4時(shí)間與頻率的測(cè)量

1、4.1 概述4.2 時(shí)間與頻率的原始基準(zhǔn)4.3 頻率和時(shí)間的測(cè)量原理4.4 電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能4.5 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差4.6 高分辨時(shí)間和頻率測(cè)量技術(shù)最常見(jiàn)和最重要的測(cè)量時(shí)間是7個(gè)基本國(guó)際單位之一，時(shí)間、頻率是極為重要的物理量，在通信、航空航天、武器裝備、科學(xué)試驗(yàn)、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化等民用和軍事方面都存在時(shí)頻測(cè)量。測(cè)量準(zhǔn)確度高時(shí)間頻率基準(zhǔn)具有最高準(zhǔn)確度（可達(dá)10-14），校準(zhǔn)（比對(duì)）方便，因而數(shù)字化時(shí)頻測(cè)量可達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。因此，許多物理量的測(cè)量都轉(zhuǎn)換為時(shí)頻測(cè)量。自動(dòng)化程度高測(cè)量速度快4.1 概述概述 頻率的測(cè)量方法可以分為：差頻法差頻法拍頻法拍頻法示波法示波法電橋法電橋法諧振

2、法諧振法比較法比較法直讀法直讀法李沙育圖形法李沙育圖形法測(cè)周期法測(cè)周期法模擬法模擬法頻率測(cè)量方法頻率測(cè)量方法數(shù)字法數(shù)字法電容充放電法電容充放電法電子計(jì)數(shù)器法電子計(jì)數(shù)器法4.1 概述概述4.2.1 時(shí)間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn) 1）天文時(shí)標(biāo) 2）原子時(shí)標(biāo)4.2.2 石英晶體振蕩器 1）組成 2）指標(biāo)1）天文時(shí)標(biāo)原始標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有恒定不變性。頻率和時(shí)間互為倒數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)具有一致性。宏觀標(biāo)準(zhǔn)和微觀標(biāo)準(zhǔn)宏觀標(biāo)準(zhǔn)：基于天文觀測(cè)；微觀標(biāo)準(zhǔn)：基于量子電子學(xué)，更穩(wěn)定更準(zhǔn)確。世界時(shí)（UT,Universal Time）:以地球自轉(zhuǎn)周期(1天)確定的時(shí)間，即1/(246060)=1/86400為1秒。其誤差約為107量級(jí)。為世

3、界時(shí)確定時(shí)間觀測(cè)的參考點(diǎn)，得到平太陽(yáng)時(shí)：由于地球自轉(zhuǎn)周期存在不均勻性，以假想的平太陽(yáng)作為基本參考點(diǎn)。零類世界時(shí)（UT0 ）：以平太陽(yáng)的子夜0時(shí)為參考。第一類世界時(shí)（UT1）：對(duì)地球自轉(zhuǎn)的極移效應(yīng)（自轉(zhuǎn)軸微小位移）作修正得到。第二類世界時(shí)（UT2）：對(duì)地球自轉(zhuǎn)的季節(jié)性變化（影響自轉(zhuǎn)速率）作修正得到。準(zhǔn)確度為3108 。歷書時(shí)（ET）：以地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，即公轉(zhuǎn)周期（1年）的31 556 925.9747分之一為1秒。參考點(diǎn)為1900年1月1日0時(shí)（國(guó)際天文學(xué)會(huì)定義）。準(zhǔn)確度1109 。于1960年第11屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)接受為“秒”的標(biāo)準(zhǔn)。原子時(shí)標(biāo)的定義1967年10月，第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式

4、通過(guò)了秒的新定義： 秒是Cs133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,770個(gè)周期的時(shí)間1972年起實(shí)行，為全世界所接受。秒的定義由天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡到原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高了4-5個(gè)量級(jí)，達(dá)510-14(相當(dāng)于62萬(wàn)年1秒)，并仍在提高。原子鐘原子時(shí)標(biāo)的實(shí)物儀器，可用于時(shí)間、頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和比對(duì)。銫原子鐘準(zhǔn)確度：10-1310-14。大銫鐘，專用實(shí)驗(yàn)室高穩(wěn)定度頻率基準(zhǔn)；小銫鐘，頻率工作基準(zhǔn)。銣原子鐘準(zhǔn)確度： 10-11，體積小、重量輕，便于攜帶，可作為工作基準(zhǔn)。氫原子鐘短期穩(wěn)定度高：10-1410-15，但準(zhǔn)確度較低（10-12）。電子計(jì)數(shù)器內(nèi)部時(shí)間、

5、頻率基準(zhǔn)采用石英晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱“晶振”）為基準(zhǔn)信號(hào)源?；趬弘娦?yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫度影響（其頻率-溫度特性曲線有拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)處最平坦），普通晶體頻率準(zhǔn)確度為10-5。采用溫度補(bǔ)償或恒溫措施（恒定在拐點(diǎn)處的溫度）可得到高穩(wěn)定、高準(zhǔn)確的頻率輸出。（自學(xué)部分）4.3.1 模擬測(cè)量原理 1）直接法 2）比較法4.3.2 數(shù)字測(cè)量原理 1）門控計(jì)數(shù)法測(cè)量原理 2）通用計(jì)數(shù)器的基本組成 1）直接法直接法是利用電路的某種頻率響應(yīng)特性來(lái)測(cè)量頻率值，其又可細(xì)分為諧振法和電橋法兩種。（1）諧振法：調(diào)節(jié)可變電容器C使回路發(fā)生諧振，此時(shí)回路電流達(dá)到最大(高頻電壓表指示)，則可測(cè)量1500MHz

