电子测量与仪器课件 第七章 频率和时间测量及仪器2

多周期测量法；可以直接测量低频信号的周期，否则，测出
频率后再进行换算，该方法属于间接测量法。
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第7章 频率和时间测量及仪器
所谓的高频或低频是相对于电子计数器的中界频率而言的。 中界频率是指采用测频和测周两种方法进行测量，产生大小相 等的量化误差时的被测信号的频率。 （2）测周触发误差
减小测周触发误差的方法如式(7-2)结论所述，不再赘述。 综上所述，多周期测量法以及提高信噪比、选用短时标信 号等方法，可以减小测量周期的误差。 7.4.3 频率扩展技术
1 N m
N
i 1
m
i
24
N
第7章 频率和时间测量及仪器
用平均值 N 代替式（7-5）中的N表示测量结果，存在关系：
T T 1 s N 360 s Tx Tx m

m
N Ni 360 360 Kf i 1
m
N
N
i 1
i
式中，N∑是在T∑时间内实际通过计数门1和计数门2的脉冲总 个数，也就是在时间TΣ内通过计数门2的脉冲累加值；Kf为分 频次数，由分频器的分频指示值读出。相位差Δφ与NΣ成正比， 计数值N∑能直接用来表示测量结果。平均值数字相位计的测 量结果只决定于计数值N∑，而与被测频率fx无关。
由于受十进制计数器处理速度等因素的限制，上述类型的 电子计数器比较适合频率低于700MHz左右的信号，在A通道分 别采用倍频器时，频率范围就更窄了。通常采用外差降频变换 法、预定标法、转移振荡器法、谐波外差变换法、取样法等方
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第7章 频率和时间测量及仪器
7.4.3 频率扩展技术
由于受十进制计数器处理速度等因素的限制，上述类型 的电子计数器比较适合频率低于700MHz左右的信号，在A通
道分别采用倍频器时，频率范围就更窄了。通常采用外差降 频变换法、预定标法、转移振荡器法、谐波外差变换法、取 样法等方法来扩展计数器的测频范围，这样的计数器适合用 来测量高频信号频率，称之为数字频率计，测频上限可高达 170GHz。下面主要介绍外差降频变换法和预定标法。
1. 外差降频变换法
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第7章 频率和时间测量及仪器
个信号的相位差相对应，u3脉宽期间打开计数门，时标信号 则 18
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经由计数门至计数显示电路，得到对应的相位差数值。其工 作波形如图7.21所示。
设被测信号周期为Tx，门控信号u3的宽度，亦即两个信号
相位差Δφ对应的时间为tφ，则
t Tx 360
（7-3） （7-4）
u4
计数显示
u6
计数门2
u5
门控电路2
图7.22 平均值数字相位计原理框图 22
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u (t ) 0 u1 u'1 0 u'2 0 u3 0 u4 0 u5 u2 Tx t t t t
T∑
N∑
t
0
u6 0
t
t
图7.23 平均值数字相位计工作波形图
计数门1的工作过程与瞬时值数字相位计完全相同，存在关系：
加计数范围：1～108。
（3）输入特性 输入耦合方式；输入电压范围；输入阻抗：R,Ci。
（4）闸门时间: 10ms、0.1s、1s、10s。
（5）时标（晶振）:时标为0.1μs。 （6）显示位数及显示器件: 8位LED （7）输出: 输出频率;输出电压;输出波形
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7.5.2 工作原理:
和各种干扰信号等原因，使得整形后的脉冲周期不等于被测 信号的周期，由此而产生的误差称为触发误差。
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A'1 A1 干扰信号 A2 A'2
触发电平VB 干扰信号
0
被测信号
Tx
闸门开启 ΔT1 T'x=ΔT1+Tx+ΔT2
闸门关闭 ΔT2
图7.14触发误差产生示意图
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RESET
TOT PER FREQ CHK
10ms 0.1s 1s 10s
FUNCTION
1 10 100 1000
PERIOD AVERAGE
100MHz
0.1Hz
1MΩ
图7.19 NFC-100型电子计数器前面板图 16
