第7章 频率和时间测量与仪器Word文档下载推荐.docx

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2.电桥法

凡是平衡条件与频率有关的任何电桥都可用来测频，但要求电桥的频率特性尽可能尖锐。

测频电桥的种类很多，常用的有文氏电桥、谐振电桥和双T电桥，部分内容参看有关书籍。

3.频率-电压变换法

频率-电压变换法测频就是先把频率变换为电压或电流，然后以频率刻度的电压表或电流表来指示被测频率。

图7.2（a）

为频率-电压变换法测正弦波频率原理框图。

首先把正弦信号变换为频率与之相等的尖脉冲uA，然后加至单稳多谐振荡器，产生频率为fx、宽度为τ、幅度为Um的矩形脉冲列uB（t），如图7.2（b）所示。

经推导得知：

可见，当Um、τ一定时，Uo指示就构成频率—电压变换型直读式频率计，电压表直接按频率刻度。

该频率计最高频率可达几兆赫。

7.1.2比较法

有源比较测频法主要包括拍频法和差频法。

1.拍频法

拍频法是将被测信号与标准信号经线性元件（如耳机、电压表）直接进行叠加来实现频率测量的，其原理电路如图7.3所示。

当两个音频信号逐渐靠近时，耳机中可以听到两个高低不同的音调。

当这两个频率靠近到差值不到4～6Hz时，就只能听到一个近于单一音调的声音，这时，声音的响度作周期性的变化，再观察电压表，会发现指针在有规律地来回摆动，示波器上则可得到如图7.3（b）所示的波形。

