時間與頻率的測量培訓(xùn)課件

第四章時間與頻率的測量4.1 概述4.2 時間與頻率的原始基準(zhǔn)4.3 頻率和時間的測量原理4.4 電子計數(shù)器的組成原理和測量功能4.5 電子計數(shù)器的測量誤差4.6 高分辨時間和頻率測量技術(shù)4.7 微波頻率測量技術(shù)4.8 頻率穩(wěn)定度測量和頻率比對4.9 時頻測量技術(shù)4.1 概述4.1.1時間、頻率的基本概念

1）時間和頻率的定義 2）時頻測量的特點 3）測量方法概述4.1.2電子計數(shù)器概述

1）電子計數(shù)器的分類

2）主要技術(shù)指標(biāo) 3）電子計數(shù)器的發(fā)展4.1.1時間、頻率的基本概念

1）時間和頻率的定義◆時間有兩個含義：

“時刻”：即某個事件何時發(fā)生；

“時間間隔”：即某個時間相對于某一時刻持續(xù)了多久?！纛l率的定義：周期信號在單位時間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時間間隔T內(nèi)周期信號重復(fù)變化了N次，則頻率可表達為：f＝N/T◆時間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換。2)時頻測量的特點◆最常見和最重要的測量 時間是7個基本國際單位之一，時間、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、醫(yī)療、工業(yè)自動化等民用和軍事方面都存在時頻測量。◆測量準(zhǔn)確度高 時間頻率基準(zhǔn)具有最高準(zhǔn)確度（可達10-14），校準(zhǔn)（比對）方便，因而數(shù)字化時頻測量可達到很高的準(zhǔn)確度。因此，許多物理量的測量都轉(zhuǎn)換為時頻測量?！糇詣踊潭雀摺魷y量速度快3）測量方法概述◆頻率的測量方法可以分為：差頻法拍頻法示波法電橋法諧振法比較法直讀法李沙育圖形法測周期法模擬法頻率測量方法數(shù)字法電容充放電法電子計數(shù)器法各種測量方法有著不同的實現(xiàn)原理，其復(fù)雜程度不同。各種測量方法有著不同的測量準(zhǔn)確度和適用的頻率范圍。數(shù)字化電子計數(shù)器法是時間、頻率測量的主要方法，是本章的重點。4.1.2電子計數(shù)器概述1）電子計數(shù)器的分類◆按功能可以分為如下四類：（1）通用計數(shù)器：可測量頻率、頻率比、周期、時間間隔、累加計數(shù)等。其測量功能可擴展。（2）頻率計數(shù)器：其功能限于測頻和計數(shù)。但測頻范圍往往很寬。（3）時間計數(shù)器：以時間測量為基礎(chǔ)，可測量周期、脈沖參數(shù)等，其測時分辨力和準(zhǔn)確度很高。（4）特種計數(shù)器:具有特殊功能的計數(shù)器。包括可逆計數(shù)器、序列計數(shù)器、預(yù)置計數(shù)器等。用于工業(yè)測控。1）電子計數(shù)器的分類按用途可分為：

測量用計數(shù)器和控制用計數(shù)器。按測量范圍可分為： （1）低速計數(shù)器（低于10MHz） （2）中速計數(shù)器（10~100MHz） （3）高速計數(shù)器（高于100MHz） （4）微波計數(shù)器（1~80GHz）

