時(shí)間頻率測(cè)量及調(diào)制域分析

時(shí)間頻率測(cè)量及調(diào)制域分析第1頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.1 概述5.1.1時(shí)間、頻率的基本概念

1）時(shí)間和頻率的定義

2）時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)

3）測(cè)量方法概述5.1.2電子計(jì)數(shù)器概述

1）電子計(jì)數(shù)器的分類(lèi)

2）主要技術(shù)指標(biāo)

3）電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展第2頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.1.1時(shí)間、頻率的基本概念

1）時(shí)間和頻率的定義◆時(shí)間有兩個(gè)含義：

“時(shí)刻”：即某個(gè)事件何時(shí)發(fā)生；

“時(shí)間間隔”：即某個(gè)時(shí)間相對(duì)于某一時(shí)刻持續(xù)了多久?！纛l率的定義：周期信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時(shí)間間隔T內(nèi)周期信號(hào)重復(fù)變化了N次，則頻率可表達(dá)為：f＝N/T◆時(shí)間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換。第3頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2)時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)◆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?！魷y(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?！糇詣?dòng)化程度高◆測(cè)量速度快第4頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）測(cè)量方法概述◆頻率的測(cè)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(cè)周期法模擬法頻率測(cè)量方法數(shù)字法電容充放電法電子計(jì)數(shù)器法第5頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月各種測(cè)量方法有著不同的實(shí)現(xiàn)原理，其復(fù)雜程度不同。各種測(cè)量方法有著不同的測(cè)量準(zhǔn)確度和適用的頻率范圍。數(shù)字化電子計(jì)數(shù)器法是時(shí)間、頻率測(cè)量的主要方法，是本章的重點(diǎn)。第6頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.1.2電子計(jì)數(shù)器概述1）電子計(jì)數(shù)器的分類(lèi)◆按功能可以分為如下四類(lèi)：（1）通用計(jì)數(shù)器：可測(cè)量頻率、頻率比、周期、時(shí)間間隔、累加計(jì)數(shù)等。其測(cè)量功能可擴(kuò)展。（2）頻率計(jì)數(shù)器：其功能限于測(cè)頻和計(jì)數(shù)。但測(cè)頻范圍往往很寬。（3）時(shí)間計(jì)數(shù)器：以時(shí)間測(cè)量為基礎(chǔ)，可測(cè)量周期、脈沖參數(shù)等，其測(cè)時(shí)分辨力和準(zhǔn)確度很高。（4）特種計(jì)數(shù)器:具有特殊功能的計(jì)數(shù)器。包括可逆計(jì)數(shù)器、序列計(jì)數(shù)器、預(yù)置計(jì)數(shù)器等。用于工業(yè)測(cè)控。第7頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）電子計(jì)數(shù)器的分類(lèi)按用途可分為：

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

第8頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）主要技術(shù)指標(biāo)（1）測(cè)量范圍：毫赫~幾十GHz。（2）準(zhǔn)確度：可達(dá)10-9以上。（3）晶振頻率及穩(wěn)定度：晶體振蕩器是電子計(jì)數(shù)器的內(nèi)部基準(zhǔn)，一般要求高于所要求的測(cè)量準(zhǔn)確度的一個(gè)數(shù)量級(jí)（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(dá)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(mén)時(shí)間(測(cè)頻)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。（6）時(shí)標(biāo)(測(cè)周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。（7）顯示：包括顯示位數(shù)及顯示方式等。第9頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展◆測(cè)量方法的不斷發(fā)展：模擬數(shù)字技術(shù)智能化?！魷y(cè)量準(zhǔn)確度和頻率上限是電子計(jì)數(shù)器的兩個(gè)重要指標(biāo)，電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展體現(xiàn)了這兩個(gè)指標(biāo)的不斷提高及功能的擴(kuò)展和完善?！衾樱骸裢ǖ溃簝蓚€(gè)225MHz通道，也可 選擇第三個(gè)12.4GHz通道。●每秒12位的頻率分辨率、150ps的時(shí)間間隔分辨率?！駵y(cè)量功能：包括頻率、頻率比、時(shí)間間隔、上升時(shí)間、下降時(shí)間、相位、占空比、正脈沖寬度、負(fù)脈沖寬度、總和、峰電壓、時(shí)間間隔平均和時(shí)間間隔延遲?！裉幚砉δ埽浩骄怠⒆钚≈?、最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。第10頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn)5.2.1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)5.2.2石英晶體振蕩器

