6.11 频率、时间和相位的测量
频率时间和相位的测量
频率时间和相位的测量频率、时间和相位的测量是现代科技中非常重要的一项技术。
在通信、电力系统、航空航天等领域，准确测量频率、时间和相位可以确保系统的稳定性、可靠性和正常运行。
本文将从频率测量、时间测量和相位测量三个方面进行介绍。
第一部分：频率测量频率是指单位时间内发生的事件的次数。
在通信系统中，频率是指信号波形的周期性重复次数。
频率的测量常用的方法有：阻抗频率测量和计数频率测量。
阻抗频率测量是通过测量电路中的阻抗变化来计算频率。
具体方法是将信号加到一个频率依赖的电路上，测量电路的阻抗变化。
阻抗频率测量的精度高，适用于高精度要求的场合，如科学研究和实验室测量等。
计数频率测量是通过计数单位时间内信号波形的周期数来计算频率。
具体方法是将信号输入到计数器中，计数器会记录信号波形的上升沿或下降沿的个数，然后将个数除以测量时间得到频率。
计数频率测量的精度相对较低，适用于一般工业生产和实际应用中。
第二部分：时间测量时间是指事件的发生顺序和持续时间。
时间的测量常用的方法有：基于机械系统的时间测量和基于电磁波传播的时间测量。
基于机械系统的时间测量是通过机械装置的运动来测量时间。
最早的时间测量仪器是机械钟。
现代的机械钟使用特殊设计的机械组件，如摆轮、游丝等，来实现稳定的精确时间测量。
基于机械系统的时间测量具有较高的稳定性和精度，但受限于机械部件的制造工艺和环境因素，无法实现高精度要求。
基于电磁波传播的时间测量是现代科技中最主要的时间测量方法。
基于电磁波传播的时间测量使用电磁波在空间传播的规律来测量时间。
具体方法是使用特殊的发射器和接收器，通过测量电磁波传播的时间差来确定事件的发生时间。
这种时间测量方法精度高，适用于需要高精度时间的领域，如导航系统和科学研究等。
第三部分：相位测量相位是指两个波形之间的关系。
相位的测量常用的方法有：频率锁相测量和相位差测量。
频率锁相测量是通过比较两个波形的频率差异来测量相位。
具体方法是将两个波形输入到一个锁相环中，通过调整锁相环中的参数，使两个波形的频率一致，从而得到相位差。
数字化测量技术概述
6.1 概述
• 如前所述，利用各种传感器可将各种非电量，例如温度、 压力、流量、物位、质量、力、振动、位移、加速度、冲 击、转矩以及各种状态量和成分量等转换成便于远传、放 大和处理的电量（如电流、电压、频率及阻抗等）。电信 号经过滤波、放大和处理后，可用传统的指针式仪表或数 字仪表来指示或显示。后者较前者具有测量精度高、灵敏 度高、速度快、读数客观、测量自动化、易于与微机系统 组成自动测试系统等一系列优点。
第6章 数字化测量技术
第6章 数字化测量技术
6.1 概述 6Βιβλιοθήκη 2 有源滤波器的设计 6.3 模拟信号放大技术 6.4 集成模拟多路开关 6.5 集成采样、保持（S-H）器 6.6 系统误差校正技术 6.7 量程自动切换与标度变换 6.8 A/D转换原理、器件及应用 6.9 D/A转换原理及常用器件的应用 6.10 LED和LCD显示技术 6.11 频率、时间和相位的测量 6.12 数学多用表的原理
电子测量技术频率时间与相位测量
电子测量原理
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
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
第6页
电子测量原理
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。
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。
第23页
电子测量原理
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）
第5页
电子测量原理
第五章频率及时间测量
的相对误差。
25
第五章 时间、频率和相位的测量
将式
N 1 1 、 T fc 代入式
N
N
f xT T
fc
f x N T
fx
N
T
得
f x 1 fc
fx
f xT fc
（5.2-11）
若考虑极限情况，测量频率的最大相对误差应写为
f x fx
1 f xT
fc fc
（5.2-12）
由上式可看出：提高频率测量的准确度措施是：
2
