电子测量5章第1部分

• 难点：
•
电子计数器测频、测周的误差分析； 提高测量准确度的方法。
多功能计数器
函数发生器/计数器
频率计
6.1 概述
• 目前，在电子测量中，时间和频率 的测量精确度是最高的。 • 在检测技术中，常常将一些非电量 或其它电参量转换成频率进行测量。
1．频率和周期的基本概念
• 频率定义为相同的现象在单位时间内 重复出现的次数。 • 周期是指出现相同现象的最小时间间 隔。 N f • （6-1） TS
• 量化误差的相对值为
N 1 1 N N f x TS
式中
N N
（6-5）
——量化误差的相对值，即计数的相对误差；
f x ——被测信号的频率；
• 提高被测信号的频率，或增大主门开启时间，都 可降低量化误差的影响。
（2）闸门开启时间的误差 晶振频率为 f c （周期为 TC） 、分频系数为常数 k，则
TS
晶体振荡
分频电路
主门
计数
译码 显示 逻辑 控制
门控信号 放大 整形
Tx
被测信号
图 6.6 测周的基本原理图
2．测周方法的误差分析
• （1）公式误差 • 测量周期的相对误差为
T
lnTx lnTx N Ts N Ts
(ln N ln Ts ) (ln N ln Ts ) N Ts N Ts
第6章 时间与频率的测量 • 内容提要：
•
介绍时间和频率测量的基本方法。 重点介绍电子计数器的电路组成、工 作原理及电子计数器测量频率、周期、 时间间隔、频率比和自校的方法，并 对测量的误差进行分析，提出减小误 差的方法，同时扼要介绍一些其他测 频方法。
• 重点：
•
电子计数器测频、测周、测量时间 间隔、测量频率比及自校的方法。
2．时间与频率测量的特点
• • • • （1）时频测量具有动态性质。 （2）测量精度高。 （3）测量范围广。 （4）频率信息的传输和处理比较容易。
3．频率测量的基本方法
• （1）直接法 • 指直接利用电路的某种频率响应特性来测 量频率的方法。电桥法和谐振法是这类测 量方法的典型代表。 • （2）比对法 • 是利用标准频率与被测频率进行比较来测 量频率。其测量准确度主要取决于标准频 率的准确度。拍频法、外差法及计数器测 频法是这类测量方法的典型代表。
（6-8）
（4）测频计数误差
• 计数误差是指在测量频率时，由于被
测信号中的干扰噪声影响，使输入信 号经触发器整形后，形成的计数脉冲 发生了错误而产生的误差。 • 如图6.5（a）、（b）所示。
Tx1 触发电平 触发电平
t
t
Tx2 (a)无噪声干扰的计数脉冲
Tx3 (b) 有噪声干扰的计数脉冲
图 6.5 噪声干扰引起的计数误差
• 可以证明触发误差可按下式近似表示：
Tn V 1 1 n Tx 2 k Vm 2k M
• 式中 k——分频系数； T • T ——干扰信号引起的主门开启时间 误差； Vm M ——信噪比，其中 M V • n
n x
• 触发误差与被测信号的信噪比有关，信噪 比越高，触发误差越小，测量越准确。
Tx
被测信号
放大 整形
主门
计数
译码 显示
门控信号
逻辑 控制
TS
晶体振荡 分频电路
电子计数器测频原理框图
• （1）输入单元电路
• 由放大、整形电路构成，它将输入频率为fx的被 测周期性信号放大、整形，变换成计数器能接受 的计数脉冲信号，并加到闸门电路输入端。
• （2）时基Ts产生电路
• 包括石英晶体振荡器、分频器及时基选择电路。 用于产生准确的时间间隔Ts 。
• （4）触发选择 • 用于选择触发方式。置“+”时，为上升沿 触发；置“-”时，为下降沿触发。
• （5）触发电平 • 可连续调节触发电平。 • （6）数码显示器 • 用于测量值显示，小数点自动定位。
6．2．2 电子计数器的主要电路技术
• 电子计数器一般由输入通道、计数器、逻 辑控制、显示器及驱动等电路构成。 • 1．输入通道 • 电子计数器一般设置2个或3个输入通道， 记作A、B、C。A通道用于测频、自校；B 通道用于测周；B、C通道合起来测时间间 隔；A、B通道合起来测频率比。
式中
Ts Ts
（6-7）
——闸门时间的相对误差；
f c ——标准频率误差。 fc
• （3）测频公式误差 • 测频的公式误差为
f x f c 1 f fx f x Ts f c
• 由于的符号可正可负，若按最坏情况考虑， 可得电子计数器测量频率的最大相对误差 计算公式为
•
f x 1 f c f f T fx f x s c
N Ts N Ts
（6-11）
• 其中：
N
Tx T T f x x c Ts kTc k
N 1
N 1 k N N Tx f c
Ts Ts k fc f c k fc fc
• 按最坏结果考虑，周期测量总的系统误差 应是两种误差之和。
k f c T T f f c x c
测频控制 被测信号 衰减器 ≥1 时标输入 自校控制 宽带 放大& A 通道的基本框图
2．计数器
• 计数器用触发器构成。在数字仪表中，最 常用的是按8421编码的十进制计数器，来 了十个脉冲就产生一个进位。
• 3．显示与驱动电路
• 电子计数器以数字方式显示出被测量，目 前常用的有LED显示器和LCD显示器。
