模块四 时间与频率的测量

模块四时间与频率的测量
§4-1数字式频率计
学习目标
1、了解数字式频率计的基本组成和主要技术指标
2、熟悉数字式频率计的测量原理
3、掌握数字式频率计的使用
数字式频率计是一种用电子学方法测出一定时间间隔内输入的脉冲数目，并以数字形式显示测量结果的测量仪表。

数字式频率计的核心是电子计数器，其作用是在一定的时间间隔内进行累加计数，以完成各种测量。

实际上，它还可以进行计数测量周期、平均周期、频率比、时间间隔、累订数、计时等其他操作。

一、数字式频率计的组成
数字式频率计一般由频率／电压（f／U）转换器和数字式电压基本表配合组成。

f／U转换器的作用是将被测频率信号转换成直流电压，然后送入数字式电压基本表进行测量，其工作程序如图4-1-1所示。

f／U转换器主要由6部分组成，各部分的名称及功能见表4-1。

图4-1-1 数字式频率计的工作方框图
表4-1 f／U转换器的组成及各组成部分的功能
从f／U转换器输出的、与被测频率成正比的直流电压直接送到数字式直流
电压表即可测量出被测信号的频率。

二、数字式频率计的工作原理
被测信号f x经放大整形后成为计数脉冲CP（如图4-1-2a和b所示），送到
控制门。

由石英晶体振荡器产生的振荡信号经分频器分频后输出时间基准信号
T
，并打开控制门，如果控制门打开的时间正好是1s，则通过控制门送入计数器a
的CP脉冲个数，就是被测信号的频率。

这就是数字式频率表的基本工作原理。

显然，频率表显示的是在T a这段时间内被测信号的平均值。

在数字式频率计中，控制门每打开一次，就完成一个测量过程，过程结束自
动回到零位，接着重复下一个测量过程。

换句话说，控制门每开闭一次，显示器
就显示一次被测信号的频率，而且控制门开闭的时间间隔可以调节。

于是，数字
式频率表就会以不同的速度重复闪动，显示出被测信号的频率。

图4-1-2 数字式频率表工作波形图
三、数字式频率计的使用
（一）HC-F1000L数字频率计的介绍
图4-1-2 前面板图
1．电源要求
（1）电源要求 AC220V ± 10％，50Hz单相，最大消耗功率10W。

（2）测量前预热20min以保证晶体振荡的频率稳定。

2．前面板特性
前面板图如图4-1-2所示。

（1）电源开关（POWER）仪器220V电源开关。

（2）复位按钮（RESET）整机复位。

当仪器工作不正常时，可按复位按钮。

（3）功能健FA A通道测频功能。

用于1Hz～100MHz信号频率的测量。

（4）功能键FB B通道测频功能。

用于100MHz～1GHz信号频率的测量。

（5）功能键PA A通道测周功能。

用于1Hz～100MHz信号周期的测量。

（6）闸门时间0.001s（GT 0.001s）测量时闸门开启时间为0.001s，测量结果为六位。

（7）闸门时间0.01s（GT 0.01s）测量时闸门开启时间为0.01s，测量结果为七位。

（8）闸门时间0.1s（GT 0.1s）测量时闸门开启时间为0.1s，测量结果为八位。

（9）低通滤波（LPF OUT／IN） A通道低通滤波器，截至频率约100kHz。

（10）衰减（ATT ×1／×20） A通道衰减，截止频率约100KHz。

（11）闸门指示灯指示灯亮表示闸门开启。

（12）溢出指示灯指示灯亮表示测量结果溢出，超过正常测量范围。

（13）显示屏 8位LED数码管显示测量结果。

（14）HZ 频率测量结果的单位为Hz。

（15）KHZ 频率测量结果的单位为KHz。

（16）MHZ 频率测量结果的单位为MHz。

（17）μs 周期测量结果的单位μs。

（18）A通道输入端通道阻抗为1MΩ，35PF。

输入频率低于100MHz的信号。

（19）B通道输入端通道阻抗为50Ω.输入频率为100MHz～1GHz的信号。

3．后面板特性
后面板图如图4-1-3所示。

图4-1-3 后面板图
（1）标频输出端输出内标频信号，f0＝10MHz，TTL电平。

（2）电源输入端 220v±10％交流，50Hz市电。

（3）保险 0.3A。

（二）HC-F1000L数字频率计的使用
1、测试前的准备
（1）把仪器电源插头和供电插座连接，检查后面板内外接选择开关位置，一般开关置于“内接”位置，如图4-1-4所示。