第五章 时间、频率和相位的测量
时间的定义： 2)、原子时（AT）： 秒定义为：“秒是铯133原子（Cs133）基态的两个超
精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周 期所持续的时间。” 误差：10－14 3)、协调世界时 (UTC):
采用原子时的速率（对秒的定义）通过闰秒方法使原 子时和世界时接近的时间尺度。是一种折衷的产物。
28
第五章 时间、频率和相位的测量
本例如选T＝10 s，则仪器显示为0 000．000 0 kHz， 把最高位丢了。造成虚假现象。原因是由于实际的仪 器显示的数字都是有限的，而产生了溢出造成的。
所以，选择闸门时间的原则是： 在不使计数器产生溢出现象的前提下，应取闸门 时间尽量大一些，减少量化误差的影响，使测量的准 确度最高。
T Tx
△t1
△t2
图5.2-2 脉冲计数误差示意图
19
第五章 时间、频率和相位的测量
下图T为计数器的主门开启时间，Tx为被测信号周期， Δt1为主门开启时刻至第一个计数脉冲前沿的时间(假设 计数脉冲前沿使计数器翻转计数)，Δt2为闸门关闭时刻 至下一个计数脉冲前沿的时间。设计数值为N(处在T区
时间频率和相位的测量概述
时间频率和相位的测量概述时间频率和相位的测量是对信号的特性进行量化和分析的重要手段。
在电子通信、无线电、声学和光学等领域中，时间频率和相位的准确测量对于确保系统性能和信号传输的可靠性非常关键。
时间频率的测量是衡量信号周期性的能力，频率是指单位时间内该信号重复的次数。
常见的测量方法有计数法和相位比较法。
计数法是通过计算信号周期内的脉冲数量来测量频率，比较简单直接，但对于信号较高频率和瞬态信号的测量精度有限。
相位比较法是通过将待测信号与参考信号进行比较，通过比较两者的相位差来计算频率，通常使用鉴相器或锁相环等器件进行测量。
相位比较法具有高精度和宽测量范围的特点，适用于高精度和宽频率范围的测量需求。
相位的测量是衡量信号波形变化和时序关系的能力。
相位是指信号在一个周期内的位置或偏移量。
常用的相位测量方法有直接测量法和差分测量法。
直接测量法是通过将待测信号与参考信号进行比较，通过比较两者的起始时间或位置来测量相位，适用于稳态信号和周期性信号的测量。
差分测量法是通过测量信号的前后时间差来计算相位，通常使用时钟同步和时间差测量技术，适用于非周期性和非稳态信号的测量。
在实际应用中，时间频率和相位的测量需要考虑到测量仪器的精度、稳定性和响应速度等因素。
常见的测量仪器包括示波器、频谱分析仪、计时器和定时器等。
此外，引入校准和校正等方法可以提高测量结果的准确性和可靠性。
总之，时间频率和相位的测量是对信号特性进行量化和分析的重要手段，广泛应用于各个领域。
随着科技的发展，测量技术也在不断进步，为更精确、稳定和高速的测量提供了更多选择。
时间频率和相位的测量在科学、工程和技术领域中起到了至关重要的作用。
从物理学到电子通信，从声学到天文学，准确测量时间频率和相位是理解和分析信号的基础，也是确保系统性能和信号传输的可靠性的关键。
时间频率是指信号在单位时间内重复的次数，通常以赫兹（Hz）为单位。
测量时间频率的目的是了解信号的周期性。
第七讲 电参量测量—频率、时间、相位测量
1 频率、时间和相位的测量
将起始信号UB接入B通道，使门控双稳电路置1，因而主闸门开启，基准时标通 过主闸门进入计数器计数；当终止信号Uc接通C通道，使门控双稳电路复零时 ，主闸门关闭，计数结束。从而得到两个被测信号的时间间隔。
32
1 频率、时间和相位的测量
若时间间隔即门控信号的宽度为tx，选用时标周 期为Tc(可选)。则计数结果为：
相位-电压转换式数字相位计
37
1 频率、时间和相位的测量
❖2. 相位-时间转换法
将相位-电压转换法中鉴相器
的时间间隔Tx用计数法进行测 量，便为相位-时间转换法。
与时间间隔的计数测量原理基 本相同。
若时标脉冲周期为Tc，则Tx时 间内的计数值：
N
Tx Tc
jx
360 o
T Tc
相位-时间转换式相位计
1 频率、时间和相位的测量
❖③ 测频方式和测周方式比较
△ fx fx
fc mf x
△ fc fc
△ fx fx
fx mfc
△ fc fc
中界频率 f0=fc=fx
被测频率fx≥中界频率即晶振标准频率fc时：采用直接测频法 被测频率fx≤中界频率即晶振标准频率fc时：采用测周法