6、以下的頻率，準(zhǔn)確度(0.251)%。f f x xM ML LI IC C012xffLC ( 2）電橋法：利用電橋的平衡條件和頻率有關(guān)的特性來(lái)進(jìn)行頻率測(cè)量,通常采用文氏電橋來(lái)進(jìn)行測(cè)量。調(diào)節(jié)R1、R2使電橋達(dá)到平衡，則有R R3 3R R4 4R R1 1R R2 2C C1 1C C2 2f fx x1212122xxfRRCCx1x2jjCC143211（R +）R （）R1R 1 1）直接法）直接法令平衡條件表達(dá)式兩端實(shí)虛部分別相等，得到：和于是，被測(cè)信號(hào)頻率為：通常取R1=R2=R, C1=C2=C，則測(cè)量準(zhǔn)確度影響因素： 受橋路中各元件的精確度、判斷電橋平衡的準(zhǔn)確程度（取決于橋路諧振

7、特性的尖銳度即指示器的靈敏度）和被測(cè)信號(hào)的頻譜純度的限制，準(zhǔn)確度不高，一般約為(0.51)%。 312214RRCRCR1x22x110RCRC1212122xxfR R C C12xfRC 1 1）直接法）直接法基本原理 利用標(biāo)準(zhǔn)頻率fs和被測(cè)量頻率fx進(jìn)行比較來(lái)測(cè)量頻率：拍頻法、外差法、示波法以及計(jì)數(shù)法等。數(shù)學(xué)模型為：拍頻法：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)頻率疊加，由指示器（耳機(jī)或電壓表）指示。適于音頻測(cè)量。外差法：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)頻率混頻，取出差頻并測(cè)量?？蓽y(cè)量范圍達(dá)幾十MHz（外差式頻率計(jì)）。示波法： 李沙育圖形法：將fx和fs分別接到示波器Y軸和X軸（X-Y圖示方式），當(dāng)fxfs時(shí)顯示為斜線（橢圓

8、或圓）； 測(cè)周期法：直接根據(jù)顯示波形由X通道掃描速率得到周期，進(jìn)而得到頻率。xsfN f 閘門可由一個(gè)與（“或”）邏輯門電路實(shí)現(xiàn)。這種測(cè)量方法稱為門控計(jì)數(shù)法?！芭c”邏輯門作為閘門，其門控信號(hào)為1時(shí)閘門開啟（允許計(jì)數(shù)），為0時(shí)閘門關(guān)閉（停止計(jì)數(shù)）。 測(cè)頻時(shí)，閘門開啟時(shí)間（稱為“閘門時(shí)間”）即為采樣時(shí)間。 測(cè)時(shí)間（間隔）時(shí)，閘門開啟時(shí)間即為被測(cè)時(shí)間。與與門門T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C通用電子計(jì)數(shù)器的組成框圖：通用計(jì)數(shù)器包括如下幾個(gè)部分輸入通道：通常有A、B、C多個(gè)通道，以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能。輸入通道電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、整形等（但保持頻率不變），得到適合計(jì)

9、數(shù)的脈沖信號(hào)。門控電路：完成計(jì)數(shù)的閘門控制作用。計(jì)數(shù)與顯示電路：計(jì)數(shù)電路是通用計(jì)數(shù)器的核心電路，完成脈沖計(jì)數(shù)；顯示電路將計(jì)數(shù)結(jié)果（反映測(cè)量結(jié)果）以數(shù)字方式顯示出來(lái)。時(shí)基產(chǎn)生電路：產(chǎn)生機(jī)內(nèi)時(shí)間、頻率測(cè)量的基準(zhǔn)，即時(shí)間測(cè)量的時(shí)標(biāo)和頻率測(cè)量的閘門信號(hào)?？刂齐娐罚嚎刂茀f(xié)調(diào)整機(jī)工作，即準(zhǔn)備測(cè)量顯示。4.4.1 電子計(jì)數(shù)器的組成 1）A、B輸入通道 2）主門電路 3）計(jì)數(shù)與顯示電路 4）時(shí)基產(chǎn)生電路 5）控制電路4.4.2 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能 1）頻率測(cè)量 2）頻率比測(cè)量 3）周期測(cè)量 4）時(shí)間間隔測(cè)量 5）自檢數(shù)字顯示器數(shù)字顯示器寄存器寄存器十進(jìn)制十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器 A通 道通 道 ( 放放大、整形大

10、、整形) B 通 道通 道 ( 放放大、整形大、整形) 主主 門門功能開關(guān)功能開關(guān)閘門選擇、周期倍乘閘門選擇、周期倍乘 10 10 10 1010s(104) 1s(103) 100ms(102) 10ms(10) 1ms(1) 時(shí)標(biāo)選擇時(shí)標(biāo)選擇12345332112445時(shí)基部分時(shí)基部分 10 10 10 10 101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制時(shí)序電路控制時(shí)序電路組成原理框圖開門開門鎖存鎖存復(fù)位復(fù)位控制時(shí)序電路波形控制時(shí)序電路波形作用：它們主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)（包括觸發(fā)電平調(diào)節(jié)）等單元電路構(gòu)成。其作用是對(duì)輸入信號(hào)處理以產(chǎn)生符合計(jì)數(shù)要求（波形、幅度）的脈沖