1）組成

2）指標(biāo)第11頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.1時(shí)間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn)1）天文時(shí)標(biāo)◆原始標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有恒定不變性?！纛l率和時(shí)間互為倒數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)具有一致性?！艉暧^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?！羰澜鐣r(shí)（UT,UniversalTime）:以地球自轉(zhuǎn)周期(1天)確定的時(shí)間，即1/(24×60×60)=1/86400為1秒。其誤差約為10－7量級(jí)。

第12頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）天文時(shí)標(biāo)◆為世界時(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(lèi)世界時(shí)（UT0）：以平太陽(yáng)的子夜0時(shí)為參考。第一類(lèi)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(lèi)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3×10－8

。歷書(shū)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31556925.9747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)確度達(dá)1×10－9

。于1960年第11屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)接受為“秒”的標(biāo)準(zhǔn)。第13頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）原子時(shí)標(biāo)◆基于天文觀測(cè)的宏觀標(biāo)準(zhǔn)用于測(cè)試計(jì)量中的不足設(shè)備龐大、操作麻煩；觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)；準(zhǔn)確度有限。◆原子時(shí)標(biāo)（AT）的量子電子學(xué)基礎(chǔ) 原子（分子）在能級(jí)躍遷中將吸收(低能級(jí)到高能級(jí))或輻射（高能級(jí)到低能級(jí)）電磁波，其頻率是恒定的。

hfn-m=En-Em

式中，h=6.6252×10-27為普朗克常數(shù)，En、Em為受激態(tài)的兩個(gè)能級(jí)，fn-m為吸收或輻射的電磁波頻率。第14頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）原子時(shí)標(biāo)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)5×10-14(相當(dāng)于64萬(wàn)年±1秒)，并仍在提高。協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）原子時(shí)標(biāo)與天文時(shí)標(biāo)各有其用處用原子時(shí)標(biāo)對(duì)天文時(shí)標(biāo)進(jìn)行修正得到UTC第15頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2石英晶體振蕩器電子計(jì)數(shù)器內(nèi)部時(shí)間、頻率基準(zhǔn)采用石英晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱(chēng)“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。第16頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）指標(biāo)◆晶體振蕩器的主要指標(biāo)有:

輸出頻率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波動(dòng):2×10-10

；日老化:1×10-10；秒穩(wěn):5×10-12。 輸出波形:正弦波；輸出幅度:0.5Vrms(負(fù)載50Ω)。◆幾種不同類(lèi)型的晶體振蕩器指標(biāo)

晶振類(lèi)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(bǔ)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10-8第17頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.3時(shí)間和頻率的測(cè)量原理5.3.1模擬測(cè)量原理

1）直接法

2）比較法5.3.2數(shù)字測(cè)量原理

1）門(mén)控計(jì)數(shù)法測(cè)量原理

2）通用計(jì)數(shù)器的基本組成第18頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.3.2數(shù)字測(cè)量原理1）門(mén)控計(jì)數(shù)法測(cè)量原理◆時(shí)間、頻率量的特點(diǎn)

頻率是在時(shí)間軸上無(wú)限延伸的，因此，對(duì)頻率量的測(cè)量需確定一個(gè)取樣時(shí)間T，在該時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的周期累加計(jì)數(shù)(若計(jì)數(shù)值為N)，根據(jù)fx=N/T得到頻率值。

為實(shí)現(xiàn)時(shí)間（這里指時(shí)間間隔）的數(shù)字化測(cè)量，需將被測(cè)時(shí)間按盡可能小的時(shí)間單位（稱(chēng)為時(shí)標(biāo)）進(jìn)行量化，通過(guò)累計(jì)被測(cè)時(shí)間內(nèi)所包含的時(shí)間單位數(shù)（計(jì)數(shù)）得到?！魷y(cè)量原理

將需累加計(jì)數(shù)的信號(hào)（頻率測(cè)量時(shí)為被測(cè)信號(hào)，時(shí)間測(cè)量時(shí)為時(shí)標(biāo)信號(hào)），由一個(gè)“閘門(mén)”（主門(mén)）控制，并由一個(gè)“門(mén)控”信號(hào)控制閘門(mén)的開(kāi)啟（計(jì)數(shù)允許）與關(guān)閉（計(jì)數(shù)停止）。第19頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.3.2數(shù)字測(cè)量原理

閘門(mén)可由一個(gè)與（或“或”）邏輯門(mén)電路實(shí)現(xiàn)。這種測(cè)量方法稱(chēng)為門(mén)控計(jì)數(shù)法。其原理如下圖所示。 上圖為由“與”邏輯門(mén)作為閘門(mén)，其門(mén)控信號(hào)為‘1’時(shí)閘門(mén)開(kāi)啟（允許計(jì)數(shù)），為‘0’時(shí)閘門(mén)關(guān)閉（停止計(jì)數(shù)）。◆測(cè)頻時(shí)，閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間（稱(chēng)為“閘門(mén)時(shí)間”）即為采樣時(shí)間。

