第5章 时间与频率的测量

公式关系
设计数结果为 N：
（N个计数的周期）
TX N N = = K f Ts m f xm
（门控时间）
N fx = mKf Ts
N = mKf Ts f x
为了使N值能够直接表示 fx : 常取 mKf Ts = 1ms、10ms、0.1s、1s、10s 等几种闸门时间。 即当闸门时间为 1×10n s (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 点位置的移动同步进行时，无需对计数结果 进行换算，就可直接读出测量结果。
（2）触发误差 ）
触发误差又称为转换误差
产生原因：被测信号在整形过程中， 产生原因：被测信号在整形过程中，由于 整形电路本身触发电平的抖动， 整形电路本身触发电平的抖动， 被测信号叠加有噪声， 被测信号叠加有噪声， 各种干扰信号等原因， 各种干扰信号等原因， 使得整形后的脉冲周期不等于被测信号的周 由此而产生的误差称为触发误差。 期，由此而产生的误差称为触发误差。 闸门开启时间为 :
A通道是计数脉冲信号的通道。它对输入信号进 行放大整形、变换，输出计数脉冲信号。计数脉冲 信号经过闸门进入十进制计数器, 是十进制计数器的 触发脉冲源。
B通道是闸门时间信号的通道，用于控制 闸门的开启和关闭。输入信号经整形后用来 触发门控电路（双稳态触发器），使其状态 翻转。以一个脉冲开启闸门，而以随后的一 个脉冲关闭闸门，两脉冲的时间间隔为闸门 时间。在此期间，十进制计数器对经过A通 道的计数脉冲进行计数。
2. 电子计数器基本组成 （1） （2） （3） （4） 输入通道 计数显示电路 逻辑控制电路 标准时间产生电路
电子计数器基本组成方框
（1）输入通道 ）
输入通道即输入电路。其作用是接受被测信号，并 对被测信号进行放大整形，然后送入闸门（即主门或 信号门）。输入通道通常包括A、B 两个独立的单元 电路。
5.2 通用电子计数器及其应用
5.2.1 计数器概述
1．电子计数器的分类 ．
按其测试功能的不同，电子计数器分为以下几类： （1）通用电子计数器：是多功能电子计数器。它可以测量频 率、频率比、周期、时间间隔及累加计数等，通常还具有自检 功能。 （2）频率计数器：指专门用于测量高频和微波频率的电子计数 器，它具有较宽的频率范围。 （3）计算计数器 指的是一种带有微处理器、能够进行数学运 算、求解较复杂方程式等功能的电子计数器。 （4）特种计数器 是指具有特殊功能的电子计数器。如可逆计 数器、预置计数器、程序计数器和差值计数器等，它们主要用 于工业生产自动化，尤其在自动控制和自动测量方面。
5.2.3 电子计数器测量周期
Ts/m ( fs )
时标信号 计数脉冲
KfTx
B输入 输入 通道
KfTx 1/Kf
门控信号
Ts 1 K f Tx = N = N m mfs
NT 1 s Tx = N = mKf fs mKf
TX Kf —— 为闸门时间 ； Kf —— 分频器分频次数 ； Ts —— 为晶振信号周期； 调节 Kf 的旋钮称为 “周期倍乘率” ; 改变 Ts / m 的大小的旋钮称为“时标选择”开关。
1．直接测频法 常用的直接测频法分为谐振法和电桥法两种。 （1）谐振法 谐振法测频的基本原理如图5-1所示。将被测 信号作为谐振电路的电源，经互感与串联谐振回 路进行松耦合，通过改变电路参数使电路谐振， 调节可变电容器使回路发生串联谐振。谐振时回 路电流达到最大（电流表指示），被测频率可用 下式计算。
第5章 章
时间与频率的测量
5.1 概述
• 频率的测量可以分为模拟法和数字法两大类， 模拟法又可分为直接法和比较法两种，直接法 又有谐振法和电桥法两种。谐振法是利用电路 的频率响应特性来测量频率。电桥法是利用电 桥平衡原理来测量频率。比较法有拍频法、差 频法和示波器法。比较法是利用已知的参考频 率同被测频率进行比较而测得被测频率的。示 波器法是先读出波形在示波器上显示的周期再 换算成频率。 • 电子计数器法是测量频率最常用的方法，目前 的电子计数器由于使用大规模集成电路，因而 具有测量频率范围宽、准确度高、测量速度快、 数字显示、体积小、可靠性高等一系列优点。 电子计数器是一种最常见、最基本的数字化测 量仪器。
4. 自检（自校）
检查仪器自身的逻辑功能以及电路的工作是否正常。 检查仪器自身的逻辑功能以及电路的工作是否正常。
Tc Tc 时 信 标 号 晶振 分频 闸门
Ts
计数显示
Ts
分频 闸门信号 门控双稳
Ts
逻辑控制 电路
由图可见，自检就是电子计数器对内部 时间基准信号源进行测量，检测过程与 测量频率的原理相似，不过自检时的计 数脉冲不再是被测信号而是晶振信号经 分频后产生的时标信号Tc。显然，此时 Tc 计数值为 N=TS / TC 。