11、信號(hào)。斯密特觸發(fā)電路：利用斯密特觸發(fā)器的回差特性，對(duì)輸入信號(hào)具有較好的抗干擾作用。通道組合可完成不同的測(cè)量功能：被計(jì)數(shù)的信號(hào)通道（常從A通道輸入）稱為計(jì)數(shù)端；控制閘門開啟的信號(hào)通道（常從B、C通道輸入）稱為控制端。從計(jì)數(shù)端輸入的信號(hào)有：被測(cè)信號(hào)(fx);內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)等;從控制端輸入的信號(hào)有：閘門信號(hào)；被測(cè)信號(hào)(Tx)等；序序號(hào)號(hào)計(jì)數(shù)端信號(hào)計(jì)數(shù)端信號(hào)控制端信號(hào)控制端信號(hào)測(cè)試功能測(cè)試功能計(jì)數(shù)結(jié)果計(jì)數(shù)結(jié)果1內(nèi)時(shí)鐘（內(nèi)時(shí)鐘（T0）內(nèi)時(shí)鐘（內(nèi)時(shí)鐘（T）自檢自檢N=T/T02被測(cè)信號(hào)（被測(cè)信號(hào)（fx）內(nèi)時(shí)鐘（內(nèi)時(shí)鐘（T）測(cè)量頻率（測(cè)量頻率（A）fxN/T3內(nèi)時(shí)鐘（內(nèi)時(shí)鐘（T0）被測(cè)周期（被測(cè)周期（Tx）測(cè)

12、量周期（測(cè)量周期（B）TxNT04被測(cè)信號(hào)（被測(cè)信號(hào)（fA）被測(cè)信號(hào)（被測(cè)信號(hào)（fB）測(cè)量頻率比（測(cè)量頻率比（A/B）fA/fB=N5內(nèi)時(shí)鐘（內(nèi)時(shí)鐘（T0）被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量時(shí)間間隔（測(cè)量時(shí)間間隔（A-B）tB-C=NT06外輸入（外輸入（TA）被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量外控時(shí)間間隔測(cè)量外控時(shí)間間隔B-CtB-C=NTA7外待測(cè)信號(hào)（外待測(cè)信號(hào)（Nx）手控或遙控手控或遙控累加計(jì)數(shù)（累加計(jì)數(shù)（A）NxN8內(nèi)時(shí)鐘（秒信號(hào)）內(nèi)時(shí)鐘（秒信號(hào)）手控或遙控手控或遙控計(jì)時(shí)計(jì)時(shí) N（秒）（秒）功能：主門也稱為閘門，通過(guò)“門控信號(hào)”控制進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖，使計(jì)數(shù)器只對(duì)預(yù)

13、定的“閘門時(shí)間”之內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)。 電路：由“與門”或“或門”構(gòu)成。其原理如下圖： 由“與門”構(gòu)成的主門，其“門控信號(hào)”為1時(shí)，允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)；由“或門”構(gòu)成的主門，其“門控信號(hào)”為0時(shí)，允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)。 “門控信號(hào)”還可手動(dòng)操作得到，如實(shí)現(xiàn)手動(dòng)累加計(jì)數(shù)。與與門門T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C功能：計(jì)數(shù)電路對(duì)通過(guò)主門的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)（計(jì)數(shù)值代表了被測(cè)頻率或時(shí)間），并通過(guò)數(shù)碼顯示器將測(cè)量結(jié)果直觀地顯示出來(lái)。為了便于觀察和讀數(shù)，通常使用十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路。計(jì)數(shù)電路的重要指標(biāo)：最高計(jì)數(shù)頻率。計(jì)數(shù)電路一般由多級(jí)雙穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成，受內(nèi)部狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時(shí)間限制，使計(jì)數(shù)電路存在最高

14、計(jì)數(shù)頻率的限制。而且對(duì)多位計(jì)數(shù)器，最高計(jì)數(shù)頻率主要由個(gè)位計(jì)數(shù)器決定。功能：產(chǎn)生測(cè)頻時(shí)的“門控”信號(hào)（多檔閘門時(shí)間可選）及時(shí)間測(cè)量時(shí)的“時(shí)標(biāo)”信號(hào)（多檔可選）。實(shí)現(xiàn)：由內(nèi)部晶體振蕩器（也可外接），通過(guò)倍頻或分頻得到“時(shí)標(biāo)信號(hào)”；通過(guò)門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門控信號(hào)”。如，若fc=1MHz,經(jīng)106分頻后，可得到fs=1Hz(周期Ts=1s) 的時(shí)基信號(hào)，經(jīng)過(guò)門控雙穩(wěn)態(tài)電路得到寬度為Ts=1s的門控信號(hào)。要求：標(biāo)準(zhǔn)性：“門控信號(hào)”和“時(shí)標(biāo)”作為計(jì)數(shù)器頻率和時(shí)間測(cè)量的本地工作基準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)具有高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度。多值性：為了適應(yīng)計(jì)數(shù)器較寬的測(cè)量范圍，要求“閘門時(shí)間”和“時(shí)標(biāo)”可多檔選擇。常用“閘門時(shí)間”有