图4-1-4
【小提示】
确认市电电压在220V±10%范围内，方可将电源插头插入本机后面面板的电源插座内
（2）打开电源开关,此时仪器对数码管每段进行测试,单位指示灯全部亮。

5s后进入测量状态。

如果功能开关和闸门时间开关未设置，则显示全0，单位指示灯全亮。

需对仪器进行正确的设置，如图4-1-5所示。

图4-1-5
2、频率测量
（1）首先把输入信号接至输入A通道输入端，如图4-1-6所示。

图4-1-6
【小提示】
当被测信号频率范围在f x＝1Hz～100MHz时用A输入通道
（2）估计被测信号的幅度。

若信号幅度大于10V，将衰减器打至“×20”，以防烧坏通道电路，如图4-1-7所示。

图4-1-7
【小提示】
可选择不同的闸门时间得到所需要的分辨率
（3）设定功能开关在FA位置，如图4-1-8所示。

图4-1-8
【小提示】
当被测信号频率范围在100MHZ~1GHZ时用FB输入通道，把输入信号接至输入FB插座；设置频率FB功能开关；使用门时选择开关选择所需要的分频率.
（4）接入信号源，如图4-1-9所示。

图4-1-9
【小提示】
若测量频率较低(低于100KHz)且信号高频噪声较大,可使用低通滤波LPF(低通滤波器)
（5）显示器显示频率值，在每次测量过程中闸门灯亮,而测量间隔的末尾更新显示结果. 如图4-1-10所示。

图4-1-10
3、周期测量
（1）估计被测信号的幅度.若信号幅大于10V,将衰减器打至“×20”，以防烧坏通道电路，如图4-1-11所示。

图4-1-11
【小提示】
用A输入通道,当被测信号频率范围在1Hz~100MHz时测量
（2）把输入信号接至输入FA通道输入端，如图4-1-12所示。

图4-1-12
（3）设定功能开关在PA位置，如图4-1-13所示。

图4-1-13
【小提示】
可选择不同的闸门时间得到所需要的分辨率
（4）显示器显示周期值.在每次测量过程中闸门灯亮,而测量间隔的末尾更新显示结果，如图4-1-14所示。

图4-1-14
【小提示】
若显示Err，表示测量出错，可按复位键，如果仍然出错，则需要修理。

所加的输入信号电压大于“技术指标”中所列的限制将会损坏频率计。

因此在接入输入信号之前，必须确保其不大于仪器所能接受的最大值。

§4-2扫频仪
学习目标
1、了解扫频仪的基本组成和主要技术指标
2、熟悉扫频仪的测量原理
3、掌握扫频仪的使用
在电子测量中，经常需要测量电子设备（或网络）的频率特性，也就是需要了解在某一频率范围内，当输入电压幅度恒定时，电子设备（或网络）输出电压随其频率而变化的特性，通常称之为幅频特性。

频率特性测试仪又称扫频仪，它是根据扫频原理，利用示波器屏幕直接显示被测电子设备（或网络）幅频特性的专用示波器，它是示波器功能的又一扩展。

频率特性测试仪广泛应用于无线电设备测量领域,对各种放大器频率特性的调整\检验及动态快速测量都带来极大的便利。

一、BT3型频率特性测试仪的原理
BT3型频率特性测试仪的原理框图如图4-2-1示。

仪器主要由三个部分组成。

图4-2-1 BT3型频率特性测试仪的原理框图
1．扫频信号发生器
测试仪的工作频带为1~300MHz，共分三个波段：第一波段1~75MHz，第二波段75~150MHz，第三波段150~300MHz。

扫频信号发生器由两组振荡器组成，第一组振荡器为第一波段所专用，它包括两个振荡器，一个振荡器产生290MHz的固定频率，另一个振荡器产生215~290MHz的扫频信号，二者混频后便可得到0~75MHz的扫频信号。

第二组只有一个振荡器，它能直接输出75~150MHz的扫频信号，用于第二波段，经倍频后又可得到150~300MHz的扫频信号，用于第三波段。

仪器面板上设有波段开关和中心频率度盘。

为了控制扫频信号输出幅度，还设有衰减电路，对应于面板上用分贝数标度的输出衰减开关。

2．频标信号发生器
用频率特性测试仪调试被测电路时，除了必须显示被测电路频率特性曲线外，还必须准确指出特性曲线上任何一点所对应的频率值，这项工作是由频标发生器所产生的频标信号来完成的，如图4-2-2所示。