2）主要技術(shù)指標(biāo)（1）測量范圍：毫赫~幾十GHz。（2）準(zhǔn)確度：可達10-9以上。（3）晶振頻率及穩(wěn)定度：晶體振蕩器是電子計數(shù)器的內(nèi)部基準(zhǔn)，一般要求高于所要求的測量準(zhǔn)確度的一個數(shù)量級（10倍）。輸出頻率為1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振穩(wěn)定度為10-5，恒溫晶振達10-7~10-9。（4）輸入特性：包括耦合方式（DC、AC）、觸發(fā)電平（可調(diào)）、靈敏度（10~100mV）、輸入阻抗（50Ω低阻和1MΩ//25pF高阻）等。（5）閘門時間(測頻)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。（6）時標(biāo)(測周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。（7）顯示：包括顯示位數(shù)及顯示方式等。3）電子計數(shù)器的發(fā)展◆測量方法的不斷發(fā)展：模擬數(shù)字技術(shù)智能化?！魷y量準(zhǔn)確度和頻率上限是電子計數(shù)器的兩個重要指標(biāo)，電子計數(shù)器的發(fā)展體現(xiàn)了這兩個指標(biāo)的不斷提高及功能的擴展和完善?！衾樱骸裢ǖ溃簝蓚€225MHz通道，也可 選擇第三個12.4GHz通道。●每秒12位的頻率分辨率、150ps的時間間隔分辨率?！駵y量功能：包括頻率、頻率比、時間間隔、上升時間、下降時間、相位、占空比、正脈沖寬度、負脈沖寬度、總和、峰電壓、時間間隔平均和時間間隔延遲。●處理功能：平均值、最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。4.2時間間與頻率標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)4.2.1時時間與頻率率的原始標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)1）天文時標(biāo)標(biāo)2）原子時標(biāo)標(biāo)4.2.2石石英晶體振振蕩器1）組成2）指標(biāo)4.2.1時時間與頻率率的原始標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)1）天文時標(biāo)標(biāo)◆原始標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具具有恒定不變性?！纛l率和時間互互為倒數(shù)，其其標(biāo)準(zhǔn)具有一一致性?！艉暧^標(biāo)準(zhǔn)和和微觀標(biāo)準(zhǔn)宏觀標(biāo)準(zhǔn)：基基于天文觀測測；微觀標(biāo)準(zhǔn)：基基于量子電子子學(xué)，更穩(wěn)定定更準(zhǔn)確?！羰澜鐣r（UT,UniversalTime）:以地球自轉(zhuǎn)周期期(1天)確定定的時間，即即1/(24×60×60)=1/86400為1秒。其其誤差約為10－7量級。1）天文時標(biāo)標(biāo)◆為世界時確定定時間觀測的的參考點，得到平太陽時：由于地球自自轉(zhuǎn)周期存在在不均勻性，，以假想的平太陽作為基本參考考點。零類世界時（（UT0）：以平太陽的的子夜0時為為參考。第一類世界時時（UT1）：對地球自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的極移效應(yīng)應(yīng)（自轉(zhuǎn)軸微微小位移）作作修正得到。。第二類世界時時（UT2）：對地球自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的季節(jié)性變變化（影響自自轉(zhuǎn)速率）作作修正得到。。準(zhǔn)確度為3×10－8。歷書時（ET）：以地球繞太陽陽公轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，即公轉(zhuǎn)周期期（1年）的的31556925.9747分之一為1秒。參考點點為1900年1月1日日0時（國際際天文學(xué)會定定義）。準(zhǔn)確確度達1×10－9。于1960年年第11屆國國際計量大會會接受為“秒秒”的標(biāo)準(zhǔn)。。2）原子時標(biāo)標(biāo)◆基于天文觀測測的宏觀標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)用于測試計計量中的不足足設(shè)備龐大、操操作麻煩；觀測時間長；；準(zhǔn)確度有限。?！粼訒r標(biāo)（AT）的量子電子學(xué)學(xué)基礎(chǔ)原子（分子））在能級躍遷遷中將吸收(低能級到高高能級)或輻輻射（高能級級到低能級））電磁波，其其頻率是恒定定的。hfn-m=En-Em式中，h=6.6252×10-27為普朗克常數(shù)數(shù)，En、Em為受激態(tài)的兩兩個能級，fn-m為吸收或輻射射的電磁波頻頻率。2）原子時標(biāo)標(biāo)原子時標(biāo)的定定義1967年10月，第13屆國際計計量大會正式式通過了秒的的新定義：“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個超超精細結(jié)構(gòu)能能級之間躍遷遷頻率相應(yīng)的的射線束持續(xù)續(xù)9,192,631,770個周周期的時間””。1972年起起實行，為全全世界所接受受。秒的定義義由天文實物物標(biāo)準(zhǔn)過渡到到原子自然標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度度提高了4~5個量級，，達5×10-14(相當(dāng)于62萬年±1秒秒)，并仍在提高高。2）原子時標(biāo)標(biāo)原子鐘原子時標(biāo)的實實物儀器，可可用于時間、、頻率標(biāo)準(zhǔn)的的發(fā)布和比對對。銫原子鐘準(zhǔn)確度：10-13~10-14。大銫鐘，專用用實驗室高穩(wěn)穩(wěn)定度頻率基基準(zhǔn)；小銫鐘鐘，頻率工作作基準(zhǔn)。銣原子鐘準(zhǔn)確度：10-11，體積小、重重量輕，便于于攜帶，可作作為工作基準(zhǔn)準(zhǔn)。氫原子鐘短期穩(wěn)定度高高：10-14~10-15，但準(zhǔn)確度較較低（10-12）。4.2.2石石英晶體振振蕩器電子計數(shù)器內(nèi)部時間、頻頻率基準(zhǔn)采用石英晶體振蕩蕩器（簡稱““晶振”）為基準(zhǔn)信號源源?；趬弘娦?yīng)應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的的頻率輸出。。但是晶振頻頻率易受溫度影響響（其頻率-溫溫度特性曲線線有拐點，在在拐點處最平平坦），普通通晶體頻率準(zhǔn)準(zhǔn)確度為10-5。采用溫度補償償或恒溫措施施（恒定在拐點點處的溫度））可得到高穩(wěn)穩(wěn)定、高準(zhǔn)確確的頻率輸出出。下圖為恒溫晶晶振的組成。。1）組成2）指標(biāo)◆晶體振蕩器器的主要指標(biāo)標(biāo)有:輸出頻率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。日波動:2××10-10；日老化:1×10-10；秒穩(wěn):5××10-12。輸出波形:正正弦波；輸出出幅度:0.5Vrms(負載50Ω)?！魩追N不同類類型的晶體振振蕩器指標(biāo)晶振類型輸出頻率(MHz)日穩(wěn)定度準(zhǔn)確度普通1，1010-5~10-610-5溫度補償1，5，1010-6~10-710-6單恒溫槽1，2.5，5，1010-7~10-910-6~10-8雙恒溫槽2.5，5，1010-9~10-11優(yōu)于10-84.3時間間和頻率的測測量原理4.3.1模模擬測量原原理1）直接法2）比較法4.3.2數(shù)數(shù)字測量原原理1）門控計數(shù)數(shù)法測量原理理2）通用計數(shù)數(shù)器的基本組組成4.3.1模模擬測量原原理1）直接法直接法是利用用電路的某種種頻率響應(yīng)特特性來測量頻頻率值，其又又可細分為諧振法和電橋橋法兩種。（1）諧振法：調(diào)節(jié)可變電容容器C使回路路發(fā)生諧振，此時回路電電流達到最大大(高頻電壓壓表指示)，，則可測量1500MHz以下的頻率，準(zhǔn)確確度±(0.25～1)%。(2）電橋法：利用電橋的平平衡條件和頻頻率有關(guān)的特特性來進行頻頻率測量,通通常采用如下下圖所示的文氏電橋來進行測量。。調(diào)節(jié)R1、R2使電橋達到平平衡，則有令平衡條件表表達式兩端實實虛部分別相相等，得到：：和于是，被測信信號頻率為：：通常取R1=R2=R,C1=C2=C，則測量準(zhǔn)確度：受橋路中各元元件的精確度度、判斷電橋橋平衡的準(zhǔn)確確程度（取決決于橋路諧振振特性的尖銳銳度即指示器器的靈敏度））和被測信號號的頻譜純度度的限制，準(zhǔn)準(zhǔn)確度不高，，一般約為±(0.5～～1)%。2）比較法◆基本原理利用標(biāo)準(zhǔn)頻率fs和被測量頻率率fx進行比較來測量頻率。。有拍頻法、外差差法、示波法法以及計數(shù)法法等。數(shù)學(xué)模型為：：◆拍頻法：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與與被測頻率疊加，由指示器（（耳機或電壓壓表）指示。。適于音頻測量（很少用）。。◆外差法：將標(biāo)準(zhǔn)頻率與與被測頻率混頻，取出差頻并并測量?？蓽y測量范圍達幾十MHz（外差式頻率率計）?！羰静ǚǎ豪钌秤龍D形法法：將fx和fs分別接到示波波器Y軸和X軸（X-Y圖示方式）），當(dāng)fx＝fs時顯示為斜線線（橢圓或園園）；測周期法：直接根據(jù)顯顯示波形由X通道掃描速率得到周期，進進而得到頻率率。4.3.2數(shù)數(shù)字測量原原理1）門控計數(shù)數(shù)法測量原理理◆時間、頻率率量的特點頻率是在時間軸上上無限延伸的的，因此，對頻頻率量的測量量需確定一個個取樣時間T，在該時間內(nèi)內(nèi)對被測信號號的周期累加加計數(shù)(若計數(shù)值為N)，根據(jù)fx=N/T得到頻率值。。為實現(xiàn)時間（這里指時間間間隔）的數(shù)數(shù)字化測量，，需將被測時時間按盡可能能小的時間單位（稱稱為時標(biāo)）進行量化，通通過累計被測時間間內(nèi)所包含的的時間單位數(shù)數(shù)（計數(shù)）得到?！魷y量原理將需累加計數(shù)數(shù)的信號（頻頻率測量時為為被測信號，，時間測量時時為時標(biāo)信號號），由一個個“閘門”（主主門）控制，并由一一個“門控”信號控制閘門門的開啟（計計數(shù)允許）與與關(guān)閉（計數(shù)數(shù)停止）。4.3.2數(shù)數(shù)字測量原原理閘門可由一個與（或““或”）邏輯輯門電路實現(xiàn)現(xiàn)。這種測量方方法稱為門控計數(shù)法。其原理如下下圖所示。上圖為由“與與”邏輯門作作為閘門，其其門控信號為為‘1’時閘閘門開啟（允允許計數(shù)），，為‘0’時時閘門關(guān)閉（（停止計數(shù)））?！魷y頻時，閘門門開啟時間（（稱為“閘門時間””）即為采樣時時間。測時間（間隔隔）時，閘門門開啟時間即即為被測時間。2）通用計數(shù)數(shù)器的基本組組成通用電子計數(shù)數(shù)器的組成框框圖如下圖所所示：2）通用計數(shù)數(shù)器的基本組組成通用計數(shù)器包包括如下幾個個部分輸入通道：通常有A、、B、C多個個通道，以實實現(xiàn)不同的測測量功能。輸輸入通道電路路對輸入信號號進行放大、整形等等（但保持頻率率不變），得得到適合計數(shù)數(shù)的脈沖信號號。通過預(yù)定標(biāo)器還可擴展頻率測量量范圍。主門電路：完成計數(shù)的的閘門控制作用。計數(shù)與顯示電電路：計數(shù)電路是是通用計數(shù)器器的核心電路，完成脈沖計計數(shù)；顯示電電路將計數(shù)結(jié)結(jié)果（反映測測量結(jié)果）以以數(shù)字方式顯顯示出來。時基產(chǎn)生電路路：產(chǎn)生機內(nèi)時間、頻頻率測量的基基準(zhǔn)，即時間測量量的時標(biāo)和頻頻率測量的閘閘門信號?？刂齐娐罚嚎刂茀f(xié)調(diào)整機機工作，即準(zhǔn)備測量顯示示。4.4電子子計數(shù)器的組組成原理和測測量功能4.4.1電電子計數(shù)器器的組成1）A、B輸輸入通道2）主門電路路3）計數(shù)與顯顯示電路4）時基產(chǎn)生生電路5）控制電路路4.4.2電電子計數(shù)器器的測量功能能1）頻率測量量2）頻率比測測量3）周期測量量4）時間間隔隔測量5）自檢4.4.1電電子計數(shù)器器的組成組成原理框圖圖數(shù)字顯示器寄存器十進制計數(shù)器