測(cè)時(shí)間（間隔）時(shí)，閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間即為被測(cè)時(shí)間。第20頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用電子計(jì)數(shù)器的組成框圖如下圖所示：第21頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用計(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)數(shù)的脈沖信號(hào)。 通過(guò)預(yù)定標(biāo)器（分頻器）還可擴(kuò)展頻率測(cè)量范圍。主門(mén)電路：完成計(jì)數(shù)的閘門(mén)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(mén)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。第22頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.4電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能5.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成

1）A、B輸入通道

2）主門(mén)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5.4.2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）自檢第23頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月放大整形電路閘門(mén)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器顯示器晶振分頻器門(mén)控電路邏輯控制電路A輸入工作波形：放大整形電路：二極管限幅寬帶放大器整形施密特觸發(fā)器至主門(mén)T工作過(guò)程：寄存第24頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）A、B輸入通道◆作用：它們主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)（包括出發(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）的脈沖信號(hào)。

通過(guò)預(yù)定標(biāo)器（外插件）還可擴(kuò)展頻率測(cè)量范圍。◆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。（遲滯比較特性）第25頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）A、B輸入通道通道組合可完成不同的測(cè)量功能：被計(jì)數(shù)的信號(hào)（常從A通道輸入）稱(chēng)為計(jì)數(shù)端；控制閘門(mén)開(kāi)啟的信號(hào)通道（常從B、C通道輸入）稱(chēng)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(mén)信號(hào)；被測(cè)信號(hào)(Tx)等；序號(hào)計(jì)數(shù)端信號(hào)控制端信號(hào)測(cè)試功能計(jì)數(shù)結(jié)果1內(nèi)時(shí)鐘（T0）內(nèi)時(shí)鐘（T）自檢N=T/T02被測(cè)信號(hào)（fx）內(nèi)時(shí)鐘（T）測(cè)量頻率（A）fx＝N/T3內(nèi)時(shí)鐘（T0）被測(cè)周期（Tx）測(cè)量周期（B）Tx＝NT04被測(cè)信號(hào)（fA）被測(cè)信號(hào)（fB）測(cè)量頻率比（A/B）fA/fB=N5內(nèi)時(shí)鐘（T0）被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量時(shí)間間隔（A-B）tB-C=NT06外輸入（TA）被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量外控時(shí)間間隔B-CtB-C=NTA7外待測(cè)信號(hào)（Nx）手控或遙控累加計(jì)數(shù)（A）Nx＝N8內(nèi)時(shí)鐘（秒信號(hào)）手控或遙控計(jì)時(shí)N（秒）第26頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）主門(mén)電路◆功能：主門(mén)也稱(chēng)為閘門(mén)，通過(guò)“門(mén)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)定的“閘門(mén)時(shí)間”之內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)。◆電路：由“與門(mén)”或“或門(mén)”構(gòu)成。其原理如下圖：◆由“與門(mén)”構(gòu)成的主門(mén)，其“門(mén)控信號(hào)”為‘1’時(shí)，允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)；由“或門(mén)”構(gòu)成的主門(mén)，其“門(mén)控信號(hào)”為‘0’時(shí)，允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)。◆“門(mén)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)。第27頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）計(jì)數(shù)與顯示電路◆功能：計(jì)數(shù)電路對(duì)通過(guò)主門(mén)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?！粲?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?！舨煌娐肪哂胁煌墓ぷ魉俣龋喝?4LS（74HC）系列為30~40MHz；74S系列為100MHz；CMOS電路約5MHz；ECL電路可達(dá)600MHz。第28頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）計(jì)數(shù)與顯示電路類(lèi)型：?jiǎn)纹膳c可編程計(jì)數(shù)器單片集成的中小規(guī)模IC如：74LS90（MC11C90）十進(jìn)制計(jì)數(shù)器；74LS390、CD4018(MC14018)為雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器?？删幊逃?jì)數(shù)器IC如：Intel8253/8254等。顯示器LED、LCD、熒光（VFD）等。顯示電路：包括鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)電路。如74LS47、CD4511等。專(zhuān)用計(jì)數(shù)與顯示單元電路：如ICM7216D。第29頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）時(shí)基產(chǎn)生電路◆功能：產(chǎn)生測(cè)頻時(shí)的“門(mén)控信號(hào)”（多檔閘門(mén)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）?！魧?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。再通過(guò)門(mén)控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門(mén)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(mén)控雙穩(wěn)態(tài)電路得 到寬度為T(mén)s=1s的 門(mén)控信號(hào)。第30頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）時(shí)基產(chǎn)生電路◆要求：標(biāo)準(zhǔn)性：“門(mén)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(mén)時(shí)間”和“時(shí)標(biāo)”可多檔選擇。常用“閘門(mén)時(shí)間”有：1ms、10ms、100ms、1s、10s。常用的“時(shí)標(biāo)”有：10ns、100ns、1us、10us、100us、1ms。第31頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5）控制電路◆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)。如下圖所示：準(zhǔn)備期（復(fù)零，等待）