拍频法通常只用于音频的测量，而不宜用于高频测量。

2.差频法

高频段测频常用差频法测量。

差频法是利用非线性器件和标准信号对被测信号进行差频变换来实现频率测量的，其工作原理如图7.4所示。

fx和fs两个信号经混频器混频和滤波器滤波后输出二者的差频信号，该差频信号落在音频信号范围内，调节标准信号频率，当耳机中听不到声音时，表明两个信号频率近似相等。

7.2电子计数器概述

7.2.1分类

按其测试功能的不同，电子计数器分为以下几类：

（1）通用电子计数器

通用电子计数器即多功能电子计数器。

它可以测量频率、频率比、周期、时间间隔及累加计数等，通常还具有自检功能。

（2）频率计数器

频率计数器是指专门用于测量高频和微波频率的电子计数器，它具有较宽的频率范围。

（3）计算计数器

计算计数器是指一种带有微处理器、能够进行数学运算、求解复杂方程式等功能的电子计数器。

（4）特种计数器

特种计数器是指具有特殊功能的电子计数器。

如可逆计数器、预置计数器、程序计数器和差值计数器等，它们主要用于工业生产自动化，尤其在自动控制和自动测量方面。

本章主要讨论通用电子计数器。

7.2.2基本组成

如图7.5所示为通用电子计数器组成框图，主要由输入通

道、计数显示电路、标准时间产生电路和逻辑控制电路组成。

（1）输入通道

输入通道即输入电路，其作用是接受被测信号，并对被测信号进行放大整形，然后送入闸门（即主门或信号门）。

输入通道通常包括A、B两个独立的单元电路。

A通道是计数脉冲信号的通道。

它对输入信号进行放大整形、变换，输出计数脉冲信号。

计数脉冲信号经过闸门进入十进制计数器，是十进制计数器的触发脉冲源。

B通道是闸门时间信号的通道，用于控制闸门的开启和关闭。

输入信号经整形后用来触发门控电路（双稳态触发器）使其状态翻转，以一个脉冲开启闸门，而以随后的一个脉冲关闭闸门，两脉冲的时间间隔为闸门时间。

在此期间，十进制计数器对经过A通道的计数脉冲进行计数。

为保证信号能够

在一定的电平时触发，输入端可以对输入信号的电平进行连续调节，并且可以任意选择所需的触发脉冲极性。

有的通用计数器闸门时间信号通道有B、C两个通道。

B通道用作门控电路的启动通道，使门控电路状态翻转；

C通道用作门控电路停止通道，使其复原。

（2）计数显示电路

计数显示电路是一个十进制计数显示电路，用于对通过闸门的脉冲（即计数脉冲）进行计数，并以十进制方式显示计数结果。

（3）标准时间产生电路

标准时间信号由石英晶体振荡器提供，作为电子计数器的内部时间基准。

测量周期（测周）时，标准时间信号经过

放大整形和倍频（或分频），用作测量周期或时间的计数脉冲，称为时标信号；

测频时，标准时间信号经过放大整形和一系列分频，用作控制门控电路的时基信号，时基信号经过门控电路形成门控信号。

（4）逻辑控制电路

逻辑控制电路产生各种控制信号，用于控制电子计数器各单元电路的协调工作。

每一次测量的工作程序一般是：

准备→计数→显示→复零→准备下次测量等。

7.2.3主要技术指标

1.测试功能

测试功能即仪器所具备的测试功能，如测频、测周等。

2.测量范围

测量范围即仪器的有效测量范围，如测频时的频率上限和下限，测周时的周期最大值和最小值。

3.输入特性

（1）输入耦合方式

输入耦合方式有AC和DC两种方式。

AC耦合是指选择输入端交流成分加到电子计数器。

DC耦合即直接耦合，输入端信号直接加到电子计数器上。

（2）触发电平及其可调范围

B、C通道用于控制门控电路的工作状态，只有被测信号达到一定的触发电平时，门控电路的状态才能翻转，闸门才能适时地开启关闭，从而测出时间间隔等参量。

因此，触发电平必须连续可调、具备一定的可调范围。

（3）输入灵敏度

输入灵敏度是为保证仪器准确完成测试功能所需的最小输入电压。

（4）最高输入电压

最高输入电压即允许输入的最大电压，超过该电压仪器不能正常工作，甚至损坏。

（5）输入阻抗

输入阻抗包括输入电阻和输入电容。

4.测量准确度

测量准确度常用测量误差来表示。

5.闸门时间和时标

闸门时间和时标由标准时间电路产生的信号决定。

可以提供的闸门时间和时标信号有多种。

6.显示及工作方式