A通道(放大、整形)B通道(放大、整形)主門功能開關(guān)閘門選擇、周期倍乘÷10÷10÷10÷1010s(×104)1s(×103)100ms(×102)10ms(×10)1ms(×1)

時標(biāo)選擇12345332112445時基部分×10×10÷10÷10÷101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制時序電路開門鎖存復(fù)位控制時序電路波形1）A、B輸輸入通道◆作用：它們主要由放放大/衰減、、濾波、整形形、觸發(fā)（包包括出發(fā)電平平調(diào)節(jié)）等單單元電路構(gòu)成成。其作用是是對輸入信號處處理以產(chǎn)生符符合計數(shù)要求求（波形、幅幅度）的脈沖沖信號。通過預(yù)定標(biāo)器（外插件）還還可擴展頻率測量量范圍?！羲顾姑苊芴靥赜|觸發(fā)發(fā)電電路路：：利用用斯密密特特觸觸發(fā)發(fā)器器的回差差特特性性，對對輸輸入入信信號號具具有有較較好好的的抗抗干干擾擾作作用用。。1））A、、B輸輸入入通通道道通道道組組合合可可完完成成不不同同的的測測量量功功能能：：被計計數(shù)數(shù)的的信信號號（（常常從從A通通道道輸輸入入））稱稱為為計數(shù)數(shù)端端；控控制制閘閘門門開開啟啟的的信信號號通通道道（（常常從從B、、C通通道道輸輸入入））稱稱為為控制制端端。從計計數(shù)數(shù)端端輸輸入入的的信信號號有有：：被被測測信信號號(fx);內(nèi)內(nèi)部部時時標(biāo)標(biāo)信信號號等等;從控控制制端端輸輸入入的的信信號號有有：：閘閘門門信信號號；；被被測測信信號號(Tx)等等；；序號計數(shù)端信號控制端信號測試功能計數(shù)結(jié)果1內(nèi)時鐘（T0）內(nèi)時鐘（T）自檢N=T/T02被測信號（fx）內(nèi)時鐘（T）測量頻率（A）fx＝N/T3內(nèi)時鐘（T0）被測周期（Tx）測量周期（B）Tx＝NT04被測信號（fA）被測信號（fB）測量頻率比（A/B）fA/fB=N5內(nèi)時鐘（T0）被測信號相應(yīng)間隔tB-C測量時間間隔（A-B）tB-C=NT06外輸入（TA）被測信號相應(yīng)間隔tB-C測量外控時間間隔B-CtB-C=NTA7外待測信號（Nx）手控或遙控累加計數(shù)（A）Nx＝N8內(nèi)時鐘（秒信號）手控或遙控計時N（秒）2））主主門門電電路路◆功能能：：主門門也稱稱為為閘門門，通通過過““門門控控信信號號””控控制制進進入入計計數(shù)數(shù)器器的的脈脈沖沖，，使使計計數(shù)數(shù)器器只只對對預(yù)預(yù)定定的的““閘閘門門時時間間””之之內(nèi)內(nèi)的的脈脈沖沖計計數(shù)數(shù)。?！綦娐仿罚海河伞啊芭c與門門””或或““或或門門””構(gòu)構(gòu)成成。。其其原原理理如如下下圖圖：：◆由“與與門門””構(gòu)構(gòu)成成的的主主門門，，其其““門門控控信信號號””為為‘‘1’’時時，，允允許許計計數(shù)數(shù)脈脈沖沖通通過過；；由“或或門門””構(gòu)構(gòu)成成的的主主門門，，其其““門門控控信信號號””為為‘‘0’’時時，，允允許許計計數(shù)數(shù)脈脈沖沖通通過過。?！簟伴T門控控信信號號””還還可可手動動操操作作得到到，，如如實實現(xiàn)現(xiàn)手手動動累累加加計計數(shù)數(shù)。。3））計計數(shù)數(shù)與與顯顯示示電電路路◆功功能能：：計數(shù)數(shù)電電路路對通通過過主主門門的的脈脈沖沖進進行行計計數(shù)數(shù)（（計計數(shù)數(shù)值值代代表表了了被被測測頻頻率率或或時時間間）），，并并通通過過數(shù)碼碼顯顯示示器器將測量量結(jié)結(jié)果果直直觀觀地地顯顯示示出出來來。。為了了便便于于觀觀察察和和讀讀數(shù)數(shù)，，通通常常使使用用十進進制制計計數(shù)數(shù)電電路路。◆計計數(shù)數(shù)電電路路的的重重要要指指標(biāo)標(biāo)：：最高高計計數(shù)數(shù)頻頻率率。計數(shù)數(shù)電電路路一一般般由由多多級級雙雙穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)電電路路構(gòu)構(gòu)成成，，受受內(nèi)內(nèi)部部狀狀態(tài)態(tài)翻翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的的時時間間限限制制，，使使計計數(shù)數(shù)電電路路存存在在最高高計計數(shù)數(shù)頻頻率率的的限限制制。而而且且對對多多位位計計數(shù)數(shù)器器，，最最高高計計數(shù)數(shù)頻頻率率主主要要由由個位計數(shù)數(shù)器決定?！舨煌婋娐肪哂杏胁煌牡墓ぷ魉偎俣龋喝?4LS（74HC）系列列為30~40MHz；74S系列為為100MHz；CMOS電路路約5MHz；ECL電路可可達600MHz。3）計數(shù)數(shù)與顯示示電路類型：單單片集成成與可編編程計數(shù)數(shù)器單片集成成的中小小規(guī)模IC如：：74LS90（MC11C90））十進制制計數(shù)器器；74LS390、、CD4018(MC14018)為雙十十進制計計數(shù)器。?？删幊逃嬘嫈?shù)器IC如：：Intel8253/8254等等。顯示器LED、、LCD、熒熒光（VFD））等。顯示電路路：包括鎖存存、譯碼碼、驅(qū)動動電路。。如74LS47、CD4511等。。專用計數(shù)數(shù)與顯示示單元電電路：如ICM7216D。4）時基基產(chǎn)生電電路◆功能：：產(chǎn)生測頻頻時的““門控信信號”（（多檔閘閘門時間間可選））及時間間測量時時的“時時標(biāo)”信信號（多多檔可選選）。◆實現(xiàn)：：由內(nèi)部晶體振蕩蕩器（也可外外接），，通過倍頻或分分頻得到。再再通過門控控雙穩(wěn)態(tài)態(tài)觸發(fā)器器得到““門控信信號”。如，若fc=1MHz,經(jīng)106分頻后，，可得到到fs=1Hz(周期Ts=1s)的時基信信號，經(jīng)經(jīng)過門控雙穩(wěn)穩(wěn)態(tài)電路路得到寬度為為Ts=1s的的門控信號號。4）時基基產(chǎn)生電電路◆要求：：標(biāo)準(zhǔn)性：“門門控信號號”和““時標(biāo)””作為計計數(shù)器頻頻率和時時間測量量的本地地工作基基準(zhǔn)，應(yīng)應(yīng)當(dāng)具有有高穩(wěn)定定度和高高準(zhǔn)確度度。多值性：為了適適應(yīng)計數(shù)數(shù)器較寬寬的測量量范圍，，要求““閘門時時間”和和“時標(biāo)標(biāo)”可多多檔選擇擇。常用“閘閘門時間間”有：：1ms、、10ms、100ms、1s、10s。。常用的““時標(biāo)””有：10ns、100ns、1us、10us、100us、1ms。5）控制制電路◆功能：：產(chǎn)生各種種控制信信號，控控制、協(xié)協(xié)調(diào)各電電路單元元的工作作，使整整機按“復(fù)零－－測量－－顯示””的工作程程序完成成自動測測量的任任務(wù)。如如下圖所所示：準(zhǔn)備期（復(fù)零，等待）

