第5章時間和頻率的測量

第5章時間和頻率的測量

15.1概述5.2電子計數(shù)法測量頻率5.3電子計數(shù)法測量周期5.4通用電子計數(shù)器5.5其它測量頻率的方法5.1概述25.1概述5.1概述3

時間和頻率是電子技術(shù)中兩個重要的基本參量，目前，在電子測量中，時間和頻率的測量精確度是最高的。第5章--時間和頻率的測量講解課件4在檢測技術(shù)中，常常將一些非電量或其供電參量轉(zhuǎn)換成頻率進行測量。第5章--時間和頻率的測量講解課件55.1.1頻率和周期的基本概念頻率定義為相同的現(xiàn)象在單位時間內(nèi)重復出現(xiàn)的次數(shù)。5.1.1頻率和周期的基本概念頻率定義為相同的現(xiàn)6周期則是指出現(xiàn)相同現(xiàn)象的最小時間間隔。第5章--時間和頻率的測量講解課件7（5.1）（5.1）8式中：f表示頻率；N表示相同的現(xiàn)象重復出現(xiàn)的次數(shù)；Ts表示單位時間。第5章--時間和頻率的測量講解課件95.1.2時間與頻率測量的特點

與比他各種物理測量相比，時間與頻率測量具有如下特點：5.1.2時間與頻率測量的特點

10（1）時頻測量具有動態(tài)性質(zhì)。第5章--時間和頻率的測量講解課件11（2）測量精度高。第5章--時間和頻率的測量講解課件12（3）測量范圍廣。第5章--時間和頻率的測量講解課件13（4）頻率信息的傳輸和處理比較容易。第5章--時間和頻率的測量講解課件145.1.3頻率測量的基本方法

頻率的測量方法按工作原理可分為直接法和比對法兩大類。5.1.3頻率測量的基本方法

151.直接法直接法是指直接利用電路的某種頻率響應特性來測量頻率的方法。第5章--時間和頻率的測量講解課件16電橋法和諧振法是這類測量方法的典型代表。第5章--時間和頻率的測量講解課件17直接法常常通過數(shù)學模型先求出頻率表達式，然后利用頻率與其他己知參數(shù)的關系測量頻率如諧振法測頻。第5章--時間和頻率的測量講解課件18就是將被測信號加到諧振電路上，然后根據(jù)電路對信號發(fā)生諧振時頻率與電路的參數(shù)關系。第5章--時間和頻率的測量講解課件19由電路參數(shù)L、C的值確定被測頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件202.比對法比對法是利用標準頗率與被測頻率進行比較來測量頻率的。第5章--時間和頻率的測量講解課件21其測量準確度主要取決于標準頻率的準確度。第5章--時間和頻率的測量講解課件22拍頻法、外差法及計數(shù)器測頻法是這類測量方法的典型代表。第5章--時間和頻率的測量講解課件23尤其利用電子計數(shù)器測量頻率和時間。具有測量精度高、速度快。第5章--時間和頻率的測量講解課件24操作簡單、可直接顯示數(shù)字、便于與計算機結(jié)合實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是目前最好的測頻方法。第5章--時間和頻率的測量講解課件255.2電子計數(shù)法測量頻率第5章--時間和頻率的測量講解課件265.2.1測頻的基本原理

電子計數(shù)器測頻是嚴格按照頻率的定義進行的。5.2.1測頻的基本原理

27它在某個已知的標準時間間隔Ts內(nèi),測出被測信號重復的次數(shù)N，然后由公式f=N/Ts計算出頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件28測量的原理框圖如圖5.1所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件29圖5.1電子計數(shù)器測頻原理圖圖5.1電子計數(shù)器測頻原理圖305.2.2測頻方法的誤差分析

電子計數(shù)器測頻是采用間接測量方式進行的，即在某個己知的標準時間間隔Ts內(nèi),測出被測信號重復的次數(shù)N，然后由公式f=N/Ts計算出頻率。5.2.2測頻方法的誤差分析