（1）显示位数

显示位数是指可以显示的数字位数。

（2）显示时间

显示时间是指两次测量之间显示结果的时间，一般可调。

（3）显示器件

显示器件是指显示测量结果或测量状态的器件，如数码管、发光管、液晶显示器等。

（4）显示方式

显示方式有记忆显示和非记忆显示两种方式。

记忆显示只显示最终结果，不显示正在计数的过程，实际显示的数字是刚结束的一次测量结果，显示的数字保留至下一次计数过程结束时再刷新。

非记忆显示方式时，还可显示正在计数的过程。

7.输出

输出是指仪器可输出的时标信号种类、输出数码的编码方式及输出电平。

7.3通用电子计数器

7.3.1测量频率

周期性信号在单位时间内重复的次数称为频率，即

f=N/T

式中，T为时间，单位为“s”；

N为在时间T内周期性现象的重复次数。

电子计数器测频原理框图如图7.6所示。

被测信号经过放大整形，形成重复频率为mfx的计数脉冲，作为闸门的输入信号。

门控电路的输出信号称为门控信号，控制着闸门的启闭，闸门开启时间等于分频器输出信号周期KfTs。

只有当闸门开启（图中假设门控信号为高电平）时，计数脉冲才能通过闸门进入十进制计数器去计数，设计数结果为N。

则存在关系：

N=KfTsfx

如果被测信号经过放大整形后，再经过m次倍频，则满足关系：

N=mKfTsfx

式中，N为闸门开启期间十进制计数器计出的计数脉冲个数；

fx为被测信号频率，其倒数为周期Tx；

Ts为晶振信号周期；

m为倍频次数；

Kf为分频次数，调节Kf的旋钮称为“闸门时间选择”（或“时基选择”）开关，与Ts的乘积等于闸门时间。

为了使N值能够直接表示fx，常取mKfTs=1ms、10ms、0.1s、1s、10s等几种闸门时间。

即当闸门时间为1×

10ns（n为整数），并且使闸门开启时间的改变与计数器显示屏上小数点位置的移动同步进行时，无需对计数结果进行换算，就可直接读出测量结果。

7.3.2测量周期

频率的倒数就是周期，电子计数器测量周期的原理与测频原理相似，其原理框图如图7.7所示。

门控电路由经放大整形、分频后的被测信号控制，计数脉冲是晶振信号经倍频后的时间标准信号（即时标信号）。

存在关系：

N=mKfTx/Ts

式中，Tx与Kf的乘积等于闸门时间；

Kf为分频器分频次数，调节的Kf旋钮称为“周期倍乘选择”开关，通常选用10n，如×

1、×

10、×

102、×

103等，该方法称为多周期测量法；

Ts为晶振信号周期，fs为晶振信号频率；

Ts/m通常选用1ms、1ì

s、0.1μs、10ns等，改变Ts/m大小的旋钮称为“时标选择”开关。

由上述分析得知，通用电子计数器无论是测频还是测周，其测量方法是依据闸门时间等于计数脉冲周期与闸门开启时通过的计数脉冲个数之积，然后根据被测量的定义进行推导计算而得出被测量。

同样道理，也可以据此来测量频率比、时间间隔、累加计数等。

7.3.3测量频率比

频率比即两个信号的频率之比，电子计数器测量频率比的原理框图如图7.8所示。

其测量原理与测量频率的原理相似。

不过此时有两个输入信号加到电子计数器输入端，如果fA＞fB，就将频率为fB的信号经B通道输入，去控制闸门的启闭，假设该信号未经分频器分频，则闸门开启时间等于TB（=1/fB）；

而把频率为fA的信号从A通道输入，假设该信号未经过倍频，设十进制计数器计数值为N，则存在关系：

TB=NTA

N=TB/TA=fA/fB

为了提高测量准确度，可以采用类似多周期测量的方法，在B通道增加分频器，对fB进行Kf次分频，使闸门开启时间扩展Kf倍。

则有：

KfTB=NTA

fA/fB=TB/TA=N/Kf

当对fA进行m次倍频，用mfA作为时标信号时，存在关系：

KfTB=NTA/m

fA/fB=N/（mKf）

7.3.4累加计数

累加计数是指在限定时间内，对输入信号重复次数（即放大整形后的计数脉冲个数）进行累加。

其测量原理与测量频率是相似的，不过此时门控电路改由人工控制。

其电路原理框图如图7.9所示，当开关S打在“启动”位置时，闸门开启，计数脉冲进入计数器计数，当开关S打在“终止”位置时，闸门关闭，终止计数，累加计数结果由显示电路显示。

