第六章時間與頻率的測量

第四章時間與頻率的測量

在相等時間間隔內重復發(fā)生的現象稱為周期現象,該時間間隔稱為周期。在單位時間內周期性過程重復、循環(huán)或振動的次數稱為頻率,單位為赫茲(Hz).頻率和周期互為倒數,是最基本的參量。目前，在電子測量中，時間和頻率的測量精確度是最高的，在檢測技術中，常常將一些非電量或其它電參量轉換成頻率進行測量。

測量頻率的方法有很多，按照其工作原理分為無源測量法、比較法、示波器法和計數法等。

電子計數器可以用來測量頻率、周期、時間等量,通過擴展還可以構成頻率計、相位計，是電子測量三大儀器之一。主要知識點1頻率測量的基本方法2電子計數器及其應用3其他的時間和頻率測量方法第一節(jié)頻率測量的基本方法一、無源測頻法主要包括諧振法、電橋法和頻率-變換電壓法等。1.諧振法諧振法測頻基本原理如圖.被測信號經互感M與LC串聯(lián)諧振回路進行松耦合,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達到最大時,被測頻率fx可用下式計算:2.電橋法凡是平衡條件與頻率有關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.通常采用如下圖所示的文氏電橋來進行測量.調節(jié)R1、R2使電橋達到平衡,則有:3.頻率-電壓變換法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。頻率-電壓變換法測正弦波頻率原理框圖如圖(a)。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，產生頻率為fx、寬度為τ、幅度為Um的矩形脈沖列uB(t)，如圖(b)所示。經推導得知：

當Um、τ一定時，Uo指示就構成頻率-電壓變換型直讀式頻率計,電壓表直接按頻率刻度.最高頻率可達幾兆赫。二、有源比較測頻法有源比較測頻法主要包括拍頻法和差頻法。1.拍頻法將被測信號與標準信號經線性元件(如耳機、電壓表)直接進行疊加來實現頻率測量的,其原理電路如圖所示。

當兩個音頻信號逐漸靠近時,耳機中可以聽到兩個高低不同的音調。當兩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的聲音,且作周期性的變化,電壓表指針有規(guī)律地來回擺動,示波器上則可得到如圖(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。2.差頻法高頻段測頻常用差頻法測量,利用非線性器件和標準信號對被測信號進行差頻變換來實現頻率測量.

fx和fs兩個信號經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,調節(jié)標準信號頻率,當耳機中聽不到聲音時,表明兩個信號頻率近似相等.

3、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fx＝fs時顯示為斜線(橢圓或園);

測周期法：直接根據顯示波形由X通道掃描速率得到周期，進而得到頻率。第二節(jié)電子計數器及其應用第二節(jié)、電子計數器主要電路

通用電子計數器主要由輸入通道、計數顯示電路、標準時間產生電路和邏輯控制電路組成。1．輸入通道電子計數器一般設置2個或3個輸入通道，記作A、B、C。A通道用于測頻、自校；B通道用于測周期；B、C通道合起來測時間間隔；A、B通道合起來測頻率比。

A通道:計數脈沖信號的通道。它對輸入信號進行放大整形、變換，輸出計數脈沖信號。計數脈沖信號經過閘門進入十進制計數器，是十進制計數器的觸發(fā)脈沖源。B通道:閘門時間信號的通道，用于控制閘門的開啟和關閉。輸入信號經整形后用來觸發(fā)門控電路（雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）使其狀態(tài)翻轉，以一個脈沖開啟閘門，而以隨后的一個脈沖關閉閘門，兩脈沖的時間間隔為閘門時間。在此期間，十進制計數器對經過A通道的計數脈沖進行計數。為保證信號能夠在一定的電平時觸發(fā)，輸入端可以對輸入信號的電平進行連續(xù)調節(jié)，并且可以任意選擇所需的觸發(fā)脈沖極性。有的通用計數器閘門時間信號通道有B、C兩個通道。B通道用作門控電路的啟動通道，使門控電路狀態(tài)翻轉；C通道用作門控電路停止通道，使其復原。(2)計數顯示電路計數顯示電路是一個十進制計數顯示電路，用于對通過閘門的脈沖（即計數脈沖）進行計數，并以十進制方式顯示計數結果。(3)標準時間產生電路標準時間信號由石英晶體振蕩器提供，作為電子計數器的內部時間基準。測量周期（測周）時，標準時間信號經過放大整形和倍頻（或分頻），用作測量周期或時間的計數脈沖，稱為時標信號；測頻時，標準時間信號經過放大整形和一系列分頻，用作控制門控電路的時基信號，時基信號經過門控電路形成門控信號。(4)邏輯控制電路邏輯控制電路產生各種控制信號，用于控制電子計數器各單元電路的協(xié)調工作。每一次測量的工作程序一般是：準備→計數→顯示→復零→準備下次測量等。第三節(jié)、通用電子計數器一、測量頻率

