電子測(cè)量技術(shù)第6章第1部分

1、 多功能計(jì)數(shù)器 函數(shù)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器 頻率計(jì) 6.1 概述 目前，在電子測(cè)量中，時(shí)間和頻率的測(cè)量精確 度是最高的，在檢測(cè)技術(shù)中，常常將一些非電量 或其他電參量轉(zhuǎn)換成頻率進(jìn)行測(cè)量。本章將重點(diǎn) 介紹利用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率、周期和時(shí)間間隔 的測(cè)量方法。 1頻率和周期的基本概念 頻率定義為相同的現(xiàn)象在單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)的 次數(shù)。 周期則是指出現(xiàn)相同現(xiàn)象的最小時(shí)間間隔. s N f T 式中，f頻率； N相同的現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)； Ts單位時(shí)間。 周期性現(xiàn)象，是指經(jīng)過(guò)一段相等的時(shí)間隔又出現(xiàn) 相同狀態(tài)的現(xiàn)象，在數(shù)學(xué)上可用一個(gè)周期函數(shù)來(lái) 表示所謂周期性現(xiàn)象。 式中 f頻率，用赫茲（HZ）表示； n正整數(shù)，相同

2、的現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù) ； T周期過(guò)程的周期時(shí)間。 正弦波是一種典型常見(jiàn)的周期性信號(hào)，可表示為 對(duì)一個(gè)周期現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，周期和頻率都是描述它的重 要參數(shù)。周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系，只要測(cè)出其中 一個(gè)，便可取倒數(shù)而求得另一個(gè)。 式中 f頻率，用赫茲（HZ）表示； T周期過(guò)程的周期時(shí)間。 （1）時(shí)頻測(cè)量具有動(dòng)態(tài)性質(zhì)。 （2）測(cè)量精度高。 （3）測(cè)量范圍廣。 （4）頻率信息的傳輸和處理比較容易。 2時(shí)間與頻率測(cè)量的特點(diǎn) 頻率的測(cè)量方法按工作原理可分為直接法和比 對(duì)法兩大類。 （1）直接法。直接法是指直接利用電路的某種頻 率響應(yīng)特性來(lái)測(cè)量頻率的方法。電橋法和諧振法是 這類測(cè)量方法的典型代表。 直接法常常通過(guò)數(shù)

3、學(xué)模型先求出頻率表達(dá)式，然后 利用頻率與其他已知參數(shù)的關(guān)系測(cè)量頻率。 （2）比對(duì)法。比對(duì)法是利用標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)頻率 進(jìn)行比較來(lái)測(cè)量頻率的。其測(cè)量準(zhǔn)確度主要取決于 標(biāo)準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度。拍頻法、外差法及計(jì)數(shù)器測(cè)頻 法是這類測(cè)量方法的典型代表。 3頻率測(cè)量的基本方法 6.2.1 電子計(jì)數(shù)器面板及控鍵示意圖 電子計(jì)數(shù)器的面板和主要的控制按鍵如圖6.1所示 。 6.2 電子計(jì)數(shù)器及其應(yīng)用 （1 1）功能選擇）功能選擇 有6個(gè)鍵，完成計(jì)數(shù)、測(cè)量頻率、測(cè)量周期、測(cè)量 時(shí)間間隔、測(cè)量頻率比和自校功能。 （2 2）時(shí)間選擇）時(shí)間選擇 測(cè)量頻率時(shí)，用于選擇閘門(mén)時(shí)間；測(cè)量周期時(shí)，用 于選擇周期倍乘。 （3 3）輸入通