15、：1ms、10ms、100ms、1s、10s。常用的“時(shí)標(biāo)”有：10ns、100ns、1us、10us、100us、1ms。功能：產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作，使整機(jī)按“復(fù)零測(cè)量顯示”的工作程序完成自動(dòng)測(cè)量的任務(wù)。準(zhǔn)備期準(zhǔn)備期 （ 復(fù)零，等待）復(fù)零，等待） 測(cè)量期測(cè)量期 （開門，計(jì)數(shù)）（開門，計(jì)數(shù)） 顯示期顯示期（關(guān)門，停止計(jì)數(shù)）（關(guān)門，停止計(jì)數(shù)）1）頻率測(cè)量原理：計(jì)數(shù)器嚴(yán)格按照 的定義實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。根據(jù)上式的頻率定義，T為采樣時(shí)間，N為T內(nèi)的周期數(shù)。采樣時(shí)間T預(yù)先由閘門時(shí)間Ts確定（時(shí)基頻率為fs）。則或該式表明，在數(shù)字化頻率測(cè)量中，可用計(jì)數(shù)值N表示fx。它體現(xiàn)了數(shù)字化頻率測(cè)

16、量的比較法測(cè)量原理。例如：閘門時(shí)間Ts=1s，若計(jì)數(shù)值N=10000，則顯示的fx為“10000”Hz，或“10.000”kHz。如閘門時(shí)間Ts=0.1s，則計(jì)數(shù)值N=1000，則顯示的fx為 “10.00”kHz。請(qǐng)注意：顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義，它表示了頻率測(cè)量的分辨力（應(yīng)等于時(shí)基頻率fs ）。TNfxssNfNfTxsxsf .TTTN原理框圖和工作波形圖（fx由A通道輸入，內(nèi)部時(shí)基由B通道輸入）TB放大、放大、整形整形閘閘門門門控門控電路電路計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)顯顯示示Afx分頻電分頻電路路時(shí)基時(shí)基Ts1）頻率測(cè)量）頻率測(cè)量 為便于測(cè)量和顯示，計(jì)數(shù)器通常為為便于測(cè)量和顯示，計(jì)數(shù)器通常為十進(jìn)制計(jì)

17、數(shù)器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，多檔，多檔閘閘門時(shí)間設(shè)定為門時(shí)間設(shè)定為1010的冪次方的冪次方，這樣可直接顯示計(jì)數(shù)結(jié)果，并，這樣可直接顯示計(jì)數(shù)結(jié)果，并通過(guò)移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)和單位的配合，就可得到被測(cè)頻率。通過(guò)移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)和單位的配合，就可得到被測(cè)頻率。 測(cè)量速度與分辨力測(cè)量速度與分辨力：閘門時(shí)間：閘門時(shí)間TsTs為頻率測(cè)量的采樣時(shí)間，為頻率測(cè)量的采樣時(shí)間，TsTs愈大，則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng)，計(jì)數(shù)值愈大，則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng)，計(jì)數(shù)值N N愈大，分辨力愈高。愈大，分辨力愈高。xsxsf .TTTN2）頻率比的測(cè)量原理：實(shí)際上，前述頻率測(cè)量的比較測(cè)量原理就是一種頻率比的測(cè)量：fx對(duì)fs的頻率比。若要測(cè)量fA對(duì)fB的頻率比（假設(shè)fAfB

18、），只要用fB的周期TB作為閘門，在TB時(shí)間內(nèi)對(duì)fA作周期計(jì)數(shù)即可。方法： fA與fB分別由A、B兩通道輸入，如下圖。BAABTfNTf注意：頻率較高者由A通道輸入，頻率較低者由B通道輸入。 提高頻率比的測(cè)量精度：擴(kuò)展B通道信號(hào)的周期個(gè)數(shù)。例如：以B通道信號(hào)的10個(gè)周期作為閘門信號(hào)，則計(jì)數(shù)值為： ,即計(jì)數(shù)值擴(kuò)大了10倍，相應(yīng)的測(cè)量精度也就提高了10倍。為得到真實(shí)結(jié)果，需將計(jì)數(shù)值N縮小10倍（小數(shù)點(diǎn)左移1位），即應(yīng)用：可方便地測(cè)得電路的分頻或倍頻系數(shù)。1 0ABfNf1010BAABTfNTf3）周期的測(cè)量原理：“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)法”周期測(cè)量。 對(duì)被測(cè)周期Tx，用已知的較小單位時(shí)間刻度T0（“時(shí)標(biāo)”）去

19、量化，由Tx所包含的“時(shí)標(biāo)”數(shù)N即可得到Tx。 “時(shí)標(biāo)”的計(jì)數(shù)值N可表示周期Tx。也體現(xiàn)了時(shí)間間隔（周期）的比較測(cè)量原理。實(shí)現(xiàn)：由Tx得到閘門；在Tx內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)。Tx由B通道輸入，內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)由A通道輸入（A通道外部輸入斷開）。0 xTNT原理框圖：4）時(shí)間間隔的測(cè)量時(shí)間間隔：指兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)之間的時(shí)間段。在測(cè)量技術(shù)中，兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)通常由兩個(gè)事件確定。如，一個(gè)周期信號(hào)的兩個(gè)同相位點(diǎn)（如過(guò)零點(diǎn)）所確定的時(shí)間間隔即為周期。兩個(gè)事件的例子及測(cè)量參數(shù)還有：同一信號(hào)波形上兩個(gè)不同點(diǎn)之間脈沖信號(hào)參數(shù)；兩個(gè)信號(hào)波形上，兩點(diǎn)之間相位差的測(cè)量；手動(dòng)觸發(fā)定時(shí)、累加計(jì)數(shù)。 測(cè)量方法：由兩個(gè)事件觸發(fā)得到起始信號(hào)和終

