1、第6章频率与时间测量 6 1频率与时间测量的特点与方法6 2通用电子计数器6 3等精度时间 频率测量6 4EE3376型可程控通用计数器简介 6 1频率与时间测量的特点与方法 6 1 1频率与时间测量的特点 频率 周期信号在单位时间 1s 内变化的次数 单位是Hz周期 出现相同现象的最小时间间隔 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 6 1 2频率测量的方法 1 谐振法 利用LC回路的谐振特性进行测频 如谐振式波长表可测无源LC回路的固有谐振频率 测频范围为0 5 1500MHz 2 外差法 改变标准信号频率 使它与被测信号混合 取其
2、差频 当差频为零时读取频率 这种外差式频率计可测高达3000MHz的微弱信号的频率 测频精确度为10 6左右 3 示波法 在示波器上根据李沙育图形或信号波形的周期个数进行测频 这种方法的测量频率范围从音频到高频信号皆可 4 电子计数器法 直接计数单位时间内被测信号的脉冲数 然后以数字形式显示频率值 这种方法测量精确度高 快速 适合不同频率 不同精确度测频的需要 6 1 3电子计数器测频法原理 计数是电子计数器最基本的功能 当把周期为TA的脉冲信号由 1 端加入后 假设在闸门信号的上升沿主门打开 计数器对输入脉冲信号进行累加计数 在闸门信号的下降沿主门关闭 计数器停止计数 显然计数器所计之数N为
3、 6 2通用电子计数器 6 2 1通用电子计数器的主要技术性能 1 测试性能 仪器所具备的测试功能 如测量频率 周期 频率比等 2 测量范围 仪器的有效测量范围 在测频和测周期时 测量范围不同 测频时要指明频率的上限和下限 测周期时要指明周期的最大值和最小值 3 输入特性 通用电子计数器一般由2 3个输入通道组成 需分别指出各个通道的特性 4 测量准确度 常用测量误差来表示 主要由时基误差和计数误差决定 时基误差由内部晶体振荡器的稳定度确定 5 闸门时间和时标 由机内时标信号源所能提供的时间标准信号决定 6 显示及工作方式 显示位数 可显示的数字位数 如常见的8位 显示时间 两次测量之间显示结
4、果的时间 一般是可调的 显示方式 有记忆和不记忆两种显示方式 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通用电子计数器的测量功能 1 频率测量 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 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为 用E312A型通用计数器测一输入频率fx 100000Hz的信号 显示电路所显示读数随闸门时间的不同而不同 见表 2 周期测量 周期是频率的倒数 因此周期的测量和频率的测量正好相反 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
5、信号的周期为 Tx NTo它实际上是多个被测周期的平均值 即 3 时间间隔测量 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 若计数器在主门打开时间内计得脉冲个数为N 则B和C两脉冲信号之间的时间间隔为tB C NTo 4 相位差测量 相位差测量通常是指两个同频率的信号之间的相位差的测量 相位差测量的主要方法有示波器法 比较器法 直读法等 利用电子计数器也可进行相位差的测量 它是时间间隔测量的一个应用 瞬时值数字相位差测量原理框图如图所示 通过测量两个正弦波上两个相应点之间的时间
6、间隔 可换算出它们之间的相位差 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 对应的时间为t 则 式中 Ts为时标信号周期 由以上两式可得 两次测量结果取平均值 再利用上式可得相位差 瞬时值数字相位差测量工作波形 5 频率比fB fA测量 频率比是指两路信号源的频率的比值 其测量原理与频率 周期测量的原理类似 6 累加计数和计时 累加计数是电子计数器最基本的功能 是指在一段较长时间内累加被测信号的脉冲个数 7 自校 在使用电子计数器测量之前 应对电子计数器进行自校 一是检验电子计数器的逻辑关系是否正常 二是检验电子计数器能否准确地进行定量测量 6 2 3通用电子计数器的基本组成
7、 通用电子计数器一般由六大部分组成 6 2 4通用电子计数器的测量误差1 测量误差的来源 1 量化误差 如图所示 虽然闸门开启时间都为T 但因为闸门开启时刻不一样 计数值一个为9 另一个却为8 两个计数值相差1 量化误差的相对误差为 2 触发误差施密特电路输出规则的矩形波 如图所示 3 标准频率误差电子计数器在测量频率和时间时是以晶振产生的各种时标信号作为基准的 显然 如果时标信号不稳定 则会产生测量误差 这种误差称为标准频率误差 2 测量误差分析与提高测量精度的方法 1 测频误差 通过前面的介绍 测频量化误差可用下式表示 2 测周误差 测周误差包括测周量化误差和触发误差 1 测周量化误差 参
8、照图6 3 以及对测频量化误差的分析 测周量化误差为 6 10 2 测周触发误差 因为一般门电路采用过零触发 可以证明触发误差可按下式近似表示 3 中界频率的确定 忽略随机误差 根据中界频率的定义 可得到中界频率的计算公式 6 12 6 11 例如 用电子计数器测量fx 2kHz信号的频率 分别采用测频 闸门时间为1s 和测周 晶振频率fc 10MHz 两种测量方法 由于量化误差所引起的相对误差如下 测频时 量化误差为测周时 量化误差为 中界频率为 4 多周期测量 除采取以上措施外 测量时还应注意以下事项 1 每次测试前应先对仪器进行自校检查 当显示正常时再进行测试 2 当被测信号的信噪比较差
9、时 应降低输入通道的增益或加低通滤波器 3 为保证机内晶体稳定 应避免温度有大的波动和机械振动 避免强的工业磁电干扰 仪器的接地应良好 6 3等精度时间 频率测量 6 3 1等精度测量原理下图示出了等精度测量原理 测量时 仪器先产生闸门预备信号 由被测信号脉冲的上升沿触发同步门E 主门E开启 E计数器计数 与此同时 时钟脉冲的上升沿触发同步门T 主门T开启 T计数器计数 等精度测量逻辑时序图 在闸门时间T内 E计数器累计了NE fx T个被测信号脉冲 T计数器累计了NT f0 T个时钟脉冲 由运算部分 微处理器 可算出 并显示出来 当钟频f0选为100MHz时 对1s闸门时间测量的分辨力恒为10 8 如图所示 6 3 2时间间隔平均测量原理 时间间隔测量时序图如图所示 6 4EE3376型可程控通用计数器简介 6 4 1EE3376型可程控通用计数器原理及电路介绍 6 4 2EE3376型可程控通用计数器的使用 1 面板功能2 功能键操作3 A通道频率测量 fA 周期测量 PA 4 A B时间间隔测量 TA B 5 TOTA 累计测量 6 FC C通道测频 7 GPIB通用接口8 EE3376用于自动测试