4、道）輸入通道 具有A、B和C三個(gè)通道，其中A、B通道可對(duì)輸入信 號(hào)進(jìn)行衰減。 （4 4）觸發(fā)選擇）觸發(fā)選擇 用于選擇觸發(fā)方式。置“+”時(shí)，為上升沿觸發(fā)； 置“-”時(shí)，為下降沿觸發(fā)。 （5 5）觸發(fā)電平）觸發(fā)電平 可連續(xù)調(diào)節(jié)觸發(fā)電平。 （6 6）數(shù)碼顯示器）數(shù)碼顯示器 用于測(cè)量值顯示，小數(shù)點(diǎn)自動(dòng)定位。 622電子計(jì)數(shù)器的主要電路技術(shù) 電子計(jì)數(shù)器一般由輸入通道、計(jì)數(shù)器、邏輯控 制、顯示器及驅(qū)動(dòng)等電路構(gòu)成。 1輸入通道 電子計(jì)數(shù)器一般設(shè)置23個(gè)輸入通道，記做A、B 、C。A通道用于測(cè)頻、自校；B通道用于測(cè)量周期 ；B、C通道合起來(lái)測(cè)時(shí)間間隔；A、B通道合起來(lái) 測(cè)頻率比。 A通道是主通道，頻帶較寬；B

5、、C通道是簡(jiǎn)易通道 。A通道的基本框圖如圖6.2所示，它包括衰減器 、放大器、整形器。 圖6.2 A通道的基本框圖 2計(jì)數(shù)器 計(jì)數(shù)器由觸發(fā)器構(gòu)成。在數(shù)字儀表中，最常用的 是按8421編碼的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，來(lái)了10個(gè)脈沖就產(chǎn)生 1個(gè)進(jìn)位。 3顯示與驅(qū)動(dòng)電路 電子計(jì)數(shù)器以數(shù)字方式顯示出被測(cè)量，目前常 用的有LED顯示器和LCD顯示器。LED為數(shù)碼顯示， 其優(yōu)點(diǎn)是工作電壓低、能與COMS、TTL電路兼容， 發(fā)光亮度高、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)。LCD為液晶顯示， 其突出優(yōu)點(diǎn)是供電電壓低和微功耗，是各類顯示 器中功耗最低的。同時(shí)LCD制造工藝簡(jiǎn)單、體積小 而薄，特別適用于小型數(shù)字儀表中。 4邏輯控制電路 邏輯控制

6、電路是由門(mén)電路和觸發(fā)器組成的時(shí)序 邏輯電路。它產(chǎn)生各種指令信號(hào)，這些指令控制 整機(jī)各單元電路的工作，使整機(jī)按一定的工作程 序完成測(cè)量任務(wù)。 6.2.3 6.2.3 電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率 1測(cè)頻的基本原理 電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻是嚴(yán)格按照頻率的定義進(jìn)行的。 它在某個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔Ts內(nèi)，測(cè)出被測(cè)信號(hào)重 復(fù)的次數(shù)N，然后由公式f = N/Ts計(jì)算出頻率。測(cè)量的 原理框圖如圖6.3所示。 圖6.3 電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻原理框圖 （1）輸入單元電路 由放大、整形電路構(gòu)成，它將輸入頻率為fx的 被測(cè)周期性信號(hào)放大、整形，變換成計(jì)數(shù)器能接 受的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，并加到閘門(mén)電路輸入端。 （2）時(shí)基Ts產(chǎn)生電路 包括石英晶體

7、振蕩器、分頻器及時(shí)基選擇電路 。用于產(chǎn)生準(zhǔn)確的時(shí)間間隔Ts 。 （3）主門(mén)電路 通常由一個(gè)與門(mén)（或一個(gè)或門(mén)）構(gòu)成。它進(jìn)行 時(shí)間或頻率的量化比較，完成時(shí)間或頻率的數(shù)字 轉(zhuǎn)換。 （4）計(jì)數(shù)顯示電路 包括多級(jí)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、寄存器、譯碼器和數(shù)字 顯示器等。 它對(duì)主門(mén)輸出的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再用數(shù)字顯 示出來(lái)。 （5）邏輯控制電路 包括門(mén)電路和觸發(fā)器組成的時(shí)序邏輯電路。 它產(chǎn)生各種控制信號(hào)，如寄存、顯示、復(fù)位信號(hào) 等，控制整機(jī)各單元電路的工作，使整機(jī)按一定的 工作程序完成測(cè)量任務(wù)。 2測(cè)頻方法的誤差分析 （1）量化誤差。利用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率，測(cè)量的 實(shí)質(zhì)是在已知的時(shí)間內(nèi)累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)，是一個(gè)量化過(guò) 程。