測量期（開門，計數(shù)）

顯示期（關(guān)門，停止計數(shù)）4.4.2電電子計數(shù)數(shù)器的測測量功能能1）頻率率測量◆原理：：計數(shù)器器嚴格按按照的的定定義實現(xiàn)現(xiàn)頻率測測量。根據(jù)上式式的頻率率定義，，T為采采樣時間間，N為為T內(nèi)的的周期數(shù)數(shù)。采樣樣時間T預(yù)先由由閘門時時間Ts確定（（時基頻頻率為fs）。。則或該式表明明，在數(shù)數(shù)字化頻頻率測量量中，可可用計數(shù)值值N表示示fx。它體現(xiàn)現(xiàn)了數(shù)字字化頻率率測量的的比較法測測量原理理?！衾纾海洪l門時間間Ts=1s，，若計數(shù)數(shù)值N=10000，，則顯示示的fx為“10000”Hz，或或“10.000”kHz。如閘門門時間Ts=0.1s，則計計數(shù)值N=1000，，則顯示示的fx為“10.00””kHz。請注意：：顯示結(jié)果果的有效效數(shù)字末末位的意義，，它表示了頻頻率測量量的分辨辨力（應(yīng)應(yīng)等于時時基頻率率fs））。1）頻率率測量原理框圖圖和工作作波形圖圖（fx由A通通道輸入入，內(nèi)部部時基））為便于測測量和顯顯示，計計數(shù)器通通常為十進制計計數(shù)器，多檔閘門時間間設(shè)定為為10的的冪次方方，這樣可可直接顯顯示計數(shù)數(shù)結(jié)果，，并通過過移動小小數(shù)點和和單位的的配合，，就可得得到被測測頻率。。測量速度度與分辨辨力：閘門時時間Ts為頻率率測量的的采樣時時間，Ts愈大大，則測測量時間間愈長，，但計數(shù)數(shù)值N愈愈大，分分辨力愈愈高。TB放大、整形閘門門控電路計數(shù)顯示Afx分頻電路時基Ts4.4.2電電子計數(shù)數(shù)器的測測量功能能2）頻率率比的測測量◆原理：：實際上上，前述述頻率測測量的比比較測量量原理就就是一種種頻率比比的測量量：fx對fs的頻頻率比。據(jù)此，若若要測量量fA對fB的頻率比比（假設(shè)設(shè)fA>fB），只要要用fB的周期TB作為閘門門，在TB時間內(nèi)對對fA作周期計計數(shù)即可可?！舴椒ǎ海篺A對fB分別由A、B兩兩通道輸輸入，如如下圖。?！糇⒁猓侯l率較高高者由A通道輸輸入，頻頻率較低低者由B通道輸輸入?！籼岣哳l率率比的測測量精度度：擴展B通通道信號號的周期期個數(shù)。例如：以以B通道道信號的的10個個周期作作為閘門門信號，，則計數(shù)數(shù)值為：：,即即計數(shù)值值擴大了了10倍倍，相應(yīng)應(yīng)的測量量精度也也就提高高了10倍。為為得到真真實結(jié)果果，需將將計數(shù)值值N縮小小10倍倍（小數(shù)數(shù)點左移移1位）），即◆應(yīng)用：可方便地地測得電電路的分分頻或倍倍頻系數(shù)數(shù)。2）頻率率比的測測量3）周期期的測量量◆原理：：“時標(biāo)計計數(shù)法””周期測量量。對被測周周期Tx，用已已知的較較小單位位時間刻刻度T0（“時標(biāo)標(biāo)”）去去量化，，由Tx所包含含的“時時標(biāo)”數(shù)數(shù)N即可可得到Tx。即即該式表明明，“時標(biāo)””的計數(shù)數(shù)值N可可表示周周期Tx。也體現(xiàn)現(xiàn)了時間間間隔（（周期））的比較測量量原理?！魧崿F(xiàn)：：由Tx得到到閘門；在Tx內(nèi)計數(shù)數(shù)器對時時標(biāo)計數(shù)數(shù)?！猅x由B通通道輸入入，內(nèi)部部時標(biāo)信信號由A通道輸輸入（A通道外外部輸入入斷開））。4.4.2電電子計數(shù)數(shù)器的測測量功能能◆原理框框圖：◆例如：：時標(biāo)T0=1us，若計計數(shù)值N=10000，則顯顯示的Tx為““10000””us，，或“10.000”ms。如時標(biāo)標(biāo)T0=10us，則則計數(shù)值值N=1000，顯示示的Tx為“10.00””ms。請注意：：顯示結(jié)果果的有效效數(shù)字末末位的意義，，它表示了周周期測量量的分辨辨力（應(yīng)應(yīng)等于時時標(biāo)T0）。為便于于顯示，，多檔時標(biāo)設(shè)定定為10的冪次次方?！魷y量速度度與分辨辨力：一次測量量時間即即為一個個周期Tx，Tx愈大大(頻率率愈低)則測量量時間愈愈長；計計數(shù)值N與時標(biāo)標(biāo)有關(guān)，，時標(biāo)愈愈小分辨辨力愈高高。3）周期期的測量量4）時間間間隔的的測量◆時間間隔隔：指兩個時刻刻點之間的時時間段。。在測量技技術(shù)中，，兩個時時刻點通通常由兩個事件件確定。如如，一個個周期信號號的兩個個同相位位點（如過零零點）所所確定的的時間間間隔即為為周期。?！魞蓚€事件件的例子及及測量參數(shù)數(shù)還有：同一信號號波形上上兩個不不同點之之間脈沖信信號參數(shù)數(shù)；兩個信號號波形上上，兩點點之間相位差差的測量量；手動觸發(fā)發(fā)定時、、累加計計數(shù)?！魷y量方法法：由兩個事件件觸發(fā)得到到起始信號號和終止止信號，經(jīng)過門門控雙穩(wěn)穩(wěn)態(tài)電路路得到“門控信信號”，門控時時間即為為被測的的時間間間隔。在在門控時時間內(nèi)，，仍采用“時標(biāo)計計數(shù)”方法測量（即即所測時時間間隔隔由“時時標(biāo)”量量化）。。4.4.2電電子計數(shù)數(shù)器的測測量功能能4）時間間間隔的的測量原理框圖圖欲測量時時間間隔隔的起始始、終止止信號分分別由B、C通通道輸入。時時標(biāo)由機機內(nèi)提供供。如下下圖?！粲|發(fā)極性性選擇和觸發(fā)電平平調(diào)節(jié)：為增加加測量的的靈活性性，B、、C輸入入通道都都設(shè)置有有觸發(fā)極極性(+、-)和觸發(fā)發(fā)電平調(diào)調(diào)節(jié)，以以完成各各種時間間間隔的的測量。。如下圖圖的脈沖沖參數(shù)測測量。VBVc起始停止開門時間C＋(50%)B＋(50%)起始停止開門時間VBVcB＋(50%)C-(50%)(50%)－B+(50%)

C+(50%)

－(50%)