（2）差频法 高频段测频通常采用差频法。 差频法是利用非线性器件和标准信号对 被测信号进行差频变换来实现频率测量 的。其基本工作原理如图5-4所示。和两 个信号经混频器混频和滤波器滤波后输 出二者的差频信号，该差频信号落在音 频信号范围内，调节标准信号频率，当 耳机中听不到声音时，表明两个信号频 率近似相等。
5.2.2 电子计数器测量频率
A输入 输入 通道
计数 显示
倍频系数 — m
ห้องสมุดไป่ตู้
分频系数 — Kf
fx —— 被测信号频率，其倒数为周期 Tx； N —— 闸门开启期间十进制计数器计出 的计数脉冲个数； 1 fx = fs —— 晶振信号频率； Tx Ts —— 晶振信号周期； m —— 倍频系数； 1 fs = Kf —— 分频系数； Ts 闸门时间 —— Kf Ts 闸门时间选择 —— 调节 Kf 的旋钮；
2．比较测频法
常用的比较法有拍频法、差频法和示波器法。
（1）拍频法 拍频法是将被测信号与标准信号 经线性元件（如耳机、电压表）直接进行叠加 来实现频率测量的，其原理电路如图5-3所示。
当两个音频信号逐渐靠近时，耳机中可以 听到两个高低不同的音调。当这两个频 率靠近到差值不到4～6Hz时，就只能听 到一个近于单一音调的声音。这时，声 音的响度作周期性的变化，再观察电压 表，会发现指针在有规律地来回摆动， 被测信号的频率近似等于标准信号频率。 拍频法通常只用于音频的测量，而不宜 用于高频测量。
3. 测量时间间隔
Tc Tc
tab
晶振 输入A 输入通道 输入B 分频 闸门 计数显示
tab tab
门控双稳 逻辑控制 电路
tab
• 如图5-10所示为计数器测量两个脉冲之 间时间间隔的原理框图，其测量原理与 测量周期原理相似，相当于用被测信号 来控制计数。两个被测信号分别由A端和 B端输入，用其跳 • 变沿来控制闸门的开启和关闭。A信号用 来打开闸门，B信号用来关闭闸门，时标 信号Tc作为计数脉冲，在闸门打开的时 间内，由计数器进行计数，则两个信号 之间的时间间隔为 tab = N·TC 。
3. 电子计数器的主要技术指标
1) 测试功能： 2) 测量范围：仪器的有效测量范围 3) 晶振频率及稳定度 4) 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
(5) 测量准确度 (6) 闸门时间和时标 (7) 显示及工作方式 (8) 输出
（3）标准频率误差 ） 标准频率误差指的是由于晶振信号不 稳定等原因而产生的误差。 稳定等原因而产生的误差。
∆ s f
fs
2. 测量误差的分析
（1）测频误差： ）测频误差：
fx N = mKf T s
∆fx 1 1 =± =± fx N mKf Ts fx
（2）测周误差： ）测周误差：
N T = x mKf fs
∆Tx ∆N 1 = =± Tx N mKf fsTx
量化误差的公式为： 量化误差的公式为：
∆ = ±1 N
量化误差的相对误差公式为： 量化误差的相对误差公式为：
∆N 1 γN = ×100% = ± ×100% N N
量化误差公式分析:
从公式可看出，总读 数越大 数越大， 越小， 从公式可看出，总读N数越大，γN 越小，测量 的相对准确度就越高。 的相对准确度就越高。 例如：计数器读数 N=100时， γN =±1% 例如： 时 N=10000时 读数 N=10000时， γN =±0.01% 同是± 个字的误差 个字的误差， 同是±1个字的误差，但对测量准确度的影响 却大不相同。 却大不相同。
5.3 电子计数器的测量误差分析
1. 测量误差的来源
量化误差 触发误差 标准频率误差
（1）量化误差 ）
量化误差是在将模拟量转换为数字量的量 化过程中产生的误差， 化过程中产生的误差，是数字化仪器所特 有的误差，是不可消除的误差。 有的误差，是不可消除的误差。
量化误差的特点是： 量化误差的特点是： 无论计数值为多少, 每次的计数值总是相差± 。 无论计数值为多少 每次的计数值总是相差±1。
Tx + ∆T + ∆T2 1
触发误差的相对误差 ：
∆T x =± T x
Un 2 KfUm π
Un — 为噪声或干扰信号的最大幅度 为噪声或干扰信号的最大幅度, Um — 为被测信号电压幅度 为被测信号电压幅度, Kf — 为B通道分频器分频次数。 通道分频器分频次数。 通道分频器分频次数 对测量周期的影响较大， 触发误差 — 对测量周期的影响较大， 对测量频率的影响较小。 对测量频率的影响较小。
（4）逻辑控制电路 ）
逻辑控制电路 其主要功能是产生各种控制 信号，如产生测频时的门控信号、时间测量 的时标信号等，用于控制电子计数器各单元 电路的协调工作。一般每一次测量的工作程 序是： 准备→计数 →显示→复零 → 准备下次测量
测周期时: 测周期时 标准时间信号（晶振）经过放大 整形和倍频电路，送入A通道，用作测周 期时的计数脉冲，称为时标信号； 测频率时: 标准时间信号（晶振）经过放大 测频率时 整形和一系列分频，送入B通道，用作控制 门控电路的信号，称为时基信号。