电子测量技术频率时间与相位测量

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这种方法误差较大，目前已很少用。（参见本书第二章） 其次是谐振法，将被测信号作用为谐振电路的电源，
通过改变电路参数使电路谐振，然后由电路参数可得被测 频率。这两种方法都可在所调节的电路参数上直接按频率 刻度，测量时可直接读出结果。
3.示波器法 用示波器来进行测量是非常直观的，下面介绍几种常 用方法。 (1)直接测量法测频率 用示波器直接测量频率已在第三章中讨论过，这里再 简要介绍一下。
信号加在示波管的控制栅极和阴极之间进行辉度调节。时
标信号周期远小于被测信号周期，则屏上显示的被测信号
波形明暗相间，这一明一暗正好是时标信号周期，从而被
测信号周期为：
Tx nT0
（6-4）
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式中：To为时标信号周期； n为T内的标记数。
(3)李沙育图形法测频率 李沙育图形法测频率在第四章中已介绍。应注意的是 在Y和X输入中必有一个标准频率信号，同时对Y和X输入 信号的波形、幅值、频率都有一定要求，而且测量的频率 范围不宽。此外，测量时应使屏上显示的图形要明了直观. (4)相位测量 示波器测量相位差有下述测量方法:
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上述为宏观记时标准，需要精密的天文观测，手续烦 杂，准确度有限，不便于作为测量过程的参照标准。而近 几十年来引进了微观计时标准，即原子钟，它以原子或分 子内部能级跃迁所辐射或吸收的电磁波的频率作为基准来 计量时间。铯-133（Cs133）原子基态的两个超精细能级 之间跃迁所对应的9192631770个周期的持续时间为一秒， 以此定出的时间标准称为原子时（记作AT），其准确度可 达10-13量级。
可见误差有两部分，第一项是计数相对误差；第二项 是主闸门开启时间误差，它决定于石英振荡器所提供的标 准频率的准确度。
1.计数误差 计数误差也叫量化误差或±1个字误差，它是电子计 数器的固有误差，也是数字仪表特有的误差。
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产生计数误差的原因，是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。因被测信号与门控信号 之间没有同步锁定关系，门控信号的起始点随开机时刻完 全是随机的；而且被测信号周期是任意的，而门控信号周 期是一定的。当闸门开启时间Ts与被测信号周期T的整数 倍相当时，产生±1误差更为典型。在图6-5中，Ts与8 T相 当，无论t时刻是提前还是推迟均计数脉冲N =8。对图示t 时刻，若Ts约小于8 T，则计数脉冲N =7（即前后两个脉 冲不被计入）；若Ts约大于8 T，则计数脉冲N =9（即前 后两个脉冲被计入）。
被测频率。
5.比较法
比较法是将被测频率与标准已知频率进行比较来得到
测量结果。常用方法有下述两种： 线性电路
百度文库
fx
(1).拍频法 示波器
原理(或电耳机)路见图6-1所示。它将
fs
被测频率信号与标准频率信
号通过线性电路进行迭加，然
图6-1 拍频法测频率原后理把电路迭加结果在示波器上观察
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4.F/V变换测量法
这种方法是将被测频率f经“F/V”变换环节变换成电 压
，然后用电压表对电压进行测量，通过电压反映被测频率
。也有按“F/I”转换将频率转换成电流，通过测电流来反 映
被测频率的。采用“F/V”集成电路做成的测频仪器，最
高
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续监测被测频率的变化。
当然，也可采用“T/V”变换来测信号的周期，由周期 得
原子时比天文时和石英标准都稳定，这是由原子本身 结构及其运动的永恒性决定的。自1972年1月1日零时起， 时间单位秒由天文秒改为原子秒，使时间标准由实物基准
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转变为自然基准。 需要指出的是，在电子仪器中常采用石英频率标准。
其原因在于：其一，石英晶体的机械稳定性和热稳定性很 高，它的振荡频率受外界因数的影响较小，因而比较稳定 ；其二，石英频率标准发展快，六十年来将准确度和稳定 度提高了4个数量级；其三，石英晶体振荡器结构简单， 制造、维护、使用均方便，而且准确度能满足大多数测量 的需要。因此，石英频率作为一种次级标准，已成为最常 用的频率标准。
操作也相对复杂些。
b.双踪示波器法
利用双踪示波器或双线示波器来测量信号的相位差非常方
便，第四章已作介绍，不再重述。