測(cè)量期（開(kāi)門(mén)，計(jì)數(shù)）

顯示期（關(guān)門(mén)，停止計(jì)數(shù)）第32頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能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(mén)內(nèi)的周期數(shù)。采樣時(shí)間T預(yù)先由閘門(mén)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)量的比較法測(cè)量原理?！衾纾洪l門(mén)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(mén)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）。第33頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）頻率測(cè)量原理框圖和工作波形圖（fx由A通道輸入，內(nèi)部時(shí)基）為便于測(cè)量和顯示，計(jì)數(shù)器通常為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，多檔閘門(mén)時(shí)間設(shè)定為10的冪次方，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，就可自動(dòng)得到被測(cè)頻率。測(cè)量速度與分辨力：閘門(mén)時(shí)間Ts為頻率測(cè)量的采樣時(shí)間，Ts愈大，則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng)，但計(jì)數(shù)值N愈大，分辨力愈高。TB放大、整形閘門(mén)門(mén)控電路計(jì)數(shù)顯示Afx分頻電路時(shí)基Ts第34頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能2）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。 據(jù)此，若要測(cè)量fA對(duì)fB的頻率比（假設(shè)fA>fB），只要用fB的周期TB作為閘門(mén)，在TB時(shí)間內(nèi)對(duì)fA作周期計(jì)數(shù)即可?！舴椒ǎ篺A對(duì)fB分別由A、B兩通道輸入，如下圖。

第35頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆注意：頻率較高者由A通道輸入，頻率較低者由B通道輸入?！籼岣哳l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(mén)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)。2）頻率比的測(cè)量第36頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）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)”）去量化，由Tx所包含的“時(shí)標(biāo)”數(shù)N即可得到Tx。即 該式表明，“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?！魧?shí)現(xiàn)：由Tx得到閘門(mén)；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(kāi)）。5.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能第37頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆原理框圖：◆例如：時(shí)標(biāo)T0=1us，若計(jì)數(shù)值N=10000，則顯示的Tx為“10000”us，或“10.000”ms。如時(shí)標(biāo)T0=10us，則計(jì)數(shù)值N=1000，顯示的Tx為“10.00”ms。請(qǐng)注意：顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義，它表示了周期測(cè)量的分辨力（應(yīng)等于時(shí)標(biāo)T0

）。為便于顯示，多檔時(shí)標(biāo)設(shè)定為10的冪次方?！魷y(cè)量速度與分辨力：一次測(cè)量時(shí)間即為一個(gè)周期Tx，Tx愈大(頻率愈低)則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng)；計(jì)數(shù)值N與時(shí)標(biāo)有關(guān)，時(shí)標(biāo)愈小分辨力愈高。3）周期的測(cè)量第38頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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?！魞蓚€(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)?！?/p>

測(cè)量方法：由兩個(gè)事件觸發(fā)得到起始信號(hào)和終止信號(hào)，經(jīng)過(guò)門(mén)控雙穩(wěn)態(tài)電路得到“門(mén)控信號(hào)”，門(mén)控時(shí)間即為被測(cè)的時(shí)間間隔。在門(mén)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）。 5.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能第39頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）時(shí)間間隔的測(cè)量原理框圖 欲測(cè)量時(shí)間間隔的起始、終止信號(hào)分別由B、C通道輸入。時(shí)標(biāo)由機(jī)內(nèi)提供。如下圖。第40頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆

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起始停止開(kāi)門(mén)時(shí)間C＋(50%)B＋(50%)起始停止開(kāi)門(mén)時(shí)間VBVcB＋(50%)C-(50%)(50%)－B+(50%)

C+(50%)

－(50%)