1 频率、时间和相位的测量
f 1 T
数字式测量法
模拟式测量法
5
1 频率、时间和相位的测量
6
1 频率、时间和相位的测量
❖1.频率（周期）的数字测量 ❖（1）计数法测量
基本原理：计数法就是在一定的时间间隔T内，对 周期性脉冲的重复次数进行计数。若周期性脉冲的 周期为TA，则计数结果为： N=T/TA 。
7
1 频率、时间和相位的测量
频率和时间的测量
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6. 1 概述
测量周期(测周) 时, 标准时间信号经过放大整形和倍频(或分频), 用作测 量周期或时间的计数脉冲, 称为时标信号; 测频时, 标准时间信号经过放 大整形和一系列分频得到控制门控电路的时基信号, 时基信号经过门控 电路形成门控信号。
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6. 1 概述
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。为保证能 够被一定电平的信号触发, 输入端可以对触发电平进行连续调节, 并且可 以任意选择所需的触发脉冲极性。
2) 计数显示电路 计数显示电路是一个十进制计数显示电路, 用于对通过闸门的脉冲进行
计数, 并以十进制数方式显示计数结果。 3) 时基产生电路 时基产生电路主要由晶振、分频器、倍频器和转换开关等组成。由石英
通用电子计数器无论是测频还是测周, 其测量方法是依据闸门时间等于 计数脉冲周期与闸门开启时通过的计数脉冲个数之积, 然后根据被测量 的定义进行推导计算而得出被测量的。同样道理, 也可以据此测量频率 比、时间间隔等参量。
式中, N 为闸门开启期间十进制计数器计出的计数脉冲个数; fx 为被测信 号频率, 其倒数为周期Tx ; Ts 为晶振信号周期; m 为倍频次数: Kf 为分频 次数, 调节Kf 的旋钮称为闸门时间选择开关, 其与Ts 的乘积等于闸门时 间。
为了使N 值能够直接表示fx , 常取mKfTs =1 ms、10 ms、0.1 s、1 s、 10 s 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时, 无须对 计数结果进行换算就可直接读出测量结果。
时间频率相位测量
例题
2、用一台5位十进电子计数器测量频率，选用0.1s的闸 门时间。若被测频率为10KHz，则测频分辨力为多少？ 量化误差（相对误差值）为多少？如果该计数器的最 大闸门时间为10s，则在显示不溢出的情况下，测量 频率的上限为何值？ 解： （1）测量分辨率＝（1/0.1s）＝ 10Hz （2）在0.1s的闸门时间内的计数值为： 10KHz×0.1s＝1000， 则量化误差的相对值为： 1/1000＝0.1％ （3）为了显示不溢出，则在10s的最大闸门时间内计 得的值不能超过105，由此可得测量频率的上限值为： 105/10s＝10KHz
1.4 电子计数法测时间间隔
原理框图 欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由B 欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由B、 C通道输入。时标由机内提供。如下图。 通道输入。时标由机内提供。如下图。
1.5 其它测频率方法
1）直接法 直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其 又可细分为谐振法和电桥法两种。 （1）谐振法：调节可变电容器C使回路发生谐振，此时回路 1 电流达到最大(高频电压表指示)，则 f = f =
1.7 相位测量
1.主要测量方法： 示波器测量 直接比较法 椭圆法 相位差转化为时间间隔 模拟式 （同频率电压变换法） 数字式 （同电子计数法测时间间隔） 相位差转化为电压 插接式相位检波器 平衡式相位检波器 与标准移相器进行比较的比较法（零示法）
1.7 相位测量
零示法
1.7 相位测量
测量范围的扩展
1.1 概述
标准时频的传递 1）本地比较法 2）发送接收标准电磁波法 美国的NWC信号（22.3KHz）罗兰C（100KHz） 英国GBR信号（16KHz） 我国BPL（100KHz） BPM（5，10，15MHz） 工作基准通常都用和一级标准相校准的晶体振荡器 来担任。 来担任。