周期性信號在單位時間內重復的次數稱為頻率，即

f=N/T式中，T為時間，單位為“s”；N為在時間T內周期性現象的重復次數。電子計數器測頻原理框圖如圖所示。被測嬌信號草經放至大整晚形形慢成頻鳳率為mfx的計蜓數脈裕沖,作為園閘門妥的輸銜入信喜號.門控身電路越輸出歪門控觸信號托控制漆閘門揪的啟柏閉，棟閘門介開啟裙時間此等于祖分頻鈴器輸渴出信處號周酒期KfTs.只有梢當閘集門開羅啟時麗，計好數脈燒沖才蔥能通張過閘總門進秋入十趟進制怎計數諷器去惑計數,設計熔數結戴果為N。則蓄存在藏關系跨：N=辯KfTsfx如果育被測截信號虹經過迷放大進整形松后再憑經過m次倍依頻,則滿堆足：N=猶mKfTsfxN為閘悠門開遼啟期攝間十售進制找計數決器計啊出的黎計數醒脈沖子個數蒼；fx為被躺測信滑號頻傭率，天其倒共數為屑周期Tx；Ts為晶工振信粉號周腳期；m為倍慮頻次寺數；Kf為分宵頻次千數，揭調節(jié)Kf的旋蟻鈕稱疊為“閘門庭時間然選擇”（或“時基準選擇”）開甩關，煩與Ts的乘詢積等程于閘胸門時柄間?！飼r間奪與頻統(tǒng)率的挽測量二、訪測量樓周期電子解計數姨器測旱量周蹲期的寸原理炒與測預頻原扒理相嗓似，惹其原暖理框弄圖如共圖所蔥示。門控放電路環(huán)由經生放大列整形想、分錄頻后寨的被杯測信懼號控疑制，益計數掏脈沖病是晶廉振信用號經瞇倍頻烏后的辣時間碗標準訓信號.存在拜關系罵：N=勢mKfTx/TsTx與Kf的乘寒積等租于閘電門時果間；Kf為分唇頻器加分頻平次數伏，調因節(jié)的Kf旋鈕短稱為“周期白倍乘擴選擇”開關牌，通處常選授用10n，如×1、×1碰0、×1勸02、×1捕03等，歡該方損法稱邁為多鉗周期揀測量霸法；Ts為晶尺振信訊號周魄期，fs為晶慰振信蘇號頻渾率；Ts/m通常蛇選用1m安s、1μs、0.蹄1μ集s、10材ns等，活改變Ts/m大小綁的旋訴鈕稱漆為“時標唯選擇”開關遼。由上杠述分次析得踐知，零通用匆電子役計數魯器無染論是及測頻棟還是創(chuàng)測周蟻，其養(yǎng)測量逝方法盆是依萄據閘傻門時鉗間等貢于計媽數脈北沖周溫期與士閘門搖開啟道時通響過的鼠計數答脈沖認個數碎之積塞，然鳳后根某據被書測量選的定釘義進兼行推唯導計誰算而表得出沙被測修量。塘同樣慚道理娘，也西可以圖據此刮來測鋸量頻箱率比陪、時航間間銅隔、喊累加數計數廟等。三、金測量譯頻率繁比兩個束輸入張信號莊加到梯電子破計數美器輸堪入端,如果fA＞fB，就缺將頻熔率為fB的信疫號經B通道淡輸入,去控廚制閘寇門的辱啟閉,假設錯該信紋號未聾經分敏頻器亂分頻,則閘唇門開伶啟時降間等屋于TB(=巷1/fB);而把什頻率蹲為fA的信純號從A通道急輸入,假設縱該信駁號未旨經過靜倍頻,設十盡進制種計數嬌器計鍵數值上為N，則峽存在揭關系障：TB=NTAN=葡TB/TA=fA/fB為了燈提高板測量音準確攀度,可以攪在B通道拌增加倘分頻覽器,對fB進行Kf次分秘頻,使閘創(chuàng)門開控啟時飲間擴袖展Kf倍。勉則有智：KfTB=NTAfA/fB=TB/TA=N/蒜Kf或者眾對fA進行m次倍刊頻，惜用mfA作為蔬時標考信號后時，紹存在均關系姨：KfTB=NTA/m懇fA/fB=N/(mKf)四、季累加域計數其測焰量原緒理與暮測量回頻率凡是相舊似的,此時慮門控者電路瘡改由冰人工納控制.其電爆路原革理框壇圖如巴圖所注示,當開云關S打在“啟動”位置桃時,閘門奧開啟,計數褲脈沖屆進入殼計數怕器計拖數,當開為關S打在“終止”位置呢時,閘門談關閉捷，終胸止計粒數.五、甩測量形時間樓間隔其測銀量原嘗理與拿測量介周期脊原理掛相似,控制雅閘門浴啟閉晶的是蠶兩個神（或窄單個鹿）輸墾入信筑號在姨不同晉點產墊生的逼觸發(fā)紫脈沖掙。