7.3.5测量时间间隔

图7.10所示为测量时间间隔的原理框图，其测量原理与测量周期原理相似，不过控制闸门启闭的是两个（或单个）输入信号在不同点产生的触发脉冲。

触发脉冲的产生由触发器的触发电平与触发极性选择开关来决定。

当测量两个信号的时间间隔时，开关S1处于“单独”位置，测量原理如图7.11所示。

A输入（设时间超前）产生起始触发脉冲用于开启闸门，使十进制计数器开始对时标信号进行计数；

B输入（设时间滞后）则产生终止触发脉冲以关闭闸门，停止计数。

假设起始脉冲和终止脉冲分别选择输入A、B正极性（即开关S2、S3置于“+”处）、50%电平处产生，计数值为N，则时间间隔TAB存在以下关系：

当测量脉冲信号的时间间隔如脉冲前沿tr、脉宽τ等参数时，将开关S1置于“公共”位置，根据被测量的定义，调节触发器1、2的触发电平和触发极性，选择合

适的时标信号，即可测量。

例如测量脉宽τ,根据脉宽定义，调节触发器1、2的触发电平均为50%，分别调节触发极性选择S1、S2为“+”、“－”。

闸门开启期间计数结果为N，则

τ=NTs/m

7.3.6自检（自校）

大多数电子计数器都具有自检（即自校）功能，它可以检查仪器自身的逻辑功能以及电路的工作是否正常，其原理框图如图7.12所示。

由图可见，自检过程与测量频率的原理相似，不过自检时的计数脉冲不再是被测信号而是晶振信号经倍频后产生的时标信号。

显然，只要满足关系：

NTs/m=KfTs

N=mKf

或

N=mKf±

1

则说明电子计数器及其电路等工作正常，之所以出现±

1是因为计数器中存在量化误差的缘故。

7.4电子计数器的测量误差

7.4.1测量误差的来源

电子计数器的测量误差来源主要包括量化误差、触发误差和标准频率误差。

1.量化误差

量化误差是在将模拟量变换为数字量的量化过程中产生的误差，是数字化仪器所特有的误差，是不可消除的误差。

它是由于电子计数器闸门的开启与计数脉冲的输入在时间上的不确定性，即相位随机性而产生的误差。

如图7.13所示，虽然闸门开启时间均为T，但因为闸门开启时刻不一样，计数值一个为9另一个却为8，两个计数值相差1个字。

量化误差的特点是：

无论计数值N为多少，每次的计数值总是相差±

1，即ΔN=±

1。

因此，量化误差又称为±

1误差或±

1字误差。

又因为量化误差

是在十进制计数器的计数过程中产生的，故又称为计数误差。

量化误差的相对误差为：

2.触发误差

触发误差又称为变换误差。

被测信号在整形过程中，由于整形电路本身触发电平的抖动或者被测信号叠加有噪声和

各种干扰信号等原因，使得整形后的脉冲周期不等于被测信号的周期，由此而产生的误差称为触发误差。

如图7.14所示，电子计数器测量周期时，被测信号控制门控电路的工作状态而产生门控信号。

门控电路一般采用施密特电路，当被测信号达到施密特电路触发电平VB时（即A1点），门控信号控制闸门打开，当被测信号经过一个周期（设被测信号未被分频）再次达到施密特电路触发电平VB时（即A2点），门控信号控制闸门关闭。

显然，当无噪声和干扰信号的理想情况下，闸门开启时间就等于被测信号的周期Tx。

但叠加有噪声或干扰信号时，如图所示，闸门在A'

1就打开，而在A'

2时才关闭，闸门的开启时间变为T'