31根據(jù)誤差合成理論，可求得測頻的相對誤差為：第5章--時間和頻率的測量講解課件32第5章--時間和頻率的測量講解課件33式中：γf為頻率測量的相對誤差；為計數(shù)的相對誤差，也稱量化誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件34——閘門開啟時間的相對誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件35可見，電子計數(shù)器測頻的相對誤差由兩部分組成。第5章--時間和頻率的測量講解課件36一是計數(shù)的相對誤差也叫量化誤差；二是閘門開啟時間的相對誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件37按最壞結(jié)果考慮，頻率測量的公式誤差應是兩種誤差之和。第5章--時間和頻率的測量講解課件381.量化誤差利用電子計算器測量頻率，只能對整個脈沖進行計數(shù)，它不可能測出半個脈沖，即量化的最小單位是數(shù)碼的一個字。第5章--時間和頻率的測量講解課件39這種測量誤差是所有數(shù)字式儀器所固有的，是量化過程帶來的誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件40量化誤差的最大值都是士1個字，也就是說量化誤差的絕對誤差N<±1。第5章--時間和頻率的測量講解課件41因此，有時又把這種誤差稱為“±1個字誤差”，簡稱“±1誤差”。第5章--時間和頻率的測量講解課件42量化誤差的相對值為：（5.3）量化誤差的相對值為：（5.3）43式中：

為量化誤差的相對值，即計數(shù)的相對誤差；fx為被測信號的頻率；式中：44Ts——選定的主門開啟時間。第5章--時間和頻率的測量講解課件45由上式可以看出，被測值的讀數(shù)N不同時，對量化誤差的影響是不同的，增大N能夠減少量化誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件46也就是，當被測信號頻率一定時，主門開啟時間越長，量化的相對誤差就越小；當主門開啟時間一定時，提高被測信號的頻率，也可減小量化誤差的影響。第5章--時間和頻率的測量講解課件472.閘門開啟時間的誤差閘門時間準確與否，取決于石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度、準確度，也取決于分頻電路和開關的速度及其穩(wěn)定性。第5章--時間和頻率的測量講解課件48在盡量排除了電路和閘門開關速度的影響后，閘門開啟時間的誤差主要由晶振的頻率誤差引起。第5章--時間和頻率的測量講解課件49設晶振頻率為fc（周期為Tc）、分頻系數(shù)為常數(shù)k，則：第5章--時間和頻率的測量講解課件50（5.4）（5.4）51式中：k表示閘門時間的相對誤差；fc表示標準頻率誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件52由式（5.5）可知，閘門時間相對誤差在數(shù)值上與晶振頻率的相對誤差相等。第5章--時間和頻率的測量講解課件533.測頻公式誤差將式（5.3）、（5.4）代入式（5.2）得出測頻的公式誤差為：第5章--時間和頻率的測量講解課件54（5.5）（5.5）55由于Δfx的符號可正可負，若按最壞情況考慮，可得電子計數(shù)器測量頻率的最大相對誤差計算公式為：第5章--時間和頻率的測量講解課件56（5.6）（5.6）574.測頻計數(shù)誤差前面討論的是測頻的系統(tǒng)誤差，實際上輸入信號受到噪聲干擾，還會產(chǎn)生噪聲干擾誤差，這是一種隨機誤差，也稱為計數(shù)誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件585.結(jié)論通過以上分析可知，利用電了計數(shù)器測量頻率時要提高頻率測量的準確度（減少測量誤差）可采取如下措施：第5章--時間和頻率的測量講解課件59（1）選擇準確度和穩(wěn)定度高的晶振作為時標信號發(fā)生器，以減小閘門時間誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件60（2）在不使計數(shù)器產(chǎn)生溢出的前提下，加大分頻器的分頻系數(shù)k，擴大主門的開啟時間Ts，以減小量化誤差的形響。第5章--時間和頻率的測量講解課件61（3）當被測信號頻率較低時，用測頻方法測得的頻率誤差較大應選用其他方法進行測量。第5章--時間和頻率的測量講解課件62（4）對隨機的計數(shù)誤差，可通過提高信噪比或調(diào)小通道增益來減小誤差程度。第5章--時間和頻率的測量講解課件635.3電子計數(shù)法測量周期第5章--時間和頻率的測量講解課件645.3.1電子計數(shù)法測周期的基本原理