第五章 频率、相位和时间的测量
第5章频率、相位和时间的测量5.1 概述5．1．1 电子计数器的分类1、通用计数器2、频率计数器3、计算计数器4、特种计数器5．1．2电子计数器的主要技术指标1、测试性能仪器所具有的测试功能。
2、测量范围仪器的有效测量范围。
3、输入特性主要有：输入藕合方式，有AC和DC两种方式。
触发电平及其可调范围。
输入灵敏度，指在仪器正常工作时输入的最小电压。
最高输入电压，即允许输入的最大电压。
输入阻抗，包括输入电阻和输入电容。
4、测量准确度常用测量误差来表示。
主要有时基误差和计数误差决定。
5、闸门时间和时标6、工作及显示方式7、输出仪器可输出标准时间信号的种类、输出数码的编码方式及输出电平等。
5．2 通用电子计数器的基本组成一、A、B输入通道输入通道的作用是将被测信号进行放大、整形，使其变成标准脉冲。
二、主门主门又称闸门，它控制计数脉冲信号能否进入计数器。
一、时基单元由晶体振荡器、分频及倍频电路组成，用以产生标准时间信号。
标准时间信号有两类。
闸门时间信号和时标。
二、控制单元能产生各种控制信号去控制和协调通用计数器各单元的工作，以使整机按一定的工作程序自动完成测量任务。
三、计数及显示电路本单元用于对主门输出的脉冲计数并以十进制显示计数结果。
5．3 通用电子计数器的测量原理一、测量频率原理框图如图所示：二、测量周期原理框图如图所示：B 通道三、测量频率比原理框图如图所示：输入输入一定保证f A ﹥f B 。
四、测量时间间隔原理框图如下图所示：测量时间间隔时，利用A 、B 输入通道分别控制门控双稳电路的启动和复原。
在测量两个输入信号的时间间隔时，将开关S置于“分”位置；在测量同一个输入信号内的时间间隔时，五、累加计数累加计数是电子计数器的基本功能之一。
原理框图如下图所示：（人工控制）六、自校（自检）在正式测量前，为了检验仪器工作是否正常，一般电子计数器都设有自校功能。
原理与测量频率基本相同。
原理框图如下图所示：5．4 电子计数器的测量误差5．4．1 误差来源测量误差来源于以下三个方面。
6.11 频率、时间和相位的测量
图6-86 时间基准的产生
• 6.11.1.2 计数式频率计的测频原理 • 计数式频率计的测频原理图见图6-87。由晶振产生的信号 经分频及门控电路得到具有固定宽度 的方波脉冲作为门控 信号，时间基准一般又称为闸门时间，控制主门（与门） 的一个输入端。被测信号经放大整形后变成一列窄脉冲加 于主门的另一输入端。开始测频时，首先令计数器清零， 门控信号到来时，主门开启，计数器开始对被测信号脉冲 计数，直至门控信号结束，主门关闭，停止计数。若取闸 门时间T内通过主门的脉冲个数为N，则被测信号的频率为
6.11.9.2 数字频率计主要工作特性及使用 1.主要工作特性 数字频率计主要技术性能有下列几项： 主要工作特性 a) 测量范围 包括频率、周期、时间间隔、频率比、脉冲 累计等诸项上、下限值的范围。 b) 输入电压幅值 指各通道能够使电路产生正常逻辑关系 的下限值以及不得超过的上限值。 c) 闸门时间 指测频时门控电路输出的脉冲宽度。 d) 计数时标 指测周期或时间间隔以及自检时用的时标 信号。 e) 测量单位 测频率时常用Hz、kHz、MHz。 f) 输入阻抗 g) 显示方式 包括数字显示的位数、定位方式，以及最大 计数容量等。
6.11.1 电子计数频率计测频原理
• 6.11.1.1 时间基准的产生 • 频率是每秒内信号变化的次数，欲准确地测量频率，必须 要确定一个准确的时间间隔。由于稳定度良好的石英晶体 振荡器产生的信号的频率稳定度 可达10-9量级，所以利用石英晶 体振荡器产生周期为T0的脉冲， 经过一系列分频可得到几种标准 的时间基准，例如，10ms,0.01s, 1s,10s等几种，见图6-86。 • 由图可见， T = N T
• 用计数法测量相位具有快速、直读和精度高的优点。其原 理图见图6-95a。
频率和相位的测量
指针将会顺时针偏转。
2、用变换式频率表测量工频
1.变换式频率表的结构
• 变换式频率表由磁电系测量机构和变换电路组成， 变换电路包含方波形成、微分、整流、指示和偏
置五个环节，通过变换电路，被测频率转换为一
定大小的直流电流，然后通过磁电系测量机构进