x，显然不等于被测信号的周期，这样就产生了触发误差。

经推导得知，触发误差的相对误差等于

（7-2）

式中，Un为噪声或干扰信号的最大幅度，包括因触发电平抖动而产生的影响，一般情况下，可以不考虑触发电平抖动或漂移的影响；

Um为被测信号电压幅度；

Kf为B通道分频器分频次数。

触发误差对测量周期的影响较大，而对测量频率的影响较小，所以测频时一般不考虑触发误差的影响。

这是因为测频时用来产生门控信号的是标准的晶振信号，叠加的干扰信号很小，故可以忽略触发误差的影响；

而产生计数脉冲的被测信号中虽然有干扰信号，但不影响对计数脉冲的计数，故不产生触发误差。

为了减小测周时触发误差的影响，除了尽量提高被测信号的信噪比外，还可以采用多周期测量法测量周期，即增大B

通道分频器分频次数。

3.标准频率误差Δfs/fs

标准频率误差是指由于晶振信号的不稳定等原因而产生的误差。

测频时，晶振信号用来产生门控信号（即时基信号），标准频率误差称为时基误差；

测周时，晶振信号用来产生时标信号，标准频率误差称为时标误差。

一般情况下，由于标准频率误差较小，不予考虑。

7.4.2测量误差的分析

上述测量误差中，对频率测量影响最大的是量化误差，其他误差一般不予考虑。

周期测量则主要受量化误差和触发误差的影响。

下面对测频和测周误差进行分析：

1.测频误差

经过推导得知，测频量化误差等于

由此可见，要减小量化误差对测频的影响，应设法增大计数值N。

即在A通道中选用倍频次数m较大的倍频器，亦即选用短时标信号；

在B通道中增大分频次数Kf，亦即延长闸门时间；

可以直接测量高频信号的频率，否则，测出周期后再进行换算，该方法属于间接测量法，这是由测周误差的特性所决定的。

2.测周误差

（1）量化误差

经过推导得知，测周量化误差为：

由此可见，要减小测周量化误差，应设法增大计数值N。

在B通道中增大分频次数Kf，亦即延长闸门时间，该方法称为多周期测量法；

可以直接测量低频信号的周期，否则，测出频率后再进行换算，该方法属于间接测量法。

除此之外,人们还常采用游标法、内插法等方法来减小测量误差。

所谓的高频或低频是相对于电子计数器的中界频率而言的。

中界频率是指采用测频和测周两种方法进行测量，产生大小相等的量化误差时的被测信号的频率。

（2）测周触发误差

减小测周触发误差的方法如式（7-2）结论所述，不再赘述。

综上所述，多周期测量法以及提高信噪比、选用短时标信号等方法，可以减小测量周期的误差。

7.4.3频率扩展技术

由于受十进制计数器处理速度等因素的限制，上述类型的电子计数器比较适合频率低于700MHz左右的信号，在A通道分别采用倍频器时，频率范围就更窄了。

通常采用外差降频变换法、预定标法、转移振荡器法、谐波外差变换法、取样法等方

法来扩展计数器的测频范围，这样的计数器适合用来测量高频信号频率，称之为数字频率计，测频上限可高达170GHz。

下面主要介绍外差降频变换法和预定标法。

1.外差降频变换法

图7.15为手动外差降频变换法扩频原理框图，它的输入信号与调谐滤波器的输出混频后产生差频信号，该差频信号频率刚好落在计数电路频率范围内而获得频率读数。

调谐滤波器将谐波倍频器输出的每一谐波选出后，作为混频的本振信号。

为确定输入频率，使用者只需将计数器的读数加上调谐滤波器的读盘指示值即可。

现代计数器通常采用自动外差降频变换法。

例如国营大华无线电仪器厂生产的DH3381型微波频率计数器，美国EIP公司生产的一些微波测频仪器等。

2.预定标法

如图7.16所示，预定标数字频率计与通用计数器的区别就是对被测信号进行N分频，即预定标。

预定标法的缺点是降低了单位时间内的分辨力，为了提高测量分辨力，如果十进制计数器位数足够多，通常也对晶振进行N分频。

采用预定标法，计数器测频上限可达3GHz，例如南京电讯仪器厂生产的E327A通用计数器、E3397型频率计数器。

现代电子计数器中采用频率扩展技术的很多，事实证明是行之有效的。

例如，使用E312A型频率扩展器时，其测频上限范围可由10MHz扩展至105MHz，E3122A型可扩展至500MHz，E3123A型可扩展至1000MHz。