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c.李沙育图形法
第四章对此也作了介绍，示波器工作在 “X—Y方式”
，通过屏上显示的椭圆程度来判断二信号的相位差。
对三相交流对称电路相位的测量，可用两块功率表进
行测量，见第七章内容。
a.单踪示波器法 将被测二信号先后接入Y输入进行显示，记住第一个
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输入信号显示时的位置，则显示第二个输入信号时就可读
出相位差对应的距离，同时再读出信号一个周期的距离，
则被测结果为： x 360
xT
（6-5）
利用这种方法还可以测试出三相交流信号的相序。不
管是测相位差还是测三相电的相序，这种方法较为费时，
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扫描微调应置“校正”位，调节“时基开关”（即扫 描速
度），使选择的扫描恰当，屏上显示适中稳定的波形，则
由屏上读得的一个周期的距离（单位cm）和时基开关档位
（单位s/cm）可得： Tx sXxT
（6-2）
式中：T为被测周期（单位s），S为扫描速度（单位s/cm
）。若使用了“X扩展”，则应除以扩展系数。
闸门的开启时间是可以改变的。如8位显示电子计数器 式频率计，取显示单位为KHz，设被测f=10MHz，若选闸 门时间T=1s，则显示10000.000KHz；若选T=0.1s，因闸门 开启时间小10倍，所计脉冲数也小10倍，则小数点右移一
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位，显示010000.00KHz，如此类推。可见，选择闸门时间 T大一些，数据有效位多，因而测量准确度高。
图6-4中各处信号的波形关系，可见图6-5 所示。图中 的被测信号为正弦波形，整形后只是在过零变正的瞬间产 生脉冲，而且一个周期只产生一个脉冲。
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6.2.4 误差分析
由式（6-6）可得：
dfx dNdTs fx N Ts
（6-7）
最大误差： d ffxx ma x(d NN d T ssT )(|N||T|) （6-8）
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号。通常是1MHz或5MHz，稳定度达10～10数量量级。 分频器：实为计数器，每输入十个脉冲才输出一个脉
冲。通过多次分频可获得不同的时间基准（或时标信号）. 门控：是双稳电路，提高分频信号的前沿陡度，使时
基准确。 主闸门：具有与门电路一样的功能，只有在门控信号
作用下才能开启，即在门控信号高电平期间脉冲通过闸门 进入计数器被计数。
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6.2.2 电子计数器测频的组成框图
电子计数器的组成框图见图6-4所示
fx
放大
整形
闸门
十进制 计数器
译码 显示
门控
晶振
1ms
K
10S 1s
10ms 0.1s
时标
放大 整形
十进分频
图中各电路的作用如下： 放大整形：放大是对小信号而言，整形是将各种被测
波形整形成脉冲（如采用施密特电路）。 晶振：石英晶体振荡器，产生频率非常稳定的脉冲信
此外，计数、译码、显示等电路是数字仪表所共性 的，这里不多述。
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6.2.3 频率测量原理
被测信号经放大整形后送入闸门。晶振信号经分频得 到的时间基准信号送入门控电路，门控电路在所选的时间 基准内输出高电平，从而打开主闸门。在主闸门打开期间 ，被测信号整形后的脉冲通过主闸门进入计数器被计数， 然后再译码和显示。显示按式（6-6）所示关系进行。
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第6章 频率（时间）与相位测量 6.1 时频标准及测量方法 6.2 电子计数器测频率 6.3 电子计数器测时间 6.4 电子计数器测量相位
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在自然界中，周期现象是极为普遍的，在电信号内（ 特别是电子技术中）也是常见的。而频率和周期是从不同 的两个侧面来描述周期现象的，二者互为倒数关系。周期 实质上是时间（即时间间隔），而时间是国际单位制中七 个基本物理量之一，单位为秒，用s表示。相位与时间也 是密切相关的，其关系表述为：
t 36036 0ft
T 式中的φ表示相位，f和T分别是频率和周期。
（6-1）