C＋(90%)閘門(mén)信號(hào)關(guān)門(mén)信號(hào)開(kāi)門(mén)信號(hào)B＋(10%)4）時(shí)間間隔的測(cè)量第41頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）時(shí)間間隔的測(cè)量相位差的測(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。測(cè)量原理如下圖：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，則第42頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能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(mén)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=10000?！糇詸z不能檢測(cè)內(nèi)部基準(zhǔn)源。放大、整形晶振放大、整形閘門(mén)計(jì)數(shù)器顯示門(mén)控電路分頻電路T0Tx第43頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.5電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差5.5.1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5.5.2頻率測(cè)量的誤差分析

1）誤差表達(dá)式；2）量化誤差的影響；

3）實(shí)例分析5.5.3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 第44頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源1）量化誤差◆什么是量化誤差：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(chēng)為“±1誤差”，它是所有數(shù)字化儀器都存在的誤差?！舢a(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(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間與被測(cè)信號(hào)不同步引起（亦即開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)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(mén)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻有一部分時(shí)間零頭沒(méi)有被計(jì)算在內(nèi)而造成的測(cè)量誤差?！粝聢D為頻率測(cè)量時(shí)量化誤差的示意圖。第45頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）量化誤差如圖，對(duì)同一被測(cè)信號(hào)，在相同的閘門(mén)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fx應(yīng)為 式中， 即，或 因此，量化誤差的影響相當(dāng)于計(jì)數(shù)值N的“±”個(gè)字。◆是隨機(jī)的，它們服從均勻分布，其差值 則服從三角分布。第46頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源2）觸發(fā)誤差◆什么是觸發(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(mén)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(chēng)為“觸發(fā)誤差”，也稱(chēng)為“轉(zhuǎn)換誤差”?！羧鐖D。周期為T(mén)x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’。第47頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源3）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 機(jī)內(nèi)時(shí)基（閘門(mén)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。第48頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.5.2頻率測(cè)量的誤差分析1）誤差表達(dá)式◆由頻率測(cè)量表達(dá)式：fx=N/Ts=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(xiě)成：第49頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）誤差表達(dá)式誤差曲線分析：誤差曲線直觀地表示了測(cè)頻誤差與被測(cè)頻率fx和閘門(mén)時(shí)間Ts的關(guān)系。fx愈大則誤差愈小，閘門(mén)時(shí)間愈大誤差也愈小，并且，測(cè)頻誤差以標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為極限。第50頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.5.2頻率測(cè)量的誤差分析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：增大閘門(mén)時(shí)間Ts或在相同的閘門(mén)時(shí)間內(nèi)測(cè)量較高的頻率可得到較大的N?！舻枳⒁猓涸龃箝l門(mén)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(mén)測(cè)量fx=1MHz時(shí),應(yīng)顯示“1000000.0”Hz或1.0000000”MHz,顯然溢出。第51頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.5.2頻率測(cè)量的誤差分析3）實(shí)例分析[例]被測(cè)頻率fx＝1MHz，選擇閘門(mén)時(shí)間Ts＝1s，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±1×10－7，但測(cè)量時(shí)間將延長(zhǎng)10倍。注意：該例中，當(dāng)選擇閘門(mén)時(shí)間Ts＝1s時(shí)，要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差優(yōu)于±1×10－7（即比量化誤差低一個(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。第52頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.5.3周期測(cè)量的誤差分析1）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：

所以，第53頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.5.3周期測(cè)量的誤差分析2）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愈大（被測(cè)信號(hào)的頻率愈低），則量化誤差愈小，其意義為T(mén)x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。 此外，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。第54頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.5.3周期測(cè)量的誤差分析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fx愈高，則量化誤差愈大。 可見(jiàn)，在測(cè)頻與測(cè)周之間，存在一個(gè)中界頻率fm， 當(dāng)fx>fm時(shí)，應(yīng)采用測(cè)頻；當(dāng)fx<fm時(shí)，應(yīng)采用測(cè)周方案?！糁薪珙l率fm的確定 量化誤差取決于計(jì)數(shù)值N，測(cè)頻時(shí);測(cè)周時(shí)。 令兩式相等，并用Tm表示Tx： 于是，有：或例：若Ts=1s,T0=1us，則fm=1kHz,在該頻率上,測(cè)頻與測(cè)周的量化誤差相等。第55頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.5.3周期測(cè)量的誤差分析4）觸發(fā)誤差◆頻率測(cè)量時(shí)觸發(fā)誤差的影響 ●尖峰脈沖的干擾 如圖，尖峰脈沖只 引起觸發(fā)點(diǎn)的改變， 對(duì)測(cè)頻影響不大。