C＋(90%)閘門信號關(guān)門信號開門信號B＋(10%)4）時間間間隔的的測量4）時間間間隔的的測量相位差的的測量利用時間間間隔的的測量，，可以測測量兩個個同頻率率的信號號之間的的相位差差。兩個信號號分別由由B、C通道輸輸入，并并選擇相相同的觸觸發(fā)極性性和觸發(fā)發(fā)電平。。測量原理理如下圖圖：為減小測測量誤差差，分別別取+、-觸觸發(fā)極性性作兩次次測量，，得到t1、t2再取平均均，則4.4.2電電子計數(shù)數(shù)器的測測量功能能5）自檢檢（自校校）◆功能：：檢驗儀器器內(nèi)部電電路及邏邏輯關(guān)系系是否正正常。◆實現(xiàn)方方法：為判斷自自檢結(jié)果果是否正正確，該該結(jié)果應(yīng)應(yīng)該在自自檢實施施前即是是已知的的。為此此，用機內(nèi)的的時基Ts（閘閘門信號號）對時時標(biāo)T0計數(shù)，則計數(shù)數(shù)結(jié)果應(yīng)應(yīng)為：◆自檢的的方框圖圖：◆例如：：若選擇Ts=10ms,T0=1us,則自自檢顯示示應(yīng)穩(wěn)定在N=10000?！糇詸z不能檢測測內(nèi)部基基準(zhǔn)源。放大、整形晶振放大、整形閘門計數(shù)器顯示門控電路分頻電路T0Tx4.5電電子計計數(shù)器的的測量誤誤差4.5.1測測量誤差差的來源源1）量化化誤差；；2）觸發(fā)發(fā)誤差；；3）標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)頻率率誤差4.5.2頻頻率測量量的誤差差分析1）誤差差表達式式；2））量化誤誤差的影影響；3）實例例分析4.5.3周周期測量量的誤差差分析1）誤差差表達式式；2）量化化誤差的的影響；；3）中界界頻率；；4）觸發(fā)發(fā)誤差4.5.1測測量誤差差的來源源1）量化化誤差◆什么是是量化誤誤差：由前述頻頻率測量量fx=N/Ts=Nfs和周期測測量Tx=NT0，可見，，由于計數(shù)數(shù)值N為為整數(shù)，fx和和Tx必必然產(chǎn)生生“截斷誤誤差”，該誤差差即為“量化誤誤差”。也稱為為“±1誤誤差”，它是所所有數(shù)字字化儀器器都存在在的誤差差?！舢a(chǎn)生原原因：量化誤差差并非由由于計數(shù)數(shù)值N的的不準(zhǔn)確確（也并并非標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)頻率源源fs或或時標(biāo)T0的不準(zhǔn)確確）造成成。而是是由于閘門開啟啟和關(guān)閉閉的時間間與被測測信號不不同步引引起（亦即開開門和關(guān)關(guān)門時刻刻與被測測信號出出現(xiàn)的時時刻是隨隨機的）），使得得在閘門門開始和和結(jié)束時時刻有一一部分時間零頭頭沒有被計計算在內(nèi)內(nèi)而造成成的測量量誤差。?！粝聢D為頻頻率測量量時量化化誤差的的示意圖。。1）量化化誤差如圖，，對同同一被被測信信號，，在相相同的的閘門門時間間內(nèi)，，計數(shù)數(shù)結(jié)果果不同同。根根據(jù)頻頻率定定義，，準(zhǔn)確確的fx應(yīng)應(yīng)為式中，，即，或或因此，，量化化誤差差的影影響相相當(dāng)于于計數(shù)數(shù)值N的““±””個字字?！羰请S機機的，，它們們服從均均勻分分布，，其差差值則服從從三角角分布布。4.5.1測測量誤誤差的的來源源2）觸觸發(fā)誤誤差◆什么么是觸發(fā)誤誤差：輸入信信號都都需經(jīng)經(jīng)過通通道電電路放放大、、整形形等，，得到到脈沖沖信號號，即即輸入信信號(轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為為)脈脈沖信信號。這種轉(zhuǎn)換要要求只只對信信號幅幅值和和波形形變換換，不不能改改變其其頻率率。但是是，若若輸入入被測測信號號疊加有有干擾擾信號號，則信信號的的頻率率（周周期））及相相對閘閘門信信號的的觸發(fā)發(fā)點就就可能能變化化。由由此產(chǎn)產(chǎn)生的的測量量誤差差稱為為“觸發(fā)發(fā)誤差差”，也稱稱為“轉(zhuǎn)換換誤差差”?！羧鐖D。。周期期為Tx的輸入信號號，觸觸發(fā)電電平在在A1點，但但在A1’點上上有干擾信信號(幅度度Vn)。提前觸觸發(fā),周期期TxTx’。4.5.1測測量誤誤差的的來源源3）標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)頻頻率誤誤差機內(nèi)時時基（（閘門門時間間）和和時標(biāo)標(biāo)是頻頻率和和時間間間隔隔測量量的參參考基基準(zhǔn)，，它們們由內(nèi)內(nèi)部晶晶體振振蕩器器（標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)頻頻率源源）分分頻或或倍頻頻后產(chǎn)產(chǎn)生。。因此此，其其準(zhǔn)確度度和測測量時時間之之內(nèi)的的短期期穩(wěn)定定度將直接接影響響測量量結(jié)果果。通常，，要求求標(biāo)準(zhǔn)頻頻率誤誤差小小于測測量誤誤差的的一個個數(shù)量量級。因此，，內(nèi)部部晶振振要求求較高高穩(wěn)定定性。。若不能能滿足足測量量要求求，還還可外外接更更高準(zhǔn)準(zhǔn)確度度的外部基基準(zhǔn)源源。4.5.2頻頻率測測量的的誤差差分析析1）誤誤差表表達式式◆由頻率率測量量表達達式：：fx=N/Ts=Nfs，，計數(shù)數(shù)器直直接測測頻的的誤差差主要要由兩兩項組組成：：即量量化誤誤差（（±1誤差差）和和標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)頻率率誤差差?？偪傉`差差采用用分項項誤差差絕對對值合合成，，即:式中，，即為±±1誤誤差，，其最最大值值為,而而由于fs由由晶振振(fc)分頻頻得到到，設(shè)設(shè)fs=fc/k，，則于是，，頻率率測量量的誤誤差表表達式式可寫寫成：：1）誤誤差表表達式式誤差曲曲線分析：：誤差曲曲線直直觀地地表示示了測頻誤誤差與與被測測頻率率fx和閘閘門時時間Ts的的關(guān)系系。fx愈大大則誤誤差愈愈小，，閘門門時間間愈大大誤差差也愈愈小，，并且且，測測頻誤誤差以以標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)頻率率誤差差為極極限。。4.5.2頻頻率測測量的的誤差差分析析2）量量化誤誤差的的影響響◆從頻率率測量量的誤誤差表表達式式：可知，，量化化誤差差為它是頻頻率測測量的的主要要誤差差（標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)頻頻率誤誤差一一般可可忽略略）。。為減小小量化化誤差差，需需增大大計數(shù)數(shù)值N：增大閘閘門時時間Ts或在相相同的的閘門門時間間內(nèi)測測量較高的的頻率率可得到到較大大的N?！舻栊枳⒁庖猓涸龃箝l閘門時時間將將降低低測量速速度，并且且計數(shù)數(shù)值的的增加加不應(yīng)應(yīng)超過過計數(shù)數(shù)器的的計數(shù)容容量，否則則將產(chǎn)產(chǎn)生溢溢出（（高位位無法法顯示示）。。例如：：一個6位的的計數(shù)數(shù)器，，最大大顯示示為999999，，當(dāng)用用Ts=10s的閘閘門測測量fx=1MHz時,應(yīng)顯顯示““1000000.0””Hz或1.0000000”MHz,顯然然溢出出。4.5.2頻頻率測測量的的誤差差分析析3）實實例分分析[例]被被測頻頻率fx＝1MHz，選選擇閘閘門時時間Ts＝1s，則則由±±1誤誤差產(chǎn)產(chǎn)生的的測頻頻誤差差(不不考慮慮標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)頻率率誤差差)為為：若Ts增加為為10s，，則計計數(shù)值值增加加10倍，，相應(yīng)應(yīng)的測測頻誤誤差也也降低低10倍，，為±±1××10－7，但測測量時時間將將延長長10倍。。