20、止信號(hào)，經(jīng)過(guò)門控雙穩(wěn)態(tài)電路得到“門控信號(hào)”，門控時(shí)間即為被測(cè)的時(shí)間間隔。在門控時(shí)間內(nèi)，仍采用“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)”方法測(cè)量（即所測(cè)時(shí)間間隔由“時(shí)標(biāo)”量化）。原理框圖原理框圖 起始、終止信號(hào)分別由起始、終止信號(hào)分別由B B、C C通道通道輸入；時(shí)標(biāo)由輸入；時(shí)標(biāo)由機(jī)內(nèi)提供。機(jī)內(nèi)提供。 觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)：為增加測(cè)量的靈活性，B、C輸入通道都設(shè)置有觸發(fā)極性(+、-)和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)，以完成各種時(shí)間間隔的測(cè)量。如下圖的脈沖參數(shù)測(cè)量。VBVc起始起始停止停止開門時(shí)間開門時(shí)間C(50%) B(50%) 起始起始停止停止開門時(shí)間開門時(shí)間VBVcB(50%) C- (50%) (50%) B B+ (50%) C

21、 +(50%) (50%) C(90%) 閘門信號(hào)閘門信號(hào)關(guān)門信號(hào)關(guān)門信號(hào)開門信號(hào)開門信號(hào)B (10%) 相位差的測(cè)量利用時(shí)間間隔的測(cè)量，可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻率的信號(hào)之間的相位差。兩個(gè)信號(hào)分別由B、C通道輸入，并選擇相同的觸發(fā)極性和觸發(fā)電平。為減小測(cè)量誤差，分別取+、-觸發(fā)極性作兩次測(cè)量，得到t1、t2再取平均，則221tt 5）自檢（自校）功能：檢驗(yàn)儀器內(nèi)部電路及邏輯關(guān)系是否正常。實(shí)現(xiàn)方法：為判斷自檢結(jié)果是否正確，該結(jié)果應(yīng)該在自檢實(shí)施前即是已知的。為此，用機(jī)內(nèi)的時(shí)基Ts（閘門信號(hào)）對(duì)時(shí)標(biāo)T0計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)結(jié)果應(yīng)為：自檢的方框圖： 例如：若選擇Ts=10ms,T0=1us,則自檢顯示應(yīng)穩(wěn)定在N=10

22、000。自檢不能檢測(cè)內(nèi)部基準(zhǔn)源。放大放大整形整形晶振晶振放大放大 整形整形閘閘門門計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器顯示顯示門控電路門控電路分頻電路分頻電路T T0 0T Tx x0sTNT序序號(hào)號(hào)計(jì)數(shù)端信號(hào)計(jì)數(shù)端信號(hào)控制端信號(hào)控制端信號(hào)測(cè)試功能測(cè)試功能計(jì)數(shù)結(jié)果計(jì)數(shù)結(jié)果1內(nèi)時(shí)鐘（內(nèi)時(shí)鐘（T0）內(nèi)時(shí)鐘（內(nèi)時(shí)鐘（Ts）自檢自檢N=Ts/T02被測(cè)信號(hào)（被測(cè)信號(hào)（fx）內(nèi)時(shí)鐘（內(nèi)時(shí)鐘（Ts）測(cè)量頻率（測(cè)量頻率（A）fxN/Ts3內(nèi)時(shí)鐘（內(nèi)時(shí)鐘（T0）被測(cè)周期（被測(cè)周期（Tx）測(cè)量周期（測(cè)量周期（B）TxNT04被測(cè)信號(hào)（被測(cè)信號(hào)（fA）被測(cè)信號(hào)（被測(cè)信號(hào)（fB）測(cè)量頻率比（測(cè)量頻率比（A/B）fA/fB=N5內(nèi)時(shí)鐘（內(nèi)時(shí)

23、鐘（T0）被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量時(shí)間間隔（測(cè)量時(shí)間間隔（A-B）tB-C=NT06外輸入（外輸入（TA）被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量外控時(shí)間間隔測(cè)量外控時(shí)間間隔B-CtB-C=NTA7外待測(cè)信號(hào)（外待測(cè)信號(hào)（Nx）手控或遙控手控或遙控累加計(jì)數(shù)（累加計(jì)數(shù)（A）NxN8內(nèi)時(shí)鐘（秒信內(nèi)時(shí)鐘（秒信號(hào)）號(hào)）手控或遙控手控或遙控計(jì)時(shí)計(jì)時(shí) N（秒）（秒）4.4.2 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能(總結(jié)總結(jié)) 1、頻率測(cè)量、頻率測(cè)量 2、頻率比的測(cè)量、頻率比的測(cè)量計(jì)數(shù)端：被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)端：被測(cè)信號(hào)控制端：內(nèi)時(shí)鐘控制端：內(nèi)時(shí)鐘結(jié)果：結(jié)果：ssNfTNfx計(jì)數(shù)端：被測(cè)

