式中量化误差表达式联立可得式中，Mf为中界频率，cf为标准频率，T为闸门时间。MxxfTf1TffcM令则xxxxTTffcxxfTTf11因故图4.14中给出了不同闸门时间：0.1s、1s、10s和不同标准频率：10MHz、100MHz、1000MHz三种情况的交叉曲线。现以T=1s，cf=100MHz为例，可查知Mf=10kHz。100MHz图4.14测频量化误差与测周量化误差1Hz1KHz1MHz10-810-710-610-510-410-310-210-1110ST=1S0.1Sfc=10MHzfc=1GHzfc=100MHz测频的量化误差测周的量化误差Mff100MHz因此，当xMff宜测频；当xMff，宜测周。这给使用带来不便，要查知所用状态下的中界频率，是当前通用计数器的缺点，下面将介绍采用双路计数器的方法，对测频或测周都能实现等精度测量。例：某计数式频率计，测频闸门时间为1s，测周期时倍乘最大为×10000，时基最高频率为10MHz，求中界频率。4.3.4时间间隔的测量1.基本原理输入C10μS时基分频器+主门触发器触发器起始触发器终止触发器门控电路十进制计数器1MHz石英振荡器触发沿选择+--输入BS1μS10S（a）触发电平、触发极性可调图4.15基本时间间隔测量模式(b)被计时标数时标门控信号输入C终止输入B起始（a）组成方框图（b）工作波形图2.相位测量相位差的测量，见图4.16。Tt360则t对应的相位可以计得360Tt图4.16相位差的测量tφφ··T360ºt测相位要求两信号：同频同幅3.脉冲时间参数测量图4.17脉冲宽度测量模式τ②③④起始脉冲门控信号终至脉冲⑤触发器输出①输入信号0.5tr0.10.9脉冲上升时间测量模式4.4通用计数器4.4.1概述电子计数器问世于五十年代初期，它是出现最早、发展最快的—类数字式仪器。今天的电子计数器与其初期相比，面貌已焕然一新。4.4.2通用计数器的功能通用计数器系列产品很多，但大多都具有：测量频率、周期、多周期平均、时间间隔、自检、频率比、累加计数、计时等功能。这些功能在前面大多已介绍，这里仅对自检、频率比、累加计数等进行补充说明。1.自检这里有自检的方便条件仪器自检的重要性（如测自装振荡器的频率）输入电路A分频门控主门倍频晶振k次N……fcT=k/fcTNn次f0=1/T0=nfc=f0T0NT0=TN=T/T0=k/fc×nfc=kn=×=T0这里有无±1误差？210610810实际原理框图：图4.18自检原理方框图×21ms÷5÷10÷10÷10÷10÷10÷10÷10×10晶振5MHz10ns100ns1μs10μs100μs1ms10ms100ms1s10s012131S闸门时间选择时标信号选择门控双稳主门计数、显示N=1000000002.频率比(A／B)的测量频率比A／B是加于A、B两路的信号源的频率比值。根据频率和周期的测量原理，图4.19频率比测量原理方框图B01213TB主门计数、显示门控双稳放大、整形放大、整形AfATBTBTABAABTfNTf10nABfNf3.累加计数(计数A的测量)累加计数是在一定的时间内(通常是比较长的时间内，如自动统计生产线上的产品数量)记录A信号（如产品通过时传感器产生的光电信号）经整形后的脉冲个数。图4.20累加计数原理框图01213起始主门计数、显示门控双稳放大、整形A开门时间停止停止起始4.4.3单片通用计数器溢出累加计数5G7226B量程输入控制输入功能输入复位输入保持输入输入A输入BD1D8a~g复位保持频率频率比自检时间间隔周期100p10KV+K2K122MΩ10MV+V+39p39pV+100KΩ10K10KS2S10.01S0.1S1S10S外振荡允许S3选择S4外加小数点S4测量显示S7消隐显示S6dp77777777图4.21累加计数的原理方框图E312A型通用计数器的技术指标为：测频范围：1Hz~10MHz最小输入电压：正弦波时为30mV，脉冲波时为0.1V（峰-峰值）闸门时间：10ms，0.1s，1s，10s周期测量范围：10s~0.4μs，倍乘×1，×10，×100，×103标准频率：5MHz晶振，倍频后10MHz准确度和稳定度：±5×10-84.5*电子计数器性能的改进电子计数器性能改进的主要内容是如何减小测量误差，尤其是量化误差；如何提高测时间的分辨力；如何提高测频的频率范围，以至可测量更高波段的频率。4.5.1多周期同步测频（智能计数器）NxTx=N0T0（4.19）00fNNfxx（4.20）1.工作原理fx图4.22多周期同步测频原理(a)N0CP主门Nx主门N0同步闸门(D触发器)预置闸门脉冲计数器2#单片机计数器1#晶振1MHzD8253(b)≈1STxTNxTxNoToT0Dfx(CP)Tf0N0NxNxf0无±1误差有±1误差T2.误差分析由以上工作过程和波形图可以看出，Nx对被测信号Tx的计数是与闸门是同步的，故不存在量化（±1）误差。这样，用该计数器测频，不管频率高低其精度是相同的。这时误差仅发生在计数器2对f0的计数N0上，因为主门2与f0之间并无同步关系，故仍存在量化误差，不过通常f0fx，故±1误差相对小得多。例4.1分别用通用计数器和多周期同步计数器对50Hz正弦信号频率进行测量，计算其±1误差。设闸门时间为1s，晶振标准频率为1MHz。解：通用计数器测频±1误差2102102.01ssNNN多周期同步计数器测频±1误差6610111011ssNNN也称多周期同步计数器为等精度计数器,也称为“智能”计数器。4.5.2提高时间分辨力的办法在直接计数器中，为了提高测时分辨力和精度，就必须提高基准时钟频率，但是，钟频的提高意味着计数速度的提高，即使采用1GHz钟频，测时分辨力也只能达到1ns。因此，必须用其它方法来提高测时分辨力。1.内插法计数器用内插法测时间的原理，如图4.23所示。为了测量时间间隔x计数器实际测量的是0,1和2等三个参数，其中0——起始脉冲后的第一个钟脉冲与终止脉冲后的第一个钟脉冲之间的时间间隔；1——起始脉冲与第一个钟脉冲之间的时间间隔；2—一终止脉冲与紧接着到来的钟脉冲之间的时间间隔。由图4.23可知，被测时间间隔x为210x时钟脉冲输入信号起始终止τxτ0τ1τ2图4.23内插法原理012