晶体振荡器产生f L为1MHz或10MHz 的频标信号，通过谐波发生器（相当于频率倍增器），得到f L的N倍（N为正整数）的频标信号，然后将其与扫频信号（设其频率变化范围为f min~f max）一起加到混频器进行混频，产生频率为（f min~f max）-N f L的输出信号。

如N为某一数值恰好使Nf
落在扫频信号的频率变化范围内，则该输出信号便是一个以零频率为中
L
心的调频信号。

再经放大并由带通滤波器滤波，便可获得一个接近菱形的频标信号。

例如，一个35MHz（即N f L=35×1MHz）的频标信号与f min~f max=34.8~35.2MHz
的扫频信号混频，通过带通滤波器和垂直放大器加到示波管的垂直偏转板上，如果在垂直偏转板上同时作用着反映被测电路幅频特性的检波电压，那么菱形的频标波形就显示在幅频特性曲线的35MHz那一点上，如图4-2-3所示。

因为菱形频标具有一定的频率宽度，所以只有当菱形频标的频率宽度和扫频范围相比很窄时，才能形成一个很细的频标。

图4-2-2 频标信号发生器原理框图
图4-2-3 带有频标的幅频特性曲线
通常1MHz的频标间隔较窄，幅度较小；10MHz的频标间隔较宽，幅度较大。

在测试中，如仪器内部1MHz和10MHz频标不能满足要求时，可利用外接频标端子接入所需要的标准信号，此时在屏幕上显示的便是外接的幅频信号。

3．显示部分
包括扫描信号发生器、垂直放大器和示波管等。

其中扫描信号发生器实际上是以电源变压器的次级绕组来代替的，扫描信号就是从该绕组取出的50Hz交流电压，将其送到示波管水平偏转板进行扫描，同时送到扫频振荡器进行调制，保证扫描信号与扫频信号同步。

4．面板说明
BT3C型频率特性测试仪的面板如图4-2-4所示。

（1）显示部分
1）电源、辉度兼电源开关和辉度调节作用。

2）聚焦。

调节扫描线清晰度。

3）标尺亮度。

调节屏幕标尺亮度。

4）影象极性。

改变波形显示极性，有“+”“-”和“鉴频”选择。

5）Y轴位置调节曲线在垂直方向移动。

6）Y轴衰减。

改变Y轴增益和波形高度，有×1，×10，×100三挡。

7）Y轴增益。

调节Y轴增益和波形高度。

8）Y轴输入。

被测网络输出信号接入端。

图4-2-4 BT3C型频率特性测试仪的面板
（2）扫描部分
1）波段开关改变输出扫频信号的频率范围，分为Ⅰ（0~75MHz），Ⅱ（75~150MHz），Ⅲ（150~300MHz）。

2）中心频率度盘。

能连续改变扫频信号的中心频率。

3）输出衰减。

调节输出扫频信号的幅度。

4）扫频电压输出。

调节扫频信号的输出端，可接输出探头。

5）频率偏移。

调节扫频信号的频偏宽度，在测试时可以调整适合被测网络通频带宽度所需的频偏，顺时针旋转，频偏增宽。

（3）频标部分
1）频标选择。

分1MHz、10MHz和外接3挡。

2）频标幅度。

调节频标显示幅度。

3）外接频标输入。

外接频标信号的输入端，使用此输入端时，频标选择应设置在“外接”挡。

二、BT3型频率特性测试仪的使用
1、测试前的准备
（1）显示系统的检查。

接通电源，预热5~10min，然后调节辉度和聚焦，得到亮度适中的聚焦清晰的扫描基线，如图4-2-5所示。

图4-2-5
【小提示】
调整Y轴位置旋钮，扫描基线应能上下移动
（2）将50Ω连接电缆插入Y输入口，将75RF宽带检波器接RF输出口，如图4-2-6所示。

图4-2-6
（3）检查仪器内部标记，按入50MHz，10.1 MHz，扫描线上应分别呈现出50MHz或10.1频标信号，如图4-2-7所示。

图4-2-7
（4）调节频标幅度旋钮，可以均匀地改变频标的大小，如图4-2-8所示。

图4-2-8
（5）频率范围的检查：将粗细衰减器置于0dB，如图4-2-9所示。

图4-2-9
（6）扫频方式选用“全扫”，频标方式按键选用50MHz，极性选择开关放在“+”位置，调节Y位移和Y增益，倍率开关选用×10挡，如图4-2-10所示。