注意：：該例例中，，當(dāng)選選擇閘閘門時時間Ts＝1s時，，要求求標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)頻率率誤差差優(yōu)于于±1×10－7（即比比量化化誤差差高一一個數(shù)數(shù)量級級），，否則則，標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)頻頻率誤誤差在在總測測量誤誤差中中不能能忽略略。4.5.3周周期測測量的的誤差差分析析1）誤誤差表表達式式◆由測周周的基基本表表達式式：根據(jù)誤誤差合合成公公式，，可得得：式中，，和和分分別別為量量化誤誤差和和時標(biāo)標(biāo)周期期誤差差。由(Tc為晶晶振周周期，，k為為倍頻頻或分分頻比比)，，有：而計數(shù)數(shù)值N為：：所以，，4.5.3周周期測測量的的誤差差分析析2）量量化誤誤差的的影響響◆由測周周的誤誤差表表達式式：其中，，第一一項即即為量化誤誤差。它表表示Tx愈愈大（（被測測信號號的頻頻率愈愈低）），則則量化化誤差差愈小小，其其意義義為Tx愈愈大則則計入入的時時標(biāo)周周期數(shù)數(shù)N愈愈大。。另外外，晶晶振的的分頻頻系數(shù)數(shù)k愈愈小，，則時時標(biāo)周周期愈愈小，，在相相同的的Tx內(nèi)計計數(shù)值值愈大大。此外，，第二二項為為標(biāo)準(zhǔn)頻頻率誤誤差，通常常也要要求小小于測測量誤誤差的的一個個數(shù)量量級，，這時時就可可作為為微小小誤差差不予予考慮慮?！魹闇p小小量化化誤差差，應(yīng)應(yīng)增加加計數(shù)數(shù)值N，但但也需需注意意不可可使其其溢出。例如：：一個6位的的計數(shù)數(shù)器，，最大大顯示示為999999,當(dāng)用用T0=1us的的時標(biāo)標(biāo)測量量Tx=10s(fx=0.1Hz)時,應(yīng)顯顯示““10000000”us或或“10.000000”s,顯顯然溢溢出。4.5.3周周期測測量的的誤差差分析析3）中中界頻頻率◆測頻時時，被被測頻頻率fx愈低，，則量量化誤誤差愈愈大；；測周時時，被被測頻頻率fx愈高，，則量量化誤誤差愈愈大。。可見，，在測測頻與與測周周之間間，存存在一一個中中界頻頻率fm，當(dāng)fx>fm時，應(yīng)應(yīng)采用用測頻頻；當(dāng)當(dāng)fx<fm時，應(yīng)應(yīng)采用用測周周方案案?！糁薪珙l頻率fm的確定定量化誤誤差取取決于于計數(shù)數(shù)值N，測測頻時時;測測周周時。。令兩式式相等等，并并用Tm表示Tx：：于是，，有：：或或例：若若Ts=1s,T0=1us，，則fm=1kHz,在在該頻頻率上上,測測頻與與測周周的量量化誤誤差相相等。。4.5.3周周期測測量的的誤差差分析析4）觸觸發(fā)誤誤差◆頻率測測量時時觸發(fā)發(fā)誤差差的影影響●尖峰峰脈脈沖沖的的干干擾擾如圖圖，，尖尖峰峰脈脈沖沖只只引起起觸觸發(fā)發(fā)點點的的改改變變，，對測測頻頻影影響響不不大大。。●高頻頻疊疊加加干干擾擾如圖圖，，產(chǎn)產(chǎn)生生錯錯誤誤計計數(shù)數(shù)。。●措施施增大大觸觸發(fā)發(fā)窗窗或或減減小小信信號號幅幅度度；；輸入入濾濾波波。?！糁芷谄跍y測量量時時觸觸發(fā)發(fā)誤誤差差的的影影響響●尖峰峰脈脈沖沖周期期測測量量時時，，尖尖峰峰脈脈沖沖的的干干擾擾對對測測量量結(jié)結(jié)果果的的影影響響非非常常嚴嚴重重。。如如圖圖，，測測量量誤誤差差為為：：●分析析設(shè)輸輸入入為為正正弦弦波波：：,干干擾擾幅幅度度為為Vn。對觸觸發(fā)發(fā)點點A1作切切線線ab，，其其斜斜率率為為則，，可見見，，愈愈小小，，即即觸發(fā)發(fā)點點愈愈陡陡峭峭，，誤誤差差愈愈小小。4））觸觸發(fā)發(fā)誤誤差差4））觸觸發(fā)發(fā)誤誤差差進一一步步推推導(dǎo)導(dǎo)觸觸發(fā)發(fā)點點的的斜斜率率，，如如下下：：實際際中中，，對對正正弦弦輸輸入入信信號號，，常常選選擇擇過過零零點點為為觸觸發(fā)發(fā)點點（（具具有有最最陡陡峭峭的的斜斜率率）），，則則觸觸發(fā)發(fā)點點電電壓壓VB滿足足：：于是是，，有有：：若考考慮慮在在一一個個周周期期開開始始和和結(jié)結(jié)束束時時可可能能都都存存在在觸觸發(fā)發(fā)誤誤差差，，分分別別用用表表示示，，并并按按隨隨機機誤誤差差的的均均方方根根合合成成，，得得到到：：●結(jié)論論：：測周周時時為為減減小小觸觸發(fā)發(fā)誤誤差差，，應(yīng)應(yīng)提提高高信信噪噪比比。4.6.1多多周周期期同同步步測測量量技技術(shù)術(shù)1））倒倒數(shù)數(shù)計計數(shù)數(shù)器器；；2））多多周周期期同同步步法法4.6.2模模擬擬內(nèi)內(nèi)插插法法1））內(nèi)內(nèi)插插法法原原理理；；2））時時間間擴擴展展電電路路4.6.3游游標(biāo)標(biāo)法法4.6.4平平均均法法4.6高高分分辨辨時時間間和和頻頻率率測測量量技技術(shù)術(shù)4.6.1多多周周期期同同步步測測量量技技術(shù)術(shù)1））倒倒數(shù)數(shù)計計數(shù)數(shù)器器◆如如前前述述，，對對低低頻頻信信號號，，為為減減小小量量化化誤誤差差，，宜宜采采用用測測周周方方案案。。但但測測周周時時不不能能直直接接得得到到頻頻率率值值的的顯顯示示結(jié)結(jié)果果，，為為得得到到頻頻率率值值顯顯示示，，硬硬件件上上采采用用了了一一種種特特殊殊設(shè)設(shè)計計————即即倒數(shù)數(shù)計計數(shù)數(shù)器器?！粼砝恚海菏资紫认劝窗礈y周周模模式式，設(shè)設(shè)計計數(shù)數(shù)值值為為N，再再設(shè)設(shè)法法將將1/N予以以顯顯示示。。思路路：：設(shè)設(shè)測測周周的的時時標(biāo)標(biāo)來來自自晶振振(Tc)，，測測頻頻的的閘閘門門為Ts=10nTc，則則測測頻頻時時計數(shù)數(shù)值值式中中，，N為為測測周周時時的的計計數(shù)數(shù)值值。。1））倒倒數(shù)數(shù)計計數(shù)數(shù)器器式表表明明，，實現(xiàn)現(xiàn)：：首首先先對對被被測測信信號號測測周周，，得得計計數(shù)數(shù)值值N，，再再在在10nTc閘門門時時間間內(nèi)內(nèi)對對(晶晶振振的的N分分頻頻)計計數(shù)數(shù)，，即即得得計計數(shù)數(shù)值值Nf?！粼砝韴D圖圖中中計計數(shù)數(shù)器器1和計計數(shù)數(shù)器器2分分別別工工作在在測測周周和和測測頻頻模模式。。預(yù)預(yù)定定標(biāo)標(biāo)器器(由由加法法計計數(shù)數(shù)器器構(gòu)構(gòu)成成)起著著分分頻頻器器作作用用。。主門門2的的閘閘門門和和輸輸入計計數(shù)數(shù)脈脈沖沖同同步步。4.6.1多多周周期期同同步步測測量量技技術(shù)術(shù)2））多多周周期期同同步步法法◆多周周期期同同步步測測頻頻測頻頻時時量量化化誤誤差差是是由由于于閘閘門門與與被被測測信信號號的的非非同同步步引引起起的的。。為為減減小小量量化化誤誤差差，，必必須須使閘閘門門時時間間等等于于被被測測信信號號整整周周期期數(shù)數(shù)。●設(shè)設(shè)計計原原理理采用用預(yù)置置閘閘門門，用用fx對預(yù)預(yù)置置閘閘門門同同步步，，在在實實際際的同步步閘閘門門時間間內(nèi)內(nèi)同同時時對對fx計數(shù)數(shù)得得被被測測信信號號整整周周期期計數(shù)數(shù)得得Nx。為為確確定定同同步步閘門門時時間間，，用用另另一一計計數(shù)數(shù)器器對標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)頻頻率率f0計數(shù)數(shù)得得N0。2））多多周周期期同同步步法法●工工作作波波形形如圖圖，，同同步步閘閘門門時時間T’’s由由N0T0確定定，，則：：●誤誤差差：：Nx無無±±1誤誤差，N0存在在±±1誤誤差差，，但一般N0較大，±1/N0較小?！駥崿F(xiàn)：基于微處理器器，控制預(yù)置閘閘門（軟件發(fā)發(fā)出），計算算頻率結(jié)果。?？蓪崿F(xiàn)不同閘門時間間內(nèi)的等精度測量。