電子測量與儀器課件第七章頻率和時間測量及儀器1

第7章頻率和時間測量及儀器

7.1概述時間:含意有二，時刻和時間間隔周期:在相等時間間隔內(nèi)重復(fù)發(fā)生的現(xiàn)象稱為周期現(xiàn)象，該時間間隔稱為周期。頻率:描述周期現(xiàn)象最重要的物理量，周期信號在單位時間內(nèi)變化的次數(shù)通常用電子計(jì)數(shù)器測量時間和頻率。計(jì)數(shù)法在實(shí)質(zhì)上屬于比較法，比較法是利用已知的標(biāo)準(zhǔn)的參考頻率同被測頻率進(jìn)行比較而測得被測信號的頻率。17.1.1無源測頻法(直讀法）主要包括諧振法、電橋法和頻率-變換電壓法等方法。1.諧振法圖7.1所示為諧振法測頻基本原理圖。被測信號經(jīng)互感M與LC串聯(lián)諧振回路進(jìn)行松耦合，改變可變電容器C，使回路發(fā)生串聯(lián)諧振。諧振時回路電流I達(dá)到最大。被測頻率fx可用下式計(jì)算:（7-1）式中，f0為諧振回路的諧振頻率，L、C分別為諧振回路諧振電感和諧振電容。VLCMfx圖7.1諧振法測頻原理22.電橋法凡是平衡條件與頻率有關(guān)的任何電橋都可用來測頻，但要求電橋的頻率特性盡可能尖銳。測頻電橋的種類很多，常用的有文氏電橋、諧振電橋和雙T電橋頻率-電壓變換法測頻就是先把頻率變換為電壓或電流，然后以頻率刻度的電壓表或電流表來指示被測頻率。圖7.2(a)為頻率-電壓變換法測正弦波頻率原理框圖。首先把正弦信號變換為頻率與之相等的尖脈沖uA，然后加至單穩(wěn)多諧振蕩器，產(chǎn)生頻率為fx、寬度為τ、幅度為Um的矩形脈沖列uB(t)，如圖7.2(b)所示3脈沖形成單穩(wěn)多諧振蕩器積分ux(fx)ABUoUoτUmuBtttuxuATxTxTx(b)(a)圖7.2頻率-電壓變換法測頻原理圖4

可見，當(dāng)Um、τ一定時，Uo指示就構(gòu)成頻率—電壓變換型直讀式頻率計(jì)，電壓表直接按頻率刻度。該頻率計(jì)最高頻率可達(dá)幾兆赫。57.1.2比較法有源比較測頻法主要包括拍頻法和差頻法。1.拍頻法拍頻法是將被測信號與標(biāo)準(zhǔn)信號經(jīng)線性元件（如耳機(jī)、電壓表）直接進(jìn)行疊加來實(shí)現(xiàn)頻率測量的，其原理電路如圖7.3所示。V耳機(jī)fsfx(a)示波器(b)圖7.3拍頻法測頻原理6當(dāng)兩個音頻信號逐漸靠近時，耳機(jī)中可以聽到兩個高低不同的音調(diào)。當(dāng)這兩個頻率靠近到差值不到4～6Hz時，就只能聽到一個近于單一音調(diào)的聲音，這時，聲音的響度作周期性的變化，再觀察電壓表，會發(fā)現(xiàn)指針在有規(guī)律地來回?cái)[動，示波器上則可得到如圖7.3(b)所示的波形。拍頻法通常只用于音頻的測量，而不宜用于高頻測量。72.差頻法高頻段測頻常用差頻法測量。差頻法是利用非線性器件和標(biāo)準(zhǔn)信號對被測信號進(jìn)行差頻變換來實(shí)現(xiàn)頻率測量的，其工作原理如圖7.4所示。fx和fs兩個信號經(jīng)混頻器混頻和濾波器濾波后輸出二者的差頻信號，該差頻信號落在音頻信號范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)信號頻率，當(dāng)耳機(jī)中聽不到聲音時，表明兩個信號頻率近似相等。fxV混頻濾波放大fs圖7.4差頻法測頻原理耳機(jī)87.2電子計(jì)數(shù)器概述7.2.1分類按其測試功能的不同，電子計(jì)數(shù)器分為以下幾類：（1）通用電子計(jì)數(shù)器（2）頻率計(jì)數(shù)器（3）計(jì)算計(jì)數(shù)器（4）特種計(jì)數(shù)器97.2.2基本組成：A輸入通道閘門十進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示門控電路邏輯控制電路B輸入通道測頻累加計(jì)數(shù)測時間倍頻器晶振分頻器時標(biāo)選擇標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生電路閘門時間選擇人工觸發(fā)功能變換圖7.5通用電子計(jì)數(shù)器的組成框圖107.2.3主要技術(shù)指標(biāo)