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②在使用电子计数器进行测量之前，应对仪器进行“自 检”，以初步判断仪器工作是否正常。 ③被测信号的大小必须在电子计数器允许的范围内，否则， 输入信号太小测不出被测量，输入信号太大有可能损坏仪器。
较小，所以测频时一般不考虑触发误差的影响。
为了减小测周时触发误差的影响，除了尽量提高被测信号的 信噪比外，还可以采用多周期测量法测量周期，即增大B通道
分频器分频次数。
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3. 标准频率误差Δfs/fs
标准频率误差是指由于晶振信号的不稳定等原因而产生 的误差。测频时，晶振信号用来产生门控信号（即时基信
Ts N 360 Tx
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门控信号u5是利用频标信号fs分频得到的。分频系数为Kf， 其门控时间T∑为：
T 1 K f Ts fs Kf
对应于每个被测信号的一个周期Tx，计数门1输出一组脉 冲，每组脉冲数为N。如果用m组脉冲平均，则计数门2每开 门一次，应通过m组脉冲，存在关系： T∑=mTx=KfTs Kf=mTx/Ts 在时间T∑内，对通过计数门2的m组脉冲计数，并求平均 值 N ，则有
tφ=NTs 式中，Ts为时标信号周期。
u1 u2 比较器1 比较器2 u'1 u'2 门控 电路 u3 计 数 门
u4
计数 显示 置零
时标信号 图7.20 瞬时值数字相位计原理框图
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u(t)
0 u1
Tx
u2
t
u'1
0 t
u'2
0 t
u3
0 t
u4
0 tφ tφ t
图7.21 瞬时值数字相位计工作波形图
平均值数字相位计是在瞬时值数字相位计的基础上，采用 平均技术而构成的数字相位计。它能够减小干扰信号、量化误
差等的不良影响，提高测量的准确度。平均值数字相位计原理 框图及其工作波形如图7.22、7.23所示。
u1(t) u2(t) 比较器1 比较器2
u'1
门控 u'2 电路1
u3
计数门1
fs
频标fs
分频(1/Kf)
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7.4 电子计数器的测量误差
7.4.1 测量误差的来源 电子计数器的测量误差来源主要包括量化误差、触发误 差和标准频率误差。 1. 量化误差 (±1误差) 量化误差是在将模拟量变换为数字量的量化过程中产生 的误差，是数字化仪器所特有的误差，是不可消除的误差。 它是由于电子计数器闸门的开启与计数脉冲的输入在时间上
us
kHz
段码输出 （a、b、c、d、e、f、g、dp）
a
8 8 4
位码输出（D1～D8）
4
功能选择
f
g e c dp d
b
ICM7226B
闸门时间 （周期倍乘）
频率 自检 周期 计数 10s 1s 0.1s 10ms
复位
晶振
图7.18 NFC-100型电子计数器主机测量单元逻辑框图 15
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号），标准频率误差称为时基误差；测周时，晶振信号用来 产生时标信号，标准频率误差称为时标误差。一般情况下， 由于标准频率误差较小，不予考虑。
7.4.2 测量误差的分析 上述测量误差中，对频率测量影响最大的是量化误差， 其他误差一般不予考虑。周期测量则主要受量化误差和触发 误差的影响。下面对测频和测周误差进行分析：
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1. 测频误差Βιβλιοθήκη 经过推导得知，测频量化误差等于
f x 1 1 fx N mK f Ts f x
由此可见，要减小量化误差对测频的影响，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；可以直接 测量高频信号的频率，否则，测出周期后再进行换算，该方法属 于间接测量法，这是由测周误差的特性所决定的。
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。 ⑥在测量频率时，如果选用闸门时间为10s时，“闸门 （GATE）”（或“采样”）指示灯熄灭前显示的数值是前次 的测量结果，并非本次测量结果，记录数据时务必等采样指示 灯变暗后进行。
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第7章 频率和时间测量及仪器
t Tx 360
(7-3)
（7-4）
tφ=NTs 式中，Ts为时标信号周期。
NTs fx N 360 N 360 360 Tx fs M
(7-5)
fs Tx M fx Ts