●高頻疊加干擾

如圖，產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。 ●措施

增大觸發(fā)窗或減小信號(hào)幅度；

輸入濾波。

第56頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆周期測(cè)量時(shí)觸發(fā)誤差的影響●尖峰脈沖

周期測(cè)量時(shí)，尖峰脈沖的干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常嚴(yán)重。如圖，測(cè)量誤差為：●分析

設(shè)輸入為正弦波：,干擾幅度為Vn。對(duì)觸發(fā)點(diǎn)A1作切線ab，其斜率為

則，

可見(jiàn)，愈大，即觸發(fā)點(diǎn)愈陡峭，誤差愈小。4）觸發(fā)誤差第57頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）觸發(fā)誤差進(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(kāi)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。第58頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.6.1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5.6.2模擬內(nèi)插法

1）內(nèi)插法原理；

2）時(shí)間擴(kuò)展電路5.6.3游標(biāo)法5.6高分辨時(shí)間和頻率測(cè)量技術(shù)第59頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.6.1多周期同步測(cè)量技術(shù)1）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(mén)與被測(cè)信號(hào)的非同步引起的。為減小量化誤差，必須使閘門(mén)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(mén)，用fx對(duì)預(yù)置閘門(mén)同步，在實(shí)際的同步閘門(mén)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(mén)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。第60頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）多周期同步法●工作波形如圖，同步閘門(mén)時(shí)間T’s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(mén)（軟件發(fā)出），計(jì)算頻率結(jié)果?？蓪?shí)現(xiàn)不同閘門(mén)時(shí)間內(nèi)的等精度測(cè)量。第61頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）多周期同步法◆多周期測(cè)周基本測(cè)周模式下，閘門(mén)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)量的影響，利用的隨機(jī)性，可由多個(gè)周期構(gòu)成閘門(mén)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(mén)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。第62頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10T’x△T1△T210TxTx1Tx10△T2TxA’1A1VnA’2A2A’9A9A’10A102）多周期同步法●誤差表達(dá)式：式中，m為周期倍乘數(shù)。第63頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.6.2模擬內(nèi)插法一般時(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)。如下圖所示， 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。第64頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.6.2模擬內(nèi)插法1）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)標(biāo)計(jì)數(shù)法”難以實(shí)現(xiàn)（需要非常小的時(shí)標(biāo)）。其實(shí)現(xiàn)的基本思路是：對(duì)T1和T2作時(shí)間擴(kuò)展（放大）后測(cè)量。三次測(cè)量 若T1、T2均擴(kuò)展k倍， 采用同一個(gè)時(shí)標(biāo)（設(shè)為）分別測(cè)量T0、kT1、kT2，設(shè)計(jì)數(shù)值分別為：N0、N1、N2， 則：意義：上式由于不存在量化誤差，總量化誤差由(N1-N2)引起，降低了k倍。相當(dāng)于用時(shí)標(biāo)的普通時(shí)間測(cè)量。第65頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.6.2模擬內(nèi)插法2）時(shí)間擴(kuò)展電路◆時(shí)間擴(kuò)展電路 如下圖所示：◆工作原理 以恒流源對(duì)電容器C充電，設(shè)充電時(shí)間為T(mén)1，而以(k-1)T1（可近似為kT1）時(shí)間緩慢放電，當(dāng)放電到原電平時(shí)，所經(jīng)歷的時(shí)間為：T1’=T1+(k-1)T1=kT1，即得到T1的k倍時(shí)間擴(kuò)展。在kT1時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)。第66頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆例如，擴(kuò)展器控制的開(kāi)門(mén)時(shí)間為T(mén)1的1000倍(k取999)，即： T’1＝T1＋999T1＝1000T1在T’1時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)得N1，則類(lèi)似地： T’2＝T2＋999T2＝1000T2在T’2時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)得N2，則于是：內(nèi)插后測(cè)量分辨力提高了1000倍?！粜?zhǔn)技術(shù)內(nèi)插擴(kuò)展技術(shù)可大大提高測(cè)時(shí)分辨力,但測(cè)量前需進(jìn)行校準(zhǔn)。5.6.2模擬內(nèi)插法第67頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.6.3游標(biāo)法1）游標(biāo)法的原理◆數(shù)字式游標(biāo)法實(shí)現(xiàn)的原理和游標(biāo)卡尺的原理相似，是利用相差很微小的兩個(gè)量，對(duì)其量化單位以下的差值進(jìn)行多次的疊加，直到疊加的值達(dá)到一個(gè)量化單位為止，通過(guò)相關(guān)的計(jì)算便可以獲得較精確的差值。 ◆設(shè)主時(shí)鐘頻率F01＝1/T01和游標(biāo)時(shí)鐘F02＝1/T02。F01>F02(T01<T02)且F01和F02非常接近。即差值ΔT0=T02－T01很小。 如T01=10ns，T02=11ns，則ΔT0=T02－T01=1ns。◆雙游標(biāo)法的工作原理 如下圖。第68頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.6.3游標(biāo)法◆如圖，設(shè)開(kāi)門(mén)與關(guān)門(mén)時(shí)的兩個(gè)“零頭時(shí)間”為,開(kāi)門(mén)后同時(shí)啟動(dòng)主計(jì)數(shù)器和游標(biāo)脈沖1計(jì)數(shù)，由于T02>T01，設(shè)經(jīng)過(guò)N1個(gè)計(jì)數(shù)值后,游標(biāo)脈沖與主脈沖重合(圖中符合點(diǎn)1)。此時(shí)：即：第69頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.6.3游標(biāo)法同樣，在關(guān)門(mén)時(shí)(主時(shí)鐘計(jì)數(shù)停止)啟動(dòng)游標(biāo)脈沖2開(kāi)始計(jì)數(shù)，由于T02>T01，設(shè)經(jīng)過(guò)N2個(gè)計(jì)數(shù)值后，游標(biāo)脈沖與主脈沖重合(圖中符合點(diǎn)2)。此時(shí)，有：則，被測(cè)時(shí)間間隔為：定義擴(kuò)展系數(shù)K， 則游標(biāo)時(shí)鐘周期用K可表示為： 而 于是，被測(cè)時(shí)間間隔可寫(xiě)成： 可見(jiàn)，數(shù)字游標(biāo)法將測(cè)時(shí)分辨力由T01提高到了T01/K。第70頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.7微波頻率測(cè)量技術(shù)5.7.1變頻法