當測拔量兩班個信悄號的罩時間忘間隔花時，書開關S1處于“單獨”位置.當測揚量脈順沖信濤號的酷時間火間隔魄如脈陷沖前齊沿tr、脈滲寬τ等參蹲數時墨，將鐵開關S1置于“公共”位置努，根長據被啦測量施的定搜義,調節(jié)周觸發(fā)靈器1、2的觸特發(fā)電臺平和委觸發(fā)陷極性共，選強擇合姻適的捉時標晉信號,即可支測量父。例如欲測量悉脈寬τ,根據茫脈寬昏定義誘，調洲節(jié)觸喉發(fā)器1、2的觸野發(fā)電悔平均端為50疏%，分別參調節(jié)莊觸發(fā)餐極性痛選擇S1、S2為“+”、“－”。閘鍵門開電啟期摧間計衫數結糟果為N，則:τ=NTs/m六、菌自檢篩（自辛校）大多抱數電陣子計厭數器革都具絞有自胳檢（泊即自廟校）渾功能孕，它告可以掉檢查余儀器奸自身遲的邏探輯功墨能以秤及電課路的輝工作功是否且正常.自檢黎過程右與測術量頻之率的嶼原理商相似,但自哥檢時模的計跑數脈擁沖不做再是圣被測度信號悟而是體晶振痰信號陸經倍如頻后熱產生幟的時燥標信秒號。邁顯然犧，只括要滿贈足關抽系：NTs/m雅=KfTsN=mKf或N=mKf±1則說評明電氧子計罰數器猴及其夫電路獄等工敬作正哄常，習之所放以出歪現±1是因親為計轉數器蜜中存別在量筒化誤雹差的歐緣故奇。第四麻節(jié)礦電混子計相數器僚的測孩量誤命差一、允測量例誤差餓的來妹源電子索計數低器的乳測量梅誤差質來源殊主要曲包括量化補誤差耳、觸規(guī)發(fā)誤援差和依標準翠頻率財誤差濾。1量化銜誤差量化惠誤差隆是在鄙將模傻擬量懷變換復為數鋼字量準的量土化過努程中鑄產生假的誤舅差,是數茫字化歡儀器忌所特潔有的麗誤差,是不車可消墨除的尚誤差凱。它證是由示于電錦子計拾數器抗閘門模的開誓啟與粉計數制脈沖炭的輸舟入在蝴時間川上的贏不確嘗定性澡，即飼相位跨隨機冠性而論產生宮的誤周差。如圖翼所示,雖然儀閘門婚開啟幅時間察均為T,但因語為閘斗門開前啟時評刻不韻一樣,計數骨值一誦個為9另一伸個卻催為8,兩個佳計數薪值相害差1個字.無論風計數吧值N為多怎少,每次漂的計鼓數值廊總是導相差±1惑,因此,量化蔑誤差出又稱捎為±1誤差鉛或±1字誤宗差,又稱遵為計盟數誤口差。量化第誤差識的相膨對誤則差為?。?.觸發(fā)嘴誤差又稱察為變鄉(xiāng)豐換誤沈差:被測姜信號含在整隔形過莊程中,由于構整形摸電路兵本身杰觸發(fā)幕電平同的抖睛動或穩(wěn)者被湖測信欠號疊藝加有勤噪聲古和各棕種干倆擾信攀號等鋼原因,使得隔整形半后的浙脈沖商周期注不等梯于被笑測信煩號的捧周期,由此獲而產恨生的施誤差沒稱為觸發(fā)活誤差。如下陜頁圖植所示,電子僻計數鼠器測無量周忠期時,被測贈信號懇控制使門控漂電路蠅的工零作狀秩態(tài)而殘產生撐門控早信號.門控扯電路虧一般沸采用身施密靈特電雕路,當被紐奉測信帳號達嘉到施費密特這電路障觸發(fā)枯電平VB時(即A1點),門控除信號啦控制米閘門鑒打開,當被屋測信自號經碗過一踩個周馳期(設被斜測信約號未識被分感頻)再次鬼達到咬施密許特電生路觸害發(fā)電義平VB時(即A2點),門控層信號蜜控制待閘門跡關閉.當無米噪聲議和干胡擾信代號時,閘門錘開啟旦時間抬就等低于被也測信荷號的樸周期Tx.但疊夜加有孟噪聲串或干顆擾信白號時,閘門雨在A’1就打展開,而在A’2時才輩關閉,閘門障的開券啟時遲間變湖為T’x,顯然概不等友于被內測信壟號的協(xié)周期,這樣挑就產莖生了灰觸發(fā)膛誤差.式中,Un為噪攔聲或叢干擾辛信號雹的最屋大幅訂度,包括宏因觸幟發(fā)電孔平抖蟲動而鉤產生斜的影間響,一般毛可以告不考已慮觸由發(fā)電乏平抖永動或青漂移懼的影想響;Um為被搶測信仙號電卷壓幅奪度;Kf為B