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7.6.2 平均值数字相位计
如图7.17所示
主机测量单元直接计数频率为10MHz，在输入高于 10MHz频率的信号时，需要经过预定标分频器后，送入主机
测量单元。
输入
fx(Tx)
输入通 道
主机测量单元
显示
预定标分频器
晶振
图7.17 NFC-100型通用电子计数器组成框图
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第7章 频率和时间测量及仪器
主机测量单元如图所示
溢出 闸门
7.5.3 电子计数器的使用及注意事项 ①按照要求接入正确的电源。
MODEL NFC—100 MULTFUNCTION COUNTER
TIME BASE OUT
OVFL GATE
8位LED显示
us
kHz
10MHz ＞10VP-P 50Ω
FREQ MEASURE TIME
INPUT 8MHz
STBY
ON
7
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2. 测周误差
（1）量化误差 经过推导得知，测周量化误差为：
Tx N 1 Tx N mK f f s Tx
由此可见，要减小测周量化误差，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，该方法称为
输入A fx 放大整形 分频器（1/N） 闸门 十进制计数器
N×0.1s
N×1s N×10 s 时基分频器 显示
晶振
分频器（1/N）
图7.16 预定标法数字频率计原理框图
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7.5 通用计数器实例
7.5.1 技术指标 （1）测试功能 （2）测量范围 测频范围：0.1Hz～100MHz；测周范围：0.4μs～10s；累
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第7章 频率和时间测量及仪器
为了便于读数，通常Kf选用36×10n，NΣ 则可以直接表示度数，只是 小数点位置要随取值的不同而产生移位。
在实际工作中，平均值数字相位计应用比较广泛，如BX-13A型数字 相位计等。BX-13A型数字相位计工作频率为20Hz～200kHz，测相范围为 0～360°，分辨力为±0.03°。
的不确定性，即相位随机性而产生的误差。
1
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计数脉冲
闸门开启时间T 计数脉冲N=9
闸门开启时间T 计数脉冲N=8
图7.13 量化误差产生示意图
量化误差的相对误差为：
N
N 1 100% 100% N N
2
第7章 频率和时间测量及仪器
2. 触发误差
触发误差又称为变换误差。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或者被测信号叠加有噪声
经推导得知，触发误差的相对误差等于
T x Tx Un 2K f U m
(7-2)
式中，Un为噪声或干扰信号的最大幅度，包括因触发电平抖 动而产生的影响，一般情况下，可以不考虑触发电平抖动或 漂移的影响；Um为被测信号电压幅度；Kf为B通道分频器分频 次数。 触发误差对测量周期的影响较大，而对测量频率的影响
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第7章 频率和时间测量及仪器
7.6 数字相位计
相位差的测量方法包括示波器法、比较法、直读法等。数 字相位计采用直读法测量，是由电子计数器扩展而成的相位
测量仪器。数字相位计包括相位-时间变换式相位计和相位-电 压变换式相位计，瞬时值数字相位计和平均值数字相位计属 于前一种。
7.6.1 瞬时值数字相位计 瞬时值数字相位计原理框图如图7.20所示。当被测信号u1、 u2由负变正通过零点时，分别由零比较器1和2产生脉冲信号 u'1、u'2。设u1超前于u2，则u'1、u'2分别用作门控电路的开启 信号、关闭信号，使门控电路产生门控信号u3，u3的脉宽与两
输入
混频器
放大器
测频电子计数器
调谐滤波器
调谐倍频器
晶振
图7.15手动外差降频变换法扩频原理框图
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第7章 频率和时间测量及仪器 2. 预定标法 如图7.16所示，预定标数字频率计与通用计数器的区别就是对被 测信号进行N分频，即预定标。预定标法的缺点是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，通常也对 晶振进行N分频。