行测量 。
微分电路 整流电路
偏置电路
双向限幅
指示仪表
2.变换式频率表工作原理
• (3)控制电路
– 控制电路在所选择的基准时间内打开主闸门，允许整 形后的被测脉冲信号输入到计数器中。
• (4)计数器和显示器
– 对控制门输出的信号进行计数，并显示计数值。
通用计数器的基本组成和工作方式
通用计数器一般都具有测频和测周两种方式。基本 组成
如图所示。
如图中A输入端(fA=fx)，晶振标准频率fc信号接到B输入端 (fB=fc)，则计数器工作在测频方式，此时：
李沙育图形或混频后的频率求得被测频率。
差拍法 混频法
李沙育图形测频率
2.无源测量法
• 无源测量法是指测量电路不需要另加电源，直接 用被测信号进行测量如文氏电桥测频率 和谐振回 路测频率。
(R1
j1XC1)R4
( 1/
R2
1
jXC2
)R3
1
fX
2πRC
文氏电桥测频率
1 fX 2π LC
谐振回路测频率
cos I2cos cos( ) I1cos() 配置电路阻抗，使I1 I2 ( 为U与I1 的相位差， 为两 个可动线圈的夹角)，可得 如果按相位角刻度，则分度 均匀，如按cos 刻度，分度将是不均匀的。
三、电动系三相相位表
• 电动系三相相位表与电动系单相相位表的结构完 全相同，只是两个可动线圈所连接的元件不同， 单相相位表接R、L元件，而三相相位表两路都是 接电阻，分别为：R1、R2 。
第四章 频率与时间的测量(精品课件)
电子测量——北京交通大学 电气工程学院
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第四章 频率与时间测量
2. 各组成部分的功能
整形单元：将被测信号整形为可以计数的方波信号 主门：构成门控信号的作用途径 门控电路：形成控制基准信号 十进制电子计数器：计数、显示 逻辑控制单元：控制计数器的工作流程
准备 计数 显示 复零 准备 时基信号产生与变换单元：通过“闸门时间”选择开关选择适
以1900年（回归年）的1556925.9747分之一作为秒的 长度，其准确度可达±1×10-9 ——历书时
引进微观计时标准，采用铯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，其准确度可达10-13 ——原子时
2020/7/10
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2
频率和时间测量的特点
第四章 频率与时间测量
时间是一个基本的参数，与其它电参量的测量方案、测量结果 有密切的关系
利用电子技术测量时间，具有很高的精确度，可达10-14
测量过程高度自动化，测量迅速、使用方便
频率是周期的倒数，频率测量与周期、时间的测量是相互关联 和等效的
电子计数器一般具有测量频率和测量周期等两种以上测量功能
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二、电子计数器测频方法
第四章 频率与时间测量
数字频率计的结构与工作原理 频率测量的误差分析 频率比的测量
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1. 数字频率计的结构与原理
被测信号
整形电路
主门
fx TS
时基信号单元
闸门时间 门控电路
频率时间和相位的测量
频率时间和相位的测量频率、时间和相位的测量在现代科学和工程领域中具有重要的意义。
频率是指在单位时间内重复发生的事件或周期的次数。
时间是描述事件发生的顺序和持续时间的尺度。
相位则用来描述波形的相对位置关系。
测量这些参数的准确性和精度对于许多应用来说至关重要，包括通信系统、无线电频谱管理、精密仪器、天文学、地球物理学等等。
下面我们将详细介绍频率、时间和相位的测量方法和技术。
频率测量是指测量事件发生的频率或周期的次数。
常见的频率测量方法包括计数法、相位比较法、频率合成法等。
计数法是一种简单直接的方法，通过计算事件发生的次数来得到频率。
在计数法中，可以使用计时器来记录事件发生的次数，然后根据计时器的时间得到频率。
相位比较法主要是利用比较两个信号的相位差来得到频率。
这种方法常用于稳定的参考信号。
频率合成法是通过将多个信号相加或相乘来合成一个新的信号，然后再根据新信号的特性来获得频率。
这种方法广泛应用于频率合成器和锁相环等设备中。