6.2 电子计数器及其应用
• 6． 2． 1 电子计数器面板及控键示意图
图 6.1 电子计数器的面板和主要控键图
• （1）功能选择 • 有6个键，完成计数、测量频率、测量周期、测 量时间间隔、测量频率比和自校功能。
• （2）时间选择 • 测量频率时，用于选择闸门时间；测量周期时， 用于选择周期倍乘。 • （3）输入通道 • 具有A、B和C三个通道，其中A、B通道可对输 入信号进行衰减。
• （3）主门电路
• 通常由一个与门（或一个或门）构成。它进行时 间或频率的量化比较，完成时间或频率的数字转 换。
• （4）计数显示电路
• 包括多级十进制计数器、寄存器、译码器和数字 显示器等。 • 它对主门输出的脉冲个数进行计数，再用数字显 示出来。
• （5）逻辑控制电路
• 包括门电路和触发器组成的时序逻辑电路。 • 它产生各种控制信号，如寄存、显示、复位信号 等，控制整机各单元电路的工作，使整机按一定 的工作程序完成测量任务。
6．2．4
电子计数器测量周期
• 1．测量周期的基本原理 • 电子计数器测周的基本原理与测频类似， 也是一种比较测量方法。用被测信号控制 主门的开门，用标准时标脉冲进行计数的。 • 整机电路包括输入整形电路、时标、时基 产生电路、主门电路、计数显示及逻辑控 制电路等。 • 电子计数器测量周期的原理如图6.6所示。
（5）结论
• 电子计数器测量频率时要提高频率测量的准确度 （减少测量误差）可采取如下措施： • ① 选择准确度和稳定度高的晶振作为时标信号发 生器，以减小闸门时间误差。 • ② 加大分频器的分频系数k，扩大主门的开启时 间，以减小量化误差的影响。 • ③当被测信号频率较低时，用测频方法测得的频 率误差较大，应选用其它方法进行测量。 • ④对随机的计数误差，可提高信噪比或调小通道 增益来减小误差程度。
N TS N TS
（6-4）
式中
f ——频率测量的相对误差；
N N
——计数的相对误差，也称量化误差； ——闸门开启时间的相对误差。
Ts Ts
（1）量化误差 量化误差的极限范围是±１个字，简称“ 1 误差。 ”
TS
1 (a)
2
3
4
5
6
7
8
1 (b)
2
3
4
5
6
7
8
图 图 6.4 量化误差示意图
（三）实践探索，解决问题
教材分析
目标分析
过程分析
• 式中 • • ——频率； N ——相同的现象重复出现的次数； TS ——单位时间。
f
• 周期性现象，是指经过一段相等的时间隔 又出现相同状态的现象，在数学上可用一 个周期函数来表示所谓周期性现象。
• •
F（t） F (t T ) F (t nT )
（6-2）
• 式中 • f ——频率，用赫兹（HZ）表示； • n——正整数，相同的现象重复出现的次数； • T——周期过程的周期时间。
• （2）触发误差 • 触发误差是指在测量周期时，由于输入信号 中的干扰噪声影响，使输入信号经触发器整形后， 所形成的门控脉冲时间间隔与信号的周期产生了 差异而产生的误差。 • 可以证明触发误差可按下式近似表示。
Tn Vn 1 1 Tx 2 k Vm 2k M
（6-13）
• 4．逻辑控制电路 • 由门电路和触发器组成的时序逻辑电 路。 • 产生各种指令信号，如闸门脉冲、闭 锁脉冲、显示脉冲、复零脉冲、记忆 脉冲等，这些指令控制整机各单元电 路的工作，使整机按一定的工作程序 完成测量任务。
6．2．3
•
电子计数器测量频率
1．测频的基本原理 • 电子计数器测频是严格按照频率的定义 进行的。 • 它在某个已知的标准时间间隔 TS 内，测 出被测信号重复的次数N，然后由公式 f N / TS • 计算出频率。测量的原理框图如图6.3所 示。
• 电子计数器的测频原理实质是： • 以比较法为基础，将被测信号的频率 fx和已知的时基信号频率fs相比，将 相比的结果以数字的形式显示出来。
f N fS
2．测频方法的误差分析
测频的相对误差为
f
ln f ln f N TS N TS


（ln N ln TS） (ln N ln TS ) N TS N TS
• 正弦波是一种典型常见的周期性信号，可表示为 F（t） sin(t ) sin(t 2n )
• 对一个周期现象来说，周期和频率都是描述它的 重要参数。周期与频率互为倒数关系，只要测出 其中一个，便可取倒数而求得另一个。
•
1 f T
（6-3）
• 式中 • f ——频率，用赫兹（HZ）表示； • T——周期过程的周期时间。
TS 1 k fS fc
（6-6）
式中 k——分频系数；
f c ——标准频率。
求得闸门时间的相对误差为
TS ln TS ln TS k f c TS k f c
(ln k ln f c ) (ln k ln f c ) k f c k f c f c fc
• （3）结论
• 电子计数器测量周期的总误差可修正为下式
• •
k Tx f c 1 T Tx fc 2k M Tx f c
（6-14）
• 很明显当 Tx 越大（即被测频率越低）， ±1误差对测周精确度影响越小。也就是说， 当被测信号的频率较低时，采用测周法可提 高测量的精度。