1.測試功能2.測量范圍3.輸入特性（1）輸入耦合方式：有AC和DC兩種方式（2）觸發(fā)電平及其可調(diào)范圍（3）輸入靈敏度（4）最高輸入電壓（5）輸入阻抗（輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容）。

4.測量準(zhǔn)確度

115.閘門時間和時標(biāo)閘門時間和時標(biāo)由標(biāo)準(zhǔn)時間電路產(chǎn)生的信號決定?？梢蕴峁┑拈l門時間和時標(biāo)信號有多種。6.顯示及工作方式（1）顯示位數(shù)（2）顯示時間（3）顯示器件（4）顯示方式7.輸出輸出是指儀器可輸出的時標(biāo)信號種類、輸出數(shù)碼的編碼方式及輸出電平。12 7.3通用電子計(jì)數(shù)器 7.3.1測量頻率

周期性信號在單位時間內(nèi)重復(fù)的次數(shù)稱為頻率，即f=N/T式中，T為時間，單位為“s”；N為在時間T內(nèi)周期性現(xiàn)象的重復(fù)次數(shù)。 電子計(jì)數(shù)器測頻原理框圖如圖7.6所示。被測信號經(jīng)過放大整形，形成重復(fù)頻率為mfx的計(jì)數(shù)脈沖，作為閘門的輸入信號。門控電路的輸出信號稱為門控信號，控制著閘門的啟閉，閘門開啟時間等于分頻器輸出信號周期KfTs。只有當(dāng)閘門開啟（圖中假設(shè)門控信號為高電平）時，計(jì)數(shù)脈沖才能通過閘門進(jìn)入十進(jìn)制計(jì)數(shù)器去計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)結(jié)果為N。則存在關(guān)系：13

N=KfTsfxfs=1/Ts放大整形電路閘門十進(jìn)制計(jì)數(shù)器門控電路分頻器晶振fxKfTsKfTs顯示器TsTxKfTsTx圖7.6通用電子計(jì)數(shù)器測頻原理框圖14

如果被測信號經(jīng)過放大整形，再經(jīng)過m次倍頻，則滿足：N=mKfTsfx式中，N為閘門開啟期間十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)出的計(jì)數(shù)脈沖個數(shù)；fx為被測信號頻率，其倒數(shù)為周期Tx；Ts為晶振信號周期；m為倍頻次數(shù)；Kf為分頻次數(shù)，調(diào)節(jié)Kf的旋鈕稱為“閘門時間選擇”（或“時基選擇”）開關(guān)，與Ts的乘積等于閘門時間。 為了使N值能夠直接表示fx，常取mKfTs=1ms、10ms、0.1s、1s、10s等幾種閘門時間。即當(dāng)閘門時間為1×10ns(n為整數(shù))，并且使閘門開啟時間的改變與計(jì)數(shù)器顯示屏上小數(shù)點(diǎn)位置的移動同步進(jìn)行時，無需對計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行換算，就可直接讀出測量結(jié)果。

15 7.3.2測量周期

頻率的倒數(shù)就是周期，電子計(jì)數(shù)器測量周期的原理與測頻原理相似，其原理框圖如圖7.7所示。KfTx放大整形電路閘門計(jì)數(shù)顯示門控電路倍頻器(m)晶振TxTxfs=1/Ts分頻器(1/Kf)KfTx圖7.7通用電子計(jì)數(shù)器測周原理框圖Ts/mKfTxTs/m16

門控電路由經(jīng)放大整形、分頻后的被測信號控制，計(jì)數(shù)脈沖是晶振信號經(jīng)倍頻后的時間標(biāo)準(zhǔn)信號（即時標(biāo)信號）。存在關(guān)系：N=mKfTx/Ts式中，Tx與Kf的乘積等于閘門時間；Kf為分頻器分頻次數(shù)，調(diào)節(jié)的Kf旋鈕稱為“周期倍乘選擇”開關(guān)，通常選用10n，如×1、×10、×102、×103等，該方法稱為多周期測量法；Ts為晶振信號周期，fs為晶振信號頻率；Ts/m通常選用1ms、1μs、0.1μs、10ns等，改變Ts/m大小的旋鈕稱為“時標(biāo)選擇”開關(guān)。17由上述分析得知，通用電子計(jì)數(shù)器無論是測頻還是測周，其測量方法是依據(jù)閘門時間等于計(jì)數(shù)脈沖周期與閘門開啟時通過的計(jì)數(shù)脈沖個數(shù)之積，然后根據(jù)被測量的定義進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算而得出被測量。同樣道理，也可以據(jù)此來測量頻率比、時間間隔、累加計(jì)數(shù)等。187.3.3測量頻率比頻率比即兩個信號的頻率之比，電子計(jì)數(shù)器測量頻率比的原理框圖如圖7.8所示。其測量原理與測量頻率的原理相似。不過此時有兩個輸入信號加到電子計(jì)數(shù)器輸入端，如果fA＞fB，就將頻率為fB的信號經(jīng)B通道輸入，去控制閘門的啟閉，假設(shè)該信號未經(jīng)分頻器分頻，則閘門開啟時間等于TB(=1/fB)；而把頻率為fA的信號從A通道輸入，假設(shè)該信號未經(jīng)過倍頻，設(shè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為N，則存在關(guān)系：TB=NTAN=TB/TA=fA/fB