图4-2-10
（7）曲线上从零频数的标记数应大于6个，如图4-2-11所示。

图4-2-11
（8）扫频方式选用“窄扫”时，频标方式按键选用50MHz，如图4-2-12所示。

图4-2-12
（9）旋转中心频率旋钮，同时在曲线上从零频数得6个，扫频宽度电位器
调至最大，频标方式选用10.1 MHz，10 MHz的标记数应大于4个，如图4-2-13所示。

图4-2-13
2、测试仪的使用
（1）无源滤波器的测试，将RF扫频输出口接滤波器输入口。

滤波器输入口接检波器后送给显示输入口，显示方式置于DC，倍率×1，调Y位移使基线与底格重合，Y增益调至5div，适当选择扫频宽度进行测量，如图4-2-14所示。

图4-2-14
（2）有源放大器、中高频电路的测量，对有源网络的测量必须注意信号馈给时隔直流问题，如图4-2-15所示。

图4-2-15
【小提示】
注意RF输出的大小应保证被测网络输出不失真，不饱和，同时通过检波器的信号不可大于100mW，以免损伤滤波器。

（3）谐振回路测量，测量时应尽可能做到外电路与谐振回路松耦合，为此可在信号馈入点外加入适量的电抗分量元件，如图4-2-16所示。

图4-2-16
【小提示】
注意使被测回路的输入端尽可能构成行波状态，从而减少反射的影响。

信号的定性检测用高阻检波器比较方便，在高阻检波器的输入点可串接一小电容，以减小测试回路可能产生失谐问题
三、扫频仪的注意事项
1、扫频仪与被测电路相连时，必须考虑阻抗匹配问题。

2、若被测电路内部带有，而直接用开路电缆与仪器相连。

3、在显示幅频特性时，如有发现图形异常曲折，则表示被测电路中有寄生振荡，在测试前予以排除
4、测试时，输出电缆和检波探头的接地线应尽量短些，切忌在检波头上加接导线。

实训：扫频仪的使用
一、实训目的
1.能熟练使用扫频仪测试中频放大器的技术指标。

2.培养学生分析问题和解决问题的能力。

二、实训设备与工具
扫频仪1台、中频放大器一个、通用工具1套。

三、实训内容与步骤
扫频仪的测试应用，以一个中频放大器为例，它的技术指标如下：中心频率为30MHz，频带宽度为6MHz，增益大于50dB，特性曲线顶部呈双峰曲线，平坦度小于ldB。

测试步骤和方法如下。

（一）测试前准备
开机预热，调节辉度、聚焦，使图形清晰，基线与扫描线重合，频标显示正常。

波段选择开关置于I位置，中心频率为30MHz，频偏约为±5MHz，扫频电压输出接带75Ω的匹配电缆，Y轴输入接检波器电缆，把以上两根电缆探头直接相连。

Y轴衰减置于“1”位置，Y轴增益旋至最大位置，调节输出衰减使曲线呈矩形，且其幅度为5大格，记下输出衰减的分贝数，如为12dB。

（二）测试
1、按图4-2-17所示连接电路。

但输出电缆探头接一个510pF左右的隔直电容，再接到中频放大器的输入端，引入这个隔直电容的目的，是防止影响放大器电路的偏置电压；带检波器电缆探头经1KΩ隔离电阻接于中频放大器的输出端，有这个隔离电阻可以减小检波器的输入电容对调谐频率的影响。

图4-2-17 测试电路幅频特性的连接图
2、测试
将Y轴衰减置于10档上（相当于衰减20dB），输出粗调衰减置于40dB上，再来调整输出细衰减，使波形曲线高度为5大格，记下总分贝数，如为42dB，则该中频放大器的电压增益为：电压总增益=42dB+20dB-l2dB=50dB。

调节中频放大器的有关元件，使波形曲线达到技术指标如图4-2-18所示的频率特性曲线，调试时若出现如图4-2-19（a）、（b）所示的特性曲线时，表示电路处于临振和已振状态，应调整中频放大器的工作点，消除这种现象。

图4-2-18 放大器的频率特性曲线
图4-2-19 电路临振和已振状态时的特性曲线三、实训测评
实训评分标准。