8、這種計(jì)數(shù)只能對(duì)整數(shù)個(gè)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，它不可能 測(cè)出半個(gè)脈沖，即量化的最小單位是數(shù)碼的一個(gè)字。 這種誤差稱為“1個(gè)字誤差”，簡(jiǎn)稱“1誤差”。 量化誤差的相對(duì)值為 當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率一定時(shí)，主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間越長(zhǎng)，量化 的相對(duì)誤差就越??；當(dāng)主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間一定時(shí)，提高 被測(cè)信號(hào)的頻率，也可減小量化誤差的影響。 xs 11N NNfT 式中， 量化誤差的相對(duì)值，即計(jì)數(shù)的相對(duì)誤 差； fx被測(cè)信號(hào)的頻率； Ts選定的主門(mén)開(kāi)啟時(shí)間。 N N （2）閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間的誤差。閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間的誤差主 要由晶振的頻率誤差引起。設(shè)晶振頻率為fc（周期為 Tc）、分頻系數(shù)為常數(shù)k，則 s sc 1k T ff 式中，k分頻系數(shù)； fc標(biāo)

9、準(zhǔn)頻率。 （3）測(cè)頻公式誤差 測(cè)頻的公式誤差為 由于 的符號(hào)可正可負(fù)，若按最壞情況考慮， 可得電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率的最大相對(duì)誤差計(jì)算公 式為 c f cx f xxsc 1 ff ffTf （4）測(cè)頻計(jì)數(shù)誤差。 計(jì)數(shù)誤差是指在測(cè)量頻率時(shí)，由于被測(cè)信號(hào)中的干 擾噪聲影響，使輸入信號(hào)經(jīng)觸發(fā)器整形后，形成的 計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生了錯(cuò)誤而產(chǎn)生的誤差。如圖6.5（a） 、（b）所示。 圖6.5 噪聲干擾引起的計(jì)數(shù)誤差 （5）結(jié)論 電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率時(shí)要提高頻率測(cè)量的準(zhǔn)確 度（減少測(cè)量誤差）可采取如下措施： 選擇準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度高的晶振作為時(shí)標(biāo)信號(hào)發(fā) 生器，以減小閘門(mén)時(shí)間誤差。 加大分頻器的分頻系數(shù)k，擴(kuò)大主門(mén)的開(kāi)啟

10、時(shí)間 ，以減小量化誤差的影響。 當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，用測(cè)頻方法測(cè)得的頻率 誤差較大，應(yīng)選用其它方法進(jìn)行測(cè)量。 對(duì)隨機(jī)的計(jì)數(shù)誤差，可提高信噪比或調(diào)小通道增 益來(lái)減小誤差程度。 6.2.4 6.2.4 電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期 1測(cè)量周期的基本原理 周期是頻率的倒數(shù)，因此周期的測(cè)量與頻率測(cè) 量正好相反。電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期的原理框圖如 圖6.6所示。電路構(gòu)成與測(cè)頻電路類似，包括輸入 整形電路，時(shí)標(biāo)、時(shí)基產(chǎn)生電路，主門(mén)電路，計(jì) 數(shù)顯示及邏輯控制電路等。 圖6.6 電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期的基本原理框圖 （1）公式誤差 測(cè)量周期的相對(duì)誤差為 2測(cè)周方法的誤差分析 xx s s lnln T TT NT NT ss s s lnlnlnlnNTNT NT NT ()() s s T N NT 其中： 按最壞結(jié)果考慮，周期測(cè)量總的系統(tǒng)誤差應(yīng)是兩 種誤差之和。 k fT kT T T T N cx c x s x 1N cx fT k NN N 1 c c c c s s f f f k f k T T c c cx T f f fT k （2）觸發(fā)誤差。觸發(fā)誤差是指在測(cè)量周期時(shí)，由于 輸入信號(hào)受噪聲影響，經(jīng)觸發(fā)器整形后形成的門(mén)控 脈沖時(shí)間間隔與信號(hào)的周期產(chǎn)生了差異而形成的誤 差。因?yàn)橐话汩T(mén)電路采用過(guò)零觸發(fā)，可以證明觸發(fā) 誤差可按下式近似表示： n xm 11 22 n TV TV kkM 式中，k分