1）變頻法原理

2）組成框圖5.7.2置換法

1）置換法原理

2）組成框圖

第71頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.7微波頻率測(cè)量技術(shù)

通用電子計(jì)數(shù)器受內(nèi)部計(jì)數(shù)器等電路的工作速度的限制，對(duì)輸入信號(hào)直接計(jì)數(shù)存在最高計(jì)數(shù)頻率的限制。 中速計(jì)數(shù)器采用“預(yù)定標(biāo)器”（由ECL電路構(gòu)成的分頻器），將輸入信號(hào)進(jìn)行分頻后，再由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 對(duì)于幾十GHz的微波計(jì)數(shù)器，主要采用變頻法和置換法將輸入微波頻率信號(hào)變換成可直接計(jì)數(shù)的中頻。5.7.1變頻法1）變頻法原理 變頻法（或稱(chēng)外差法）是將被測(cè)微波信號(hào)經(jīng)差頻變換成頻率較低的中頻信號(hào)，再由電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)?！糇冾l法的原理框圖如下。

第72頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

電子計(jì)數(shù)器主機(jī)內(nèi)送出的標(biāo)準(zhǔn)頻率fs，經(jīng)過(guò)諧波發(fā)生器產(chǎn)生高次諧波，再由諧波濾波器選出所需的諧波分量Nfs，它與被測(cè)信號(hào)fx混頻出差頻fI。若由電子計(jì)數(shù)器測(cè)出fI，則被測(cè)頻率fx為

：為適應(yīng)fx的變化，諧波濾波器應(yīng)能夠選出合適的諧波分量Nfs?；祛l器差頻放大器電子計(jì)數(shù)器諧波濾波器諧波發(fā)生器輸入fxfIfs5.7.1變頻法第73頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.7.1變頻法2）組成框圖自動(dòng)變頻式微波計(jì)數(shù)器的原理方框圖如下圖所示。

混頻器差頻放大器電子計(jì)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）第74頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.7.1變頻法工作原理諧波發(fā)生器：輸入為計(jì)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)fs。采用階躍恢復(fù)二極管，以產(chǎn)生豐富的諧波Nfs。諧波濾波器：采用YIG（單晶鐵氧體材料）電調(diào)諧濾波器，其諧振頻率可在很寬范圍實(shí)現(xiàn)電調(diào)。掃描捕獲電路：產(chǎn)生階梯波電流，控制YIG的外加磁場(chǎng)，使YIG的諧振頻率從低到高步進(jìn)式地改變，從而可逐次選出不同的各次諧波。差頻放大器、檢波器：當(dāng)諧波濾波器輸出的某次諧波Nfs與待測(cè)頻率fx的差頻fI（＝fx－Nfs）落在差頻放大器的帶寬（1～101MHz）范圍內(nèi)時(shí)，fI經(jīng)放大、檢波后輸出一直流電壓，使掃描捕獲電路停止掃描，因而YIG固定地調(diào)諧在N次諧波上。第75頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.7.1變頻法微波計(jì)數(shù)器的顯示當(dāng)YIG調(diào)諧成功（選擇的諧波分量Nfs被確定）后，控制電路直接將Nfs在高位上顯示。而fI=fx-Nfs則由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并顯示在Nfs位之后。 這樣，便得到fx=Nfs+fI。例如：若fx=1234.567890MHz，標(biāo)準(zhǔn)頻率fs=100MHz。 則YIG應(yīng)調(diào)諧在N=12次諧波上，即Nfs=1200MHz，高位直接顯示“12”。 計(jì)數(shù)器再對(duì)差頻信號(hào)fI=fx-Nfs=34.567890MHz計(jì)數(shù)， 最后顯示為“12