2）多周期同同步法◆多周期測周基本測周模式式下，閘門時時間由單個周周期確定。在在干擾信號下下，被測信號號周期的觸發(fā)發(fā)前后存在的的觸發(fā)發(fā)誤差（轉(zhuǎn)換換誤差）。●原理：為降降低對對單個周期測測量的影響，，利用的的隨機機性，可由多多個周期構(gòu)成成閘門時間，，使相鄰周期期的相互抵消。如如下圖。例如：由10個周期構(gòu)成成閘門時間測測量，觸發(fā)誤誤差降為1/10。同時，由于計數(shù)值也也增大了10倍，則±1誤差也減小小為1/10。電子計數(shù)器面面板上的“周期倍乘””可選擇周期數(shù)數(shù)，通常有：：×1、××10、××100、××1000等多檔選擇擇。10T’x△T1△T210TxTx1Tx10△T2TxA’1A1VnA’2A2A’9A9A’10A102）多周期同同步法●誤差表達式式：式中，m為周周期倍乘數(shù)。。4.6.2模模擬內(nèi)插法法一般時間間隔隔測量的局限限性：為減小量化誤誤差，需減小小時標(biāo)以增大大計數(shù)值，但但時標(biāo)的減小小受時基電路路和計數(shù)器最高工作頻率率限制，而計數(shù)數(shù)器也有最大大計數(shù)容量的的限制（最大計數(shù)值）。內(nèi)插法對已存在的量量化誤差，測測量出量化單位以下下的尾數(shù)(零頭時間)。如下圖所示示，則準(zhǔn)確的Tx為：Tx=T0+T1-T2為實現(xiàn)T1-T2的測量，有模擬和數(shù)字兩兩種方法。4.6.2模模擬內(nèi)插法法1）模擬內(nèi)插插法原理由于T1和T2均很小（小于于時標(biāo)），采采用普通的““時標(biāo)計數(shù)法法”難以實現(xiàn)現(xiàn)（需要非常常小的時標(biāo)））。其實現(xiàn)的的基本思路是是：對T1和T2作時間擴展（（放大）后測測量。三次測量若T1、T2均擴展k倍，， 采用同一一個時標(biāo)（設(shè)設(shè)為））分別測量T0、kT1、kT2，設(shè)計數(shù)值分分別為：N0、N1、N2，則：意義：上式由于不不存在量化化誤差，總量量化誤差由(N1-N2)引起，降低低了k倍。相當(dāng)于用時時標(biāo)的普普通時間測量量。4.6.2模模擬內(nèi)插法法2）時間擴展展電路◆時間擴展電電路如下圖所示：：◆工作原理以恒流源對電電容器C充電，設(shè)設(shè)充電時間為T1，而以(k-1)T1（可近似為kT1）時間緩慢放放電，當(dāng)放電電到原電平時時，所經(jīng)歷的的時間為：T1’=T1+(k-1)T1=kT1，即得到T1的k倍時間擴擴展。在kT1時間內(nèi)對時標(biāo)標(biāo)計數(shù)。◆例如，擴展器控制的的開門時間為為T1的1000倍倍(k取999)，即： T’1＝T1＋999T1＝1000T1在T’1時間內(nèi)對時標(biāo)標(biāo)計數(shù)得得N1，則類似地：T’2＝T2＋999T2＝1000T2在T’2時間內(nèi)對時標(biāo)標(biāo)計數(shù)得得N2，則于是：內(nèi)插后測量分分辨力提高了了1000倍倍?！粜?zhǔn)技術(shù)內(nèi)插擴展技術(shù)術(shù)可大大提高高測時分辨力力,但測量前前需進行校準(zhǔn)準(zhǔn)。4.6.2模模擬內(nèi)插法法4.6.3游游標(biāo)法1）游標(biāo)法的的原理◆數(shù)字式游標(biāo)法法實現(xiàn)的原理理和游標(biāo)卡尺的原理相似，，是利用相差差很微小的兩兩個量，對其其量化單位以以下的差值進進行多次的疊疊加，直到疊疊加的值達到到一個量化單單位為止，通通過相關(guān)的計計算便可以獲獲得較精確的的差值。◆設(shè)主時鐘頻率F01＝1/T01和游標(biāo)時鐘F02＝1/T02。F01>F02(T01<T02)且F01和F02非常接近。即即差值ΔT0=T02－T01很小。如T01=10ns，，T02=11ns，，則ΔT0=T02－T01=1ns。◆雙游標(biāo)法的的工作原理如下圖。4.6.3游游標(biāo)法◆如圖，設(shè)開門門與關(guān)門時的的兩個“零頭頭時間”為,開開門后同時啟啟動主計數(shù)器器和游標(biāo)脈沖沖1計數(shù)，由由于T02>T01，設(shè)經(jīng)過N1個計數(shù)值后,游標(biāo)脈沖與主主脈沖重合(圖中符合點點1)。此時時：即即：4.6.3游游標(biāo)法同樣，在關(guān)門門時(主時鐘鐘計數(shù)停止)啟動游標(biāo)脈脈沖2開始計計數(shù)，由于T02>T01，設(shè)經(jīng)過N2個計數(shù)值后，，游標(biāo)脈沖與主主脈沖重合(圖中符合點點2)。此時時，有：則，被測時間間間隔為：定義擴展系數(shù)數(shù)K，則游標(biāo)時鐘周周期用K可表表示為：而于是，被測時時間間隔可寫寫成：可見，數(shù)字游標(biāo)法將將測時分辨力力由T01提高到了T01/K。4.6.4平平均法1）平均法原原理◆硬件平均法法測量●測頻：在基基本頻率測量量中，取樣時時間（即閘門門時間）內(nèi)對對N個周期脈脈沖進行累加加計數(shù)，實際際上已是對N個周期進行行了平均?！駵y周：多周周期測量即是是硬件上的平平均測量?！裼布骄ǚǖ木窒蓿簡螁未螠y量的時時間有限；計計數(shù)容量有限限?！糗浖骄ǚā駟未螠y量（測頻和測周周）總是存在在量化誤差，，這是一種隨隨機誤差,它它在－1/N～1/N范圍內(nèi)內(nèi)(誤差限1/N)均勻勻分布?！穸啻螠y量取平平均。利用隨機誤誤差的抵償性性，可采取多多次測量取平平均的辦法，，減小測量誤誤差?！裨O(shè)連續(xù)進行有有限次（n次次）測量，計計數(shù)值分別為為N1、N2、…、Nn，其算術(shù)平均值為：由于N1≈N2≈…≈Nn≈N，各次的的量化誤差為為：對各單次測量量的量化誤差差采用均方根根合成，根據(jù)據(jù)算術(shù)平均值的的性質(zhì)，其誤差將減減小到單次測測量的即：4.6.4平平均法4.6.4平平均法2）時基脈沖沖的隨機調(diào)相相技術(shù)◆軟件平均法依依賴于各單次次測量的量化誤差的隨隨機性，即要求閘門開啟/關(guān)關(guān)閉時刻和被被測信號脈沖沖之間具有真真正的隨機性性。否則，各各單次測量的的量化誤差就就不具有隨機機誤差的抵償償性?！魧崿F(xiàn)原理采用齊納二極極管產(chǎn)生的噪噪聲對時基脈脈沖進行隨機機相位調(diào)制，，使時基脈沖沖具有隨機的的相位抖動。。◆原理圖下圖是一個實實用的測量方方案。4.6.4平平均法4.7微波波頻率測量技技術(shù)4.7.1變變頻法1）變頻法原原理2）組成框圖圖4.7.2置置換法1）置換法原原理2）組成框圖圖4.7微波波頻率測量技技術(shù)通用電子計數(shù)數(shù)器受內(nèi)部計數(shù)器器等電路的工工作速度的限限制，對輸入入信號直接計計數(shù)存在最高計數(shù)頻率率的限制。中速計數(shù)器采采用“預(yù)定標(biāo)器””（由ECL電電路構(gòu)成的分分頻器），將將輸入信號進進行分頻后，，再由計數(shù)器器計數(shù)。對于幾十GHz的的微波計數(shù)器器，主要采用變頻法和置換換法將輸入微波頻頻率信號變換換成可直接計計數(shù)的中頻。。4.7.1變變頻法1）變頻法原原理變頻法（或稱稱外差法）是是將被測微波波信號經(jīng)差頻變換成頻率較低的的中頻信號，，再由電子計計數(shù)器計數(shù)。?！糇冾l法的原原理框圖如下下。電子計數(shù)器主主機內(nèi)送出的的標(biāo)準(zhǔn)頻率fs，經(jīng)過諧波發(fā)發(fā)生器產(chǎn)生高高次諧波，再再由諧波濾波波器選出所需需的諧波分量量Nfs，它與被測信信號fx混頻出差頻fI。若由電子計數(shù)數(shù)器測出fI，則被測頻率率fx為：為適應(yīng)fx的的變化，諧波波濾波器應(yīng)能能夠選出合適適的諧波分量量Nfs?；祛l器差頻放大器電子計數(shù)器諧波濾波器諧波發(fā)生器輸入fxfIfs4.7.1變變頻法4.7.1變變頻法2）組成框圖圖自動變頻式微微波計數(shù)器的的原理方框圖圖如下圖所示示?；祛l器差頻放大器電子計數(shù)器諧波濾波器（YIG電調(diào)濾波器）諧波發(fā)生器（階躍恢復(fù)二極管）輸入fxfI輸入fs輸出Nfs掃描捕獲電路檢波器fI