24、高頻信號(hào)計(jì)數(shù)端：被測(cè)高頻信號(hào)控制端：被測(cè)低頻信號(hào)控制端：被測(cè)低頻信號(hào)結(jié)果：結(jié)果：TB放大、放大、整形整形閘閘門門門控門控電路電路計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)顯顯示示AfxBAffN 3、周期的測(cè)量、周期的測(cè)量 4、時(shí)間間隔的測(cè)量、時(shí)間間隔的測(cè)量計(jì)數(shù)端：內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)計(jì)數(shù)端：內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)控制端：被測(cè)周期控制端：被測(cè)周期結(jié)果：結(jié)果：計(jì)數(shù)端：內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)計(jì)數(shù)端：內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)控制端：控制端：構(gòu)成時(shí)間間隔的兩個(gè)事件構(gòu)成時(shí)間間隔的兩個(gè)事件結(jié)果：結(jié)果：0NTTx0NTTx4.4.2 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能(總結(jié)總結(jié)) 4.5.1 測(cè)量誤差的來(lái)源1）量化誤差；2）觸發(fā)誤差；3）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差4.5.2 頻率測(cè)量的誤

25、差分析1）誤差表達(dá)式；2）量化誤差的影響；3）實(shí)例分析4.5.3 周期測(cè)量的誤差分析1）誤差表達(dá)式；2）量化誤差的影響；3）中界頻率； 4）觸發(fā)誤差1）量化誤差定義： 由前述頻率測(cè)量fx=N/Ts=Nfs和周期測(cè)量Tx=NT0，可見(jiàn)，由于計(jì)數(shù)值N為整數(shù)，fx和Tx必然產(chǎn)生“截?cái)嗾`差”，該誤差即為“量化誤差”。也稱為“1誤差”，它是所有數(shù)字化儀器都存在的誤差。產(chǎn)生原因： 量化誤差并非由于計(jì)數(shù)值N的不準(zhǔn)確（也并非標(biāo)準(zhǔn)頻率源fs或時(shí)標(biāo)T0的不準(zhǔn)確）造成。而是由于閘門開啟和關(guān)閉的時(shí)間與被測(cè)信號(hào)不同步引起（亦即開門和關(guān)門時(shí)刻與被測(cè)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻是隨機(jī)的），使得在閘門開始和結(jié)束時(shí)刻有一部分時(shí)間零頭沒(méi)有被計(jì)

26、算在內(nèi)而造成的測(cè)量誤差。如圖，對(duì)同一被測(cè)信號(hào)，在相同的閘門時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)結(jié)如圖，對(duì)同一被測(cè)信號(hào)，在相同的閘門時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)結(jié)果不同。根據(jù)頻率定義，準(zhǔn)確的果不同。根據(jù)頻率定義，準(zhǔn)確的f fx x應(yīng)為應(yīng)為式中，式中，即，即， 或或 因此，量化誤差影響相當(dāng)于計(jì)數(shù)值因此，量化誤差影響相當(dāng)于計(jì)數(shù)值N N的的“1”1”個(gè)字。個(gè)字。12xsNfTtt 12,sxxxTNTTttT 12(1)(1)xsxNTTttNT 1211sxTttNNT +12）觸發(fā)誤差 輸入信號(hào)都需經(jīng)過(guò)通道電路放大、整形等，得到脈沖信號(hào)，即輸入信號(hào)(轉(zhuǎn)換為)脈沖信號(hào)。這種轉(zhuǎn)換要求只對(duì)信號(hào)幅值和波形變換，不能改變其頻率。但是，若輸入被測(cè)信

27、號(hào)疊加有干擾信號(hào)，則信號(hào)的頻率（周期）及相對(duì)閘門信號(hào)的觸發(fā)點(diǎn)就可能變化。由此產(chǎn)生的測(cè)量誤差稱為“觸發(fā)誤差”，也稱為“轉(zhuǎn)換誤差”。 周期為Tx的輸入信號(hào)， 觸發(fā)電平在A1點(diǎn)，但 在A1點(diǎn)上有干擾信號(hào) (幅度Vn)。提前觸發(fā), 周期TxTx。3）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差機(jī)內(nèi)時(shí)基（閘門時(shí)間）和時(shí)標(biāo)是頻率和時(shí)間間隔測(cè)量的參考基準(zhǔn)，它們由內(nèi)部晶體振蕩器（標(biāo)準(zhǔn)頻率源）分頻或倍頻后產(chǎn)生。因此，其準(zhǔn)確度和測(cè)量時(shí)間之內(nèi)的短期穩(wěn)定度將直接影響測(cè)量結(jié)果。通常，要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差小于測(cè)量誤差的一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，內(nèi)部晶振要求較高穩(wěn)定性。若不能滿足測(cè)量要求，還可外接更高準(zhǔn)確度的外部基準(zhǔn)源。1）誤差表達(dá)式由頻率測(cè)量表達(dá)式：fx=N/Ts