时间测量是指测量事件发生的准确时间。
时间测量的方法包括脉冲计数法、时钟同步法、时间标准法等。
脉冲计数法是通过计数脉冲的数量来测量时间。
计数器是常用的脉冲计数设备，它可以根据脉冲的来自外界触发信号进行计数，并转换成相应的时间单位。
时钟同步法是利用多个时钟设备的同步性来测量时间。
通过将多个时钟设备的信号进行比较，可以得到一个准确的时间值。
时间标准法是通过使用一个精密的时间标准来测量时间。
国际原子时（TAI）和协调世界时（UTC）是常用的时间标准。
时间标准设备可以通过比较其与时间标准之间的差异来测量时间。
相位测量是指测量信号波形的相对位置关系。
相位测量的方法包括相位差测量法、频率转换法、相位解调法等。
相位差测量法是通过比较两个信号的相位差来得到相位。
常用的相位差测量设备有相位计和相干解调器。
频率转换法是通过将信号的频率变换到特定范围内，然后再进行相位的测量。
这种方法常用于高频信号的相位测量。
频率时间和相位的测量
3 频率电压转换法 U0 uBUT mxUm fx
二 比较法
• 比较法通过利用标准频率fs和被测频率fx进行比较 来测量频率 其数学模型为：
fx Nfs
T
2 1 2频率的数字测量
一 计数法测量的基本原理
TA T
在一定的时间间隔T内;对周期性脉冲的重复进行计数 若周期性脉冲的周期为TA ;则计数结果为
1 电桥法测频
R1 R2 R1w x
C C
C2
1
2
R
R3 R4
1 2w
x
C
1
0
取R1=R2=R;C1=C2=C; 则平衡条件为：
R
3
2R4
f x
1
2 R C
2 谐振法测频
利用电感 电容串联或并联谐振回路的谐振特性来实现测频
fx
2
1 LC
fx
2
1 LC
变电感——改变频段频率粗调
调电容——频率细调电容旋纽按频率刻度
x T
360
2 时间计数Tx N
NTx Tc
x
360o
T Tc
c x
x Nc
c ——相位量化单位
c
x
N
360Tc T
相位量化误差
c
360Tc T
相对量化误差
1 x N
例题： 采用相位时间转换法测量两个频率为1kHz
相位差 7 2 0 的正弦信号;若时标脉冲频率为
500kHz;试计算相位量化误差和计数器计数 结果
N1
• 脉冲计数最大相对误差： N 1 TA N NT
二 通用计数器的基本组成及工作方式
1 基本组成
T mTB
感测技术基础(第二章 频率、时间和相位的测量)
m fc f x m fc N max
“测频”最大相对误差：
“测频”还是“测 周”？
(
f x f f f 1 ) max ( | c |) ( c | c |) fx N fc mf x fc
“测周”最大相对误差： (
f x Tx fx f c 1 f c ) max ( ) max ( | |) ( | |) fx Tx N fc mfc fc
Tx x T x N o Tc 360 Tc c
时标周期Tc（或频率fc）的选择
结论：因时标频率fc不能太高，故图2-3-2方法只适 用于测量低频信号的相位差。
1 j x c1
)(
R 1 j x c2 ) 3 R2 R4
1 2Rc
若取R1=R2=R,C1=C2=C，则平衡条件为： R3 2R4 f x
2.谐振法测频—利用电感、电容串联谐振回路或并联谐 振回路的谐振特性实现测频。
fx
1 2 LC
1 2 LC
fx
图２-1-２ 谐振法测频原理电路
脉冲计数最大绝对误差： N 1 脉冲计数最大相对误差：
TA N 1 N N T
通用计数器的基本组成和工作方式
目前，绝大多数实验室用的电子计数器都具有测量频率和测量周 期等两种以上的测量功能，故统称“通用计数器 ”。
mTB fA N m TA fB
图2-1-6 通用计数器基本组成
f 1 f
f c ——标准频率准确度 fc
f f
x c c c 得：最大相对误差：( f ) max ( N | f |) ( mf | f |) x c x c 测量范围：f ~ f
频率与时间测量
1
主门
计数显示
Tx
晶振
分频器
2
门控双稳
T x
B通 道
分频器
闸门选择
图6.3 周期测量的原理框图
设被测信号的周期为Tx，时标信号的周期为To， 在时间Tx内，有N个时标脉冲通过主门，则被测信
Tx =N To
（6-3）
它实际上是多个被测周期的平均值，
Tx
NT 10n
（6-4）
3.