（＝fx-Nfs）4.7.1變變頻法工作原理諧波發(fā)生器：輸入為計數(shù)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)頻率率信號fs。。采用階躍恢恢復(fù)二極管，，以產(chǎn)生豐富富的諧波Nfs。諧波濾波器：采用YIG（（單晶鐵氧體體材料）電調(diào)調(diào)諧濾波器，，其諧振頻率率可在很寬范范圍實現(xiàn)電調(diào)調(diào)。掃描捕獲電路路：產(chǎn)生階梯波波電流，控制制YIG的外外加磁場，使使YIG的諧振頻率從低低到高步進式式地改變，從而可逐次次選出不同的的各次諧波。。差頻放大器、、檢波器：當(dāng)諧波濾波波器輸出的某某次諧波Nfs與待測頻率fx的差頻fI（＝fx－Nfs）落在差頻放放大器的帶寬寬（1～101MHz））范圍內(nèi)時，，fI經(jīng)放大、檢波波后輸出一直直流電壓，使使掃描捕獲電電路停止掃描描，因而YIG固定地調(diào)調(diào)諧在N次諧諧波上。4.7.1變變頻法微波計數(shù)器的的顯示當(dāng)YIG調(diào)諧諧成功（選擇擇的諧波分量量Nfs被確確定）后，控控制電路直接將Nfs在高位上顯顯示。而fI=fx-Nfs則由計數(shù)數(shù)器計數(shù)并顯顯示在Nfs位之后。這樣，便得到到fx=Nfs+fI。例如：若fx=1234.567890MHz，標(biāo)準(zhǔn)頻率率fs=100MHz。。則YIG應(yīng)調(diào)調(diào)諧在N=12次諧波上上，即Nfs=1200MHz，高高位直接顯示示“12”。計數(shù)器再對差差頻信號fI=fx-Nfs=34.567890MHz計數(shù)，，最后顯示為““1234.567890”MHz。變頻法特點：：諧波Nfs幅幅度低，靈敏度低，但但分辨力高。4.7.2置置換法1）置換法原原理利用一個頻率率較低的置換換振蕩器的N次諧波，與與被測微波頻頻率fx進行分頻式鎖鎖相，從而把把fx轉(zhuǎn)換到較低的的頻率fL（通常為100MHz以以下）。原理框框圖如如下：：當(dāng)環(huán)路路鎖定定時，，有：：式中，，fs為已已知的的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)頻率率，計計數(shù)器器直接接對fL計數(shù)，，但為為得到到fx，還還需確定N值?；祛l器壓控振蕩器電子計數(shù)器鑒相器fx-NfLfsfLNfL4.7.2置置換法法2）組組成方方框圖圖全自動動置換換法微微波計計數(shù)器器的方方框圖圖如下下圖所所示。。4.7.2置置換法法工作原原理主通道道：fx與fL的N次次諧波波NfL經(jīng)混頻頻器A，由由差頻頻放大大器取取出fI=fx-NfL，當(dāng)環(huán)環(huán)路鎖鎖定時時：fI=fx-NfL=fs。即即有：：fx=NfL+fs。fL由計數(shù)數(shù)器直直接計計數(shù)。。輔助通通道：用于確確定N。fL與標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)頻率率發(fā)生生器(F0=1kHz)經(jīng)經(jīng)混頻頻器C得到到差頻頻：fL-F0，其N次諧諧波與與fx經(jīng)混混頻器器B，，由差