6.11 频率、时间和相位的测量

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。
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6-96。
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。
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
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
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 频率、时间和相位的 测量
6.11 频率、时间和相位的测量
• 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。
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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
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。
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源自文库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。