时间间隔测量和周期的测量都是测量信号的时 间，因此测量电路大体相同，所不同的是测量时间 间隔需要B、C两个通道分别送出起始和停止信号去 控制门控双稳电路以形成闸门信号，其工作原理如 图6.4所示。
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。LED为数码显示，其优点 是工作电压低，能与COMS/TTL电路兼容，发光亮度高， 响应快，寿命长。
LCD为液晶显示，其突出优点是供电电压低和微功 耗，它是各类显示器中功耗最低的。同时，LCD制造工 艺简单，体积小而薄，特别适用于小型数字仪表。特别 是近年来图形点阵LCD的大量应用，为仪器带来了更加 丰富、直观、智能的操作界面。
（7） 输出： 包括仪器可输出的时标信 号种类、输出数据的编码方式及输出电平等。
6.2.2
1. 频率的测量实际上就是在单位时间内对被测信号 的变化次数进行累加计数。其原理框图如图6.2所示。
fx
1
A通 道
主门
计数显示
2
T 门控双稳
晶振
分频器
时基选择
图6.2 频率测量的原理框图
设开门时间为T，在时间T内，从主门通过的脉 冲个数为N，则被测信号的频率fx
作为时间间隔的始点和终点，这样就可以测量两个输
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N fx kNf 0 T
图6-87 计数式频率计测频原理框图
6.11.2 脉冲累计的测量
• 在工业检测中常需对脉冲进行长间的累计测量。例如，对每 班生产的产品进行累计，可将产品变换成脉冲列，然后用计 数式频率计进行计数测量。其测量原理与测频原理相似，仅 仅是闸门时间较长而已。其原理框图见图6-88。 被测信号经放大整形后加于 主门的一端，门控电路的输入端 改为人工控制，当按下SB1（起） 时，门控电路使主门开放，被测 信号进入计数器计数和显示。待 按下SB2（停）时，门控电路使 主门关闭，停止计数。在起、停 这段时间内被测信号变化的次数 图6-88 脉冲累计测量原理框图 通过计数后显示出来。
fx
式中，N0为分频系数，k为时标系数（即倍频系数）。 由上式可见，当被测信号频率fx大于fc时，用测频法测量误差 较小；反之， fx小于fc时，用测周期法测量误差较小。
N0k
f0 fc
6.11.6 脉冲沿时间及脉冲宽度的测量
• 脉冲计数法测量脉冲沿时间和脉冲宽度的原理与计数式测 频原相似，原理框图见图6-91。
6.11.1 电子计数频率计测频原理
• 6.11.1.1 时间基准的产生 • 频率是每秒内信号变化的次数，欲准确地测量频率，必须 要确定一个准确的时间间隔。由于稳定度良好的石英晶体 振荡器产生的信号的频率稳定度 可达10-9量级，所以利用石英晶 体振荡器产生周期为T0的脉冲， 经过一系列分频可得到几种标准 的时间基准，例如，10ms,0.01s, 1s,10s等几种，见图6-86。 • 由图可见， T N T
2.使用要点
a) 使用时先预热到仪器规定的预热时间才能着手进行测量， 否则会引起误差。
b) 通过“自检”来检查仪表本身各部分工作是否正常，如 发现不正常，应排除故障后再使用。 c) 输入信号幅值要适当，以保证脉冲整形电路的正常工作， 否则会使计数器读数不稳定或不准确。但输入信号的幅 值过大的话，又会损坏仪器。在输入信号的幅值大小不 明的情况下，最好先测量其幅值，再作适当处理后，才 送入仪表的输入端。 d) 注意选择好闸门或时标信号的大小，从而使显示位数尽 量多而又不产生溢出，以提高测量的准确度。 e) 注意仪器输入阻抗对被测信号源的影响。
图6-90 计数式测量周期原理框图
6.11.5 直接测频和测周期中介频率的确定