7.5通用计数器实例

NFC-100型多功能电子计数器是一种采用大规模集成电路的通用电子计数器，能够在适当的逻辑控制下完成频率和时间等的测量。

7.5.1技术指标

（1）测试功能

具有测频、测周、累加计数、自检等功能。

（2）测量范围

测频范围：

0.1Hz～100MHz；

测周范围：

0.4μs～10s；

累加计数范围：

1～108。

（3）输入特性

输入耦合方式：

AC；

输入电压范围：

30mV～10V，但不同量程的范围不同；

输入阻抗：

Ri≥1MΩ；

Ci≤30pF。

（4）闸门时间

10ms、0.1s、1s、10s。

（5）时标（晶振）

时标为0.1μs。

（6）显示位数及显示器件

显示位数及显示器件为：

8位LED。

（7）输出

输出频率：

10MHz；

输出电压，≥1VP-P；

输出波形：

正弦波。

7.5.2工作原理

本仪器组成如图7.17所示，主要由输入通道、预定标分频器、主机测量单元、晶振和电源等部分组成。

主机测量单元直接计数频率为10MHz，在输入高于10MHz频率的信号时，需要经过预定标分频器除以10后，送入主机测量单元。

周期测量、累加计数测量时，输入信号经输入通道放大整形后，直接进入主机测量单元，预定标分频器不起作用。

主机测量单元如图7.18所示，它由一块大规模集成电路ICM7226B等组成。

ICM7226B内包含多位计数器、寄存器电路、时基电路、逻辑控制电路以及显示译码驱动电路、溢出和消隐电路，可直接驱动外接的共阴极LED显示数码管，以扫描方式显示测量结果。

当ICM7226B功能输入端和闸门时间输入端分别接入不同的扫描位脉冲信号时，其测量逻辑功能发生变化，分别完成“频率”、“周期”、“计数”、“自检”等功能。

闸门时间在时标为10MHz时为10ms、0.1s、1s、10s，在其他时标时，闸门时间将随之作相应变化。

7.5.3电子计数器的使用及注意事项

NFC-100型电子计数器的前面板如图7.19所示。

“功能键（FUNCTION）”包括“累加计数（TOT）”、“周期（PER）”、“频率（FREQ）”、“自检（CHK）”四个按键，每个按键对应一种测量功能；

功能键右边的四个按键在测量频率、周期时，分别称为“时基（FREQMEASURETIME）”、“周期倍乘（PERIODAVERAGE）”选择开关，用于选择频率测量时间和

周期倍乘，它们与被测量的范围配合使用。

使用注意事项：

①按照要求接入正确的电源。

②在使用电子计数器进行测量之前，应对仪器进行“自检”，以初步判断仪器工作是否正常。

③被测信号的大小必须在电子计数器允许的范围内，否则，输入信号太小测不出被测量，输入信号太大有可能损坏仪器。

④当“溢出（OVFL）”指示灯亮时，表明测量结果显示有溢出，不能漏记数字。

⑤在允许的情况下，尽可能使显示结果精确些，即所选闸门时间应长一些。

⑥在测量频率时，如果选用闸门时间为10s时，“闸门（GATE）”（或“采样”）指示灯熄灭前显示的数值是前次的测量结果，并非本次测量结果，记录数据时务必等采样指示灯变暗后进行。

7.6数字相位计

相位差的测量方法包括示波器法、比较法、直读法等。

数字相位计采用直读法测量，是由电子计数器扩展而成的相位测量仪器。

数字相位计包括相位-时间变换式相位计和相位-电压变换式相位计，瞬时值数字相位计和平均值数字相位计属于前一种。

7.6.1瞬时值数字相位计

瞬时值数字相位计原理框图如图7.20所示。

当被测信号u1、u2由负变正通过零点时，分别由零比较器1和2产生脉冲信号u'

1、u'

2。

设u1超前于u2，则u'

2分别用作门控电路的开启信号、关闭信号，使门控电路产生门控信号u3，u3的脉宽与两个信号的相位差相对应，u3脉宽期间打开计数门，时标信号则

经由计数门至计数显示电路，得到对应的相位差数值。

其工作波形如图7.21所示。

设被测信号周期为Tx，门控信号u3的宽度，亦即两个信号相位差Δφ对应的时间为tφ，则

（7-3）

tφ=NTs（7-4）

式中，Ts为时标信号周期。

由式（7-3）、（7-4）得知：

（7-5）

由此可见，瞬时值数字相位