34.567890”MHz。變頻法特點(diǎn)：諧波Nfs幅度低，靈敏度低，但分辨力高。第76頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.7.2置換法1）置換法原理利用一個(gè)頻率較低的置換振蕩器的N次諧波，與被測(cè)微波頻率fx進(jìn)行分頻式鎖相，從而把fx轉(zhuǎn)換到較低的頻率fL（通常為100MHz以下）。原理框圖如下：當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，有：

式中，fs為已知的標(biāo)準(zhǔn)頻率，計(jì)數(shù)器直接對(duì)fL計(jì)數(shù)，但為得到fx，還需確定N值?；祛l器壓控振蕩器電子計(jì)數(shù)器鑒相器fx-NfLfsfLNfL第77頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.7.2置換法2）組成方框圖全自動(dòng)置換法微波計(jì)數(shù)器的方框圖如下圖所示。

第78頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.7.2置換法工作原理主通道：fx與fL的N次諧波NfL經(jīng)混頻器A，由差頻放大器取出fI=fx-NfL，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)：fI=fx-NfL=fs。即有：fx=NfL+fs。fL由計(jì)數(shù)器直接計(jì)數(shù)。輔助通道：用于確定N。fL與標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器(F0=1kHz)經(jīng)混頻器C得到差頻：fL-F0，其N(xiāo)次諧波與fx經(jīng)混頻器B，由差頻放大器取出f’I=fx-N(fL-F0)=fs-NF0。再經(jīng)過(guò)混頻器D得到NF0

，它與F0經(jīng)“與門(mén)”后得到N。時(shí)基擴(kuò)展器：為得到NfL的計(jì)數(shù)值，將閘門(mén)時(shí)間擴(kuò)展N倍后對(duì)fL計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值相當(dāng)于原閘門(mén)內(nèi)對(duì)NfL計(jì)數(shù)。fx的顯示：由fx=NfL+fs，將fs預(yù)置后與NfL計(jì)數(shù)值顯示。置換法特點(diǎn)：鎖相環(huán)路增益高，靈敏度高，分辨力較差。第79頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.8時(shí)頻測(cè)量技術(shù)5.8.1調(diào)制域測(cè)量

1）調(diào)制域測(cè)量

2）調(diào)制域測(cè)量的意義5.8.2時(shí)頻測(cè)量原理

1）瞬時(shí)頻率測(cè)量原理

2）無(wú)間隔計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)3）提高測(cè)量速度與分辨力的方法4）調(diào)制域分析的應(yīng)用5）發(fā)展動(dòng)態(tài)第80頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.8.1調(diào)制域測(cè)量1）調(diào)制域測(cè)量◆時(shí)域與頻域分析的局限性 一個(gè)實(shí)際的信號(hào)可以從時(shí)域和頻域進(jìn)行描述和分析，時(shí)域分析可以了解信號(hào)波形（幅值）隨時(shí)間的直觀變化；頻域分析則可以了解信號(hào)中所含頻譜分量，但是，卻不能把握各頻譜分量在何時(shí)出現(xiàn)?！粽{(diào)制域概念 在通信等領(lǐng)域中，各種復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)越來(lái)越多地被人們使用，因而，常常需要了解信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化，以便對(duì)調(diào)制信號(hào)等進(jìn)行有效分析——即調(diào)制域分析。

調(diào)制域即指由頻率軸(F)和時(shí)間軸(T)共同構(gòu)成的平面域。第81頁(yè)，課件共93頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.8.1調(diào)制域測(cè)量下圖所示描述了同一信號(hào)在時(shí)域（V-T）、頻域（V-F）、調(diào)制域（F-T）的特性?！粽{(diào)制域分析儀能夠完