19TB=1/fB放大整形電路B閘門計(jì)數(shù)顯示門控電路放大整形電路AfA=1/TATB圖7.8通用電子計(jì)數(shù)器測量頻率比原理框圖

TATBTAfA（B通道）（A通道）fB20為了提高測量準(zhǔn)確度，可以采用類似多周期測量的方法，在B通道增加分頻器，對fB進(jìn)行Kf次分頻，使閘門開啟時間擴(kuò)展Kf倍。則有：

KfTB=NTAfA/fB=TB/TA=N/Kf 當(dāng)對fA進(jìn)行m次倍頻，用mfA作為時標(biāo)信號時，存在關(guān)系：KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)

217.3.4累加計(jì)數(shù) 累加計(jì)數(shù)是指在限定時間內(nèi)，對輸入信號重復(fù)次數(shù)（即放大整形后的計(jì)數(shù)脈沖個數(shù)）進(jìn)行累加。其測量原理與測量頻率是相似的，不過此時門控電路改由人工控制。其電路原理框圖如圖7.9所示，當(dāng)開關(guān)S打在“啟動”位置時，閘門開啟，計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)開關(guān)S打在“終止”位置時，閘門關(guān)閉，終止計(jì)數(shù)，累加計(jì)數(shù)結(jié)果由顯示電路顯示。22

啟動閘門計(jì)數(shù)顯示門控電路放大整形電路A圖7.9通用電子計(jì)數(shù)器累加計(jì)數(shù)原理框圖TATA輸入信號A終止（A通道）啟動終止S237.3.5測量時間間隔 圖7.10所示為測量時間間隔的原理框圖，其測量原理與測量周期原理相似，不過控制閘門啟閉的是兩個（或單個）輸入信號在不同點(diǎn)產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生由觸發(fā)器的觸發(fā)電平與觸發(fā)極性選擇開關(guān)來決定當(dāng)測量兩個信號的時間間隔時，開關(guān)S1處于“單獨(dú)”位置，測量原理如圖7.11所示。A輸入(設(shè)時間超前)產(chǎn)生起始觸發(fā)脈沖用于開啟閘門，使十進(jìn)制計(jì)數(shù)器開始對時標(biāo)信號進(jìn)行計(jì)數(shù)；B輸入（設(shè)時間滯后）則產(chǎn)生終止觸發(fā)脈沖以關(guān)閉閘門，停止計(jì)數(shù)。假設(shè)起始脈沖和終止脈沖分別選擇輸入A、B正極性（即開關(guān)S2、S3置于“+”處）、50%電平處產(chǎn)生，計(jì)數(shù)值為N，則時間間隔TAB存在以下關(guān)系：24+觸發(fā)器1閘門計(jì)數(shù)顯示門控電路倍頻器(m)TsTAB圖7.10通用電子計(jì)數(shù)器測量時間間隔原理框圖Ts/mTABTs/m晶振TA起始觸發(fā)器終止觸發(fā)器觸發(fā)器2-+-單獨(dú)公共TBS1S2S3觸發(fā)極性25

當(dāng)測量脈沖信號的時間間隔如脈沖前沿tr、脈寬τ等參數(shù)時，將開關(guān)S1置于“公共”位置，根據(jù)被測量的定義，調(diào)節(jié)觸發(fā)器1、2的觸發(fā)電平和觸發(fā)極性，選擇合適的時標(biāo)信號，即可測量。例如測量脈寬τ,根據(jù)脈寬定義，調(diào)節(jié)觸發(fā)器1、2的觸發(fā)電平均為50%，分別調(diào)節(jié)觸發(fā)極性選擇S1、S2為“+”、“－”。閘門開啟期間計(jì)數(shù)結(jié)果為N，則τ=NTs/m050%輸入At050%輸入Bt起始脈沖終止脈沖開啟時間計(jì)數(shù)脈沖NTAB圖7.11通用電子計(jì)數(shù)器測量時間間隔示意圖26

7.3.6自檢（自校）

大多數(shù)電子計(jì)數(shù)器都具有自檢（即自校）功能，它可以檢查儀器自身的邏輯功能以及電路的工作是否正常，其原理框圖如圖7.12所示。KfTs閘