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所以，频率、时间、相位三个量可归结为一个量的 测量问题。在电子技术领域内，频率是最基本的参数之一 ，它指单位时间内周期变化或振荡的次数，许多电参数的 测量方案及结果都与之密切相关。因此，频率的测量是十 分重要的，而且到目前为止频率的测量在电测量中精确度 是最高的。
波形，或者送入耳机进行监听。当f＝fs时，线性迭加结果
振幅恒定；若f≠fs，线性迭加结果振幅是变化的。这种方
法适于测低频，且被测与标准信号波形应相同，目前很少
应用。
fx
非
(2)差频法
fs
线
原理电路见图6-2所示。
性
示波器 被测与标准信号送入非线
电
性电路进行混频，然后再
路
用示波器等来监测。混频
图 6-2 差频法测频率
结果中有fo＝f－fs，若f＝ fs，则fo＝0，输出直流
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6.计算法 以上各测量方法都有它的局限性，特别是在测量范围 和准确性方面有不足之处。目前，由于数字电路的飞速发 展和数字集成电路的普及，电子计数器的应用已十分普遍 ，利用电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量 迅速以及便于实现测量的自动化等突出优点，故已成为近 代频率测量的重要手段。所以，本章对电子计数器测量频 率等加以重点介绍。
被测信号频率为：
fx

1 Tx
（6-3）
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(2)时标法测频率
直接测量法中，除需对扫描速度校准外，其准确度还
与示波器分辨率和扫描线性及放大器增益稳定性有关。然
而，时标法可克服扫描非线性所引起的误差。
时标法的原理是：在扫描发生器控制下，扫描正程期
间时标发生器工作，产生方波（或正弦波）时标信号 ，此
fx

N TS
（6-6）
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电子计数器就是严格按照式（6-6）进行测频的，原理 框图见图6-3所示。被测信号通过脉冲形成电路转变成脉冲 信号送入闸门，在门控信号作用时间内闸门打开，脉冲通 过闸门进入计数器计数。若闸门在控制信号作用下开启时 间为1s，则计数器所计的数即为被测频率值。
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6.1.2 频率或时间标准
人们早期根据在地球上看到太阳的“运动”较为均匀 这 一现象建立了计时标准，把太阳出现于天顶的平均周期（ 即平均太阳日）的86400分之一定为一秒，称零类世界时 （记作UTo），其准确度在10-6量级。考虑到地球受极运 动（即极移引起的经度变化）的影响，可加以修正，修正 后称为第一世界时（记作UT1）。此外，地球的自转不稳 定，进行季节性、年度性变化校正，引出第二世界时（记 作UT2），其稳定度在3×10-8。而公转周期却相当稳定， 于是人们以1900回归年的31556925.9747分之一作为历书时 的秒（记作ET），其标准度可达±1×10-9。
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6.2 电子计数器测频率
广为应用的电子计数器不但能测频率，还能测周期、
相位差等，故称为“通用计数器”。
6.2.1 测频基本原理
fx
脉冲形成电路
闸门
十进制计数器
门控信号
频率的定义，是指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：
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6.1 时频标准及测量方法
6.1.1 频段的划分
频段的划分，方法很多。国际上规定30KHz以下为甚 低频、超低频，30KHz以上每10倍依次划分为低、中、高 、甚高、特高、超高等频段(微波技术按波长划分)。在一 般电子技术中，20Hz～20KHz内称音频，20Hz～10MHz 内称视频，而30KHz～几十GHz内称射频。当然，电子测 量技术也有按30KHz（或100KHz）为界来划分，30KHz 以下为低频，30KHz以上为高频。
最后还要指出，时间标准就是频率标准，这是因为频 率与时间互为倒数。
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6.1.3 频率（时间）测量方法
1.直读法 在工程中，工频信号的频率常用电动系频率表进行测 量，并用电动系相位表测量相位，因为这种指针式电工仪 表的操作简便、成本低，在工程测量中能满足其测量准确 度。这种电动系频率表和相位表，可见本书第二章。 2.电路参数测量法 通过测量电路参数达到测量频率目的的方法有两种。 首先是电桥法，把被测信号作为交流电桥的电源，调节桥 臂参数使电桥平衡，由平衡条件可得出被测频率的结果。