28、=Nfs，計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻的誤差主要由兩項(xiàng)組成：即量化誤差（1誤差）和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差?？傉`差采用分項(xiàng)誤差絕對(duì)值合成，即:式中， 即為1誤差，其最大值為 ,而 由于fs由晶振(fc)分頻得到，設(shè)fs=fc/k，則于是，頻率測(cè)量的誤差表達(dá)式可寫成：xsxsffNfNfN1N scscffffssxxTNT fT1xcxsxcfffT ff分析：分析：誤差曲線直觀地表示了誤差曲線直觀地表示了測(cè)頻誤差與被測(cè)頻率測(cè)頻誤差與被測(cè)頻率fx和和閘門時(shí)間閘門時(shí)間Ts的關(guān)系的關(guān)系。2）量化誤差的影響從頻率測(cè)量的誤差表達(dá)式：可知，量化誤差為它是頻率測(cè)量的主要誤差（標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差一般可忽略）。為減小量化誤差，需增大計(jì)數(shù)值N

29、： 增大閘門時(shí)間Ts或在相同的閘門時(shí)間內(nèi)測(cè)量較高的頻率可得到較大的N。但需注意：增大閘門時(shí)間將降低測(cè)量速度，并且計(jì)數(shù)值的增加不應(yīng)超過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量，否則將產(chǎn)生溢出（高位無(wú)法顯示）。例如：一個(gè)6位的計(jì)數(shù)器，最大顯示為999999，當(dāng)用Ts=10s的閘門測(cè)量fx=1MHz時(shí),應(yīng)顯示“1000000.0”Hz或1.0000000”MHz ,顯然溢出。1xcxsxcfffT ff xsfTNNN113）實(shí)例分析例 被測(cè)頻率fx1MHz，選擇閘門時(shí)間Ts1s，則由1誤差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差(不考慮標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差)為： 若Ts增加為10s，則計(jì)數(shù)值增加10倍，相應(yīng)的測(cè)頻誤差也降低10倍，為1107，但測(cè)量時(shí)間將

30、延長(zhǎng)10倍。注意：該例中，當(dāng)選擇閘門時(shí)間Ts1s時(shí)，要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差優(yōu)于1107 （即比量化誤差高一個(gè)數(shù)量級(jí)），否則，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差在總測(cè)量誤差中不能忽略。6610110111xxff1）誤差表達(dá)式由測(cè)周的基本表達(dá)式： 根據(jù)誤差合成公式，可得： 式中， 和 分別為量化誤差和時(shí)標(biāo)周期誤差。 由 (Tc為晶振周期，k為倍頻或分頻比)，有： 而計(jì)數(shù)值N為： 故，00TTNNTTxx0 xTN Tccxx ccx ccTfTkkTT fTT ff1NNN00TT0cT kT00ccccTTfTTf0 xxxccTTT fNTkTk2）量化誤差的影響由測(cè)周的誤差表達(dá)式：其中，第一項(xiàng)即為量化誤差。它表示Tx

31、愈大（被測(cè)信號(hào)的頻率愈低），則量化誤差愈小，其意義為Tx愈大則計(jì)入的時(shí)標(biāo)周期數(shù)N愈大。另外，晶振的分頻系數(shù)k愈小，則時(shí)標(biāo)周期愈小，在相同的Tx內(nèi)計(jì)數(shù)值愈大。第二項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差，通常也要求小于測(cè)量誤差的一個(gè)數(shù)量級(jí)，這時(shí)就可作為微小誤差不予考慮。為減小量化誤差，應(yīng)增加計(jì)數(shù)值N，但也需注意不可使其溢出。例如：一個(gè)6位的計(jì)數(shù)器，最大顯示為999999,當(dāng)用T0=1us的時(shí)標(biāo)測(cè)量Tx=10s(fx=0.1Hz)時(shí),應(yīng)顯示“10000000”us或“10.000000”s,顯然溢出。ccxxccxccTfTkkTT fTT ff 3）中界頻率測(cè)頻時(shí)，被測(cè)頻率fx愈低，則量化誤差愈大； 測(cè)周時(shí)，被測(cè)頻率f

32、x愈高，則量化誤差愈大?？梢?jiàn)，在測(cè)頻與測(cè)周之間，存在一個(gè)中界頻率fm，當(dāng)fxfm時(shí)，應(yīng)采用測(cè)頻；當(dāng)fx 措施增大觸發(fā)窗或減小信號(hào)幅度；輸入濾波。 xxT TT sinxmxvVttanxBxvVdvdttannVTtan進(jìn)一步推導(dǎo)觸發(fā)點(diǎn)的斜率，如下：實(shí)際中，對(duì)正弦輸入信號(hào)，常選擇過(guò)零點(diǎn)為觸發(fā)點(diǎn)（具有最陡峭的斜率），則觸發(fā)點(diǎn)電壓VB滿足：于是，有：若考慮在一個(gè)周期開始和結(jié)束時(shí)可能都存在觸發(fā)誤差，分別用 表示，并按隨機(jī)誤差的均方根合成，得到： 結(jié)論：測(cè)周時(shí)為減小觸發(fā)誤差，應(yīng)提高信噪比。22)(12sin12cosmBxmBxmxBxmxvvxVVTVtVTtVdtdvtgBxtan2nxnmVTV