• 从测频误差公式（6-41）和测周期误差公式（6-44）可见， 计数式频率计测频时，被测信号频率fx愈高，误差愈小， 反之亦然；而测周期时，被测信号频率fx愈低，误差愈小， 反之亦然。因此，必然有一个频率fc ，该频率fc时，测频 法和测周期法的测量误差相等，频率fc称为中介频率。由 式（6-41）和式（6-44）得： kf x 1 k Tf x Tx f 0 f0 经变换，并考虑式（6-39）得： 1
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6.11.9.2 数字频率计主要工作特性及使用 1.主要工作特性 数字频率计主要技术性能有下列几项： a) 测量范围 包括频率、周期、时间间隔、频率比、脉冲 累计等诸项上、下限值的范围。 b) 输入电压幅值 指各通道能够使电路产生正常逻辑关系 的下限值以及不得超过的上限值。 c) 闸门时间 指测频时门控电路输出的脉冲宽度。 d) 计数时标 指测周期或时间间隔以及自检时用的时标 信号。 e) 测量单位 测频率时常用Hz、kHz、MHz。 f) 输入阻抗 g) 显示方式 包括数字显示的位数、定位方式，以及最大 计数容量等。
6.11.3 计数式频率计测量频率比
• 在调试数字电路（如计数器、分频器、倍频器等）时，往 往需要测量输入信号和输出信号之间的频率的相对关系。
图6-89 测量 f A / f B的原理框图
6.11.4 计数式频率计测量周期
• 6.11.4.1 计数式测量周原理 • 周期是信号变化一次所需时 间，周期与频率互为倒数关 系，因此可用测频法测得fx 后，再按TX=1/fX求得周期 。 此外，也可用被测交变信号 作为门控电路的触发信号去 控制主门的开闭，取信号一 个周期，在此时间内填充由 晶振产生的时钟脉冲，通过 计数、显示即可测出信号的 周期。其原理见图6-90。
• 用计数法测量相位具有快速、直读和精度高的优点。其原 理图见图6-95a。
图6-95 计数测量相位原理
6.11.9 数字频率计总体框图及工作特性
• 6.11.9.1 总体框图及工作原理 • 把前面测频率、测周期、测时间间隔和测频率比等单元电 路组合在一起，并用开关和逻辑电路转换各种工作状态， 就构成了数字频率计的总体原理框图，见图6-相位的测量
• 在生产实践中，周期现象是极为普遍的，例如正弦波信号 等。各种传感器和测量电路常将被测量变换成周期信号来 进行检测，这是因为频率测量是目前测量精度最高的参量 之一，它能达到10-13的精确度。频率和周期是从不同的侧 面来描述周期现象的，二者互为倒数关系，即： 1 f T 可见，只要测得一个量就可以换算出另一个量。 相位和时间也是密切相关的，二者也可以互相转换，例如 50HZ交流电源，一个周期为20ms，对应相位为360°，如 果测出时间间隔为5ms，则知相位为90°。可见，可以利 用测量时间的方法来测量相位的变化。
图6-91 计数法测量脉冲沿时间tr和脉宽tw原理框图
6.11.7 时间间隔和长时间的测量
• 计数法测量时间间隔的原理与测周期原理相同，但是控制 主门开放时间的不是被测信号的周期，而是由被侧信号产 生的两个脉冲的时间间隔所决定。原理见图6-93。
图6-93 计数法测量时间间隔
6.11.8 脉冲计数式相位测量原理
0 0
图6-86 时间基准的产生
• 6.11.1.2 计数式频率计的测频原理 • 计数式频率计的测频原理图见图6-87。由晶振产生的信号 经分频及门控电路得到具有固定宽度 的方波脉冲作为门控 信号，时间基准一般又称为闸门时间，控制主门（与门） 的一个输入端。被测信号经放大整形后变成一列窄脉冲加 于主门的另一输入端。开始测频时，首先令计数器清零， 门控信号到来时，主门开启，计数器开始对被测信号脉冲 计数，直至门控信号结束，主门关闭，停止计数。若取闸 门时间T内通过主门的脉冲个数为N，则被测信号的频率为