33、TVBmVV12TT、22122xnnmTVTTTV4.6.1 多周期同步測(cè)量技術(shù)1）倒數(shù)計(jì)數(shù)器； 2）多周期同步法4.6.2 模擬內(nèi)插法1）內(nèi)插法原理； 2）時(shí)間擴(kuò)展電路4.6.3 游標(biāo)法4.6.4 平均法1）倒數(shù)計(jì)數(shù)器如前述，對(duì)低頻信號(hào)，為減小量化誤差，宜采用測(cè)周方案。但測(cè)周時(shí)不能直接得到頻率值的顯示結(jié)果，為得到頻率值顯示，硬件上采用了一種特殊設(shè)計(jì)即倒數(shù)計(jì)數(shù)器。原理：首先按測(cè)周模式，設(shè)計(jì)數(shù)值為N，再設(shè)法將1/N予以顯示。思路：設(shè)測(cè)周的時(shí)標(biāo)來(lái)自晶振(Tc)，測(cè)頻的閘門為Ts=10nTc，則測(cè)頻時(shí)計(jì)數(shù)值式中，N為測(cè)周時(shí)的計(jì)數(shù)值。10110nnscfxcTTNTNTNNTxTs=10nTcTcN

34、ffxfc/Nfc表明，實(shí)現(xiàn)：首先對(duì)被測(cè)信號(hào)測(cè)周，得計(jì)數(shù)值N，再在10nTc閘門時(shí)間內(nèi)對(duì) (晶振的N分頻)計(jì)數(shù)，即得計(jì)數(shù)值Nf。原理圖圖中計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2分別工作在測(cè)周和測(cè)頻模式。預(yù)定標(biāo)器(由加法計(jì)數(shù)器構(gòu)成) 起著分頻器作用。主門2的閘門和輸入計(jì)數(shù)脈沖同步。1fNN1ccfNTN觸發(fā)器觸發(fā)器主門主門I I時(shí)鐘時(shí)鐘f fc c計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器 I I定標(biāo)器定標(biāo)器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器I II I主門主門IIII門門IIIIII時(shí)基分頻器時(shí)基分頻器CTxTxcTNT預(yù)置到預(yù)置到10105 5N NcfN10ncT2）多周期同步法多周期同步測(cè)頻 測(cè)頻時(shí)量化誤差是由于閘門與被測(cè)信號(hào)的非同步引起的。為減小量化誤差，

35、必須使閘門時(shí)間等于被測(cè)信號(hào)整周期數(shù)。設(shè)計(jì)原理采用預(yù)置閘門，用fx對(duì)預(yù)置閘門同步，在實(shí)際的同步閘門時(shí)間內(nèi)同時(shí)對(duì)fx計(jì)數(shù)得被測(cè)信號(hào)整周期計(jì)數(shù)得Nx 。為確定同步閘門時(shí)間，用另一計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率f0計(jì)數(shù)得N0。工作波形同步閘門時(shí)間Ts由N0T0確定，則：誤差：Nx無(wú)1誤差，N0存在1誤差，但一般N0較大， 1/N0較小。實(shí)現(xiàn)：基于微處理器，控制預(yù)置閘門（軟件發(fā)出），計(jì)算頻率結(jié)果?？蓪?shí)現(xiàn)不同閘門時(shí)間內(nèi)的等精度測(cè)量。0000 xxxxsNNNffTN TN多周期測(cè)周 基本測(cè)周模式下，閘門時(shí)間由單個(gè)周期確定。在干擾信號(hào)下，被測(cè)信號(hào)周期的觸發(fā)前后存在 的觸發(fā)誤差（轉(zhuǎn)換誤差）。原理：為降低 對(duì)單個(gè)周期測(cè)量的影

36、響，利用 的隨機(jī)性，可由多個(gè)周期構(gòu)成閘門時(shí)間，使相鄰周期的 相互抵消。如下圖。例如：由10個(gè)周期構(gòu)成閘門時(shí)間測(cè)量，觸發(fā)誤差降為1/10同時(shí)，由于計(jì)數(shù)值也增大了10倍，則1誤差也減小為1/10。電子計(jì)數(shù)器面板上的“周期倍乘”可選擇周期數(shù)，通常有：1、 10、 100、 1000等多檔選擇。12TT、12TT、12TT、12TT、10TxT1T210TxTx1Tx10T2TxA1A1VnA2A2A9A9A10A1012xncxxcmcTVfkTmT fVfm 一般時(shí)間間隔測(cè)量的局限性：為減小量化誤差，需減小時(shí)標(biāo)以增大計(jì)數(shù)值，但時(shí)標(biāo)的減小受時(shí)基電路和計(jì)數(shù)器最高工作頻率限制，而計(jì)數(shù)器也有最大計(jì)數(shù)容量的限制（最大計(jì)數(shù)值）。內(nèi)插法對(duì)已存在的量化誤差，測(cè)量出量化單位以下的尾數(shù)(零頭時(shí)間)。則準(zhǔn)確的Tx為：Tx=T0+T1-T2為實(shí)現(xiàn)T1-T2的測(cè)量，有模擬和數(shù)字兩種方法。輸輸 入入 信信 號(hào)號(hào)起起 始始終終 止止時(shí)時(shí) 鐘鐘 脈脈 沖沖xT1T0T2T1）模擬內(nèi)插法原理由于T1和T2均很?。ㄐ∮跁r(shí)標(biāo)），采用普通的“時(shí)