電子計數(shù)器測量周期的原理如圖5.4所示。5.3.1電子計數(shù)法測周期的基本原理

65電路構(gòu)成與測頻電路類似，包括輸入整形電時標、時基產(chǎn)生電路、主門電路、計數(shù)顯示及邏輯控制電路等。第5章--時間和頻率的測量講解課件66圖5.4電子計數(shù)器測量周期的基本原理圖5.4電子計數(shù)器測量周期的基本原理67測量周期時，被測信號放大整形后成方波脈沖，形成時基，控制閘門，使主門開放的時間等于被測信號周期Tx。第5章--時間和頻率的測量講解課件68晶體振蕩器產(chǎn)生標準振蕩信號fc，經(jīng)k分頻輸出頻率fs、周期為Ts的時標脈沖。第5章--時間和頻率的測量講解課件69時標脈沖在主門開放時間進入計數(shù)器，計數(shù)器對通過主門的脈沖個數(shù)進行計數(shù)。若計數(shù)值為N。第5章--時間和頻率的測量講解課件70則：（5.7）則：（5.7）71式中：N表示通過主門的脈沖個數(shù)；Tx表示被測信號的周期；Ts表示標準晶振分頻后形成的時標周期。第5章--時間和頻率的測量講解課件72（5.8）（5.8）73式中：k為分頻系數(shù)；fc是標準晶振的振蕩頻率；fs為標準晶振分頻后的頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件745.3.2測量周期方法的誤差分析

1.公式誤差電子計數(shù)器測量周期也是采用間接測量方式進行的即在未知的時間Tx內(nèi)，測出標準信號脈沖通過的個數(shù)N。5.3.2測量周期方法的誤差分析

75然后由公式Tx=NTs計算出被測信號的周期頻率根據(jù)誤差合成理論可求得測量周期的相對誤差為：第5章--時間和頻率的測量講解課件76（5.9）（5.9）77按最壞結(jié)果考慮，周期測量總的系統(tǒng)誤差應是兩種誤差之和。第5章--時間和頻率的測量講解課件78（5.11）（5.11）792.觸發(fā)誤差觸發(fā)誤差是指在測量周期時，由于輸入信號受噪聲影響，經(jīng)觸發(fā)器整形后形成的門控脈沖時間間隔與信號的周期產(chǎn)生差異而形成的誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件80因為一般門電路采用過零觸發(fā)，可以證明觸發(fā)誤差可按下式近似表示：第5章--時間和頻率的測量講解課件81（5.12）（5.12）82式中：k為分頻系數(shù)；表示干擾信號引起的主門開啟時間誤差；M為信噪比。第5章--時間和頻率的測量講解課件833.結(jié)論電子計數(shù)器測量周期的總誤差可修正為下式：第5章--時間和頻率的測量講解課件84（5.13）（5.13）855.3.3提高側(cè)量準確度的方法

由電子計數(shù)器的測量原理可知，測量的誤差主要來源于兩個方面，即系統(tǒng)固有誤差和噪聲干擾誤差。5.3.3提高側(cè)量準確度的方法

86除了前面分析的減少測量誤差的方法，在電路上還可采取一些措施，如周期測量技術(shù)等。第5章--時間和頻率的測量講解課件87為了提高測量精確度，測高頻信號的頻率時，用測頻的方法直接讀取被測信號的頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件88測低頻信號的頻率時，先通過測周期的方法測出被測信號的周期，再換算成頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件89高、低頻信號可以采用中界頻率劃分。第5章--時間和頻率的測量講解課件90中界頻率的定義為：電子計數(shù)器測量某信號的頻率，若采用直接測頻法和測周測頻法的誤差相等，則該信號的頻率為中界頻率f0。第5章--時間和頻率的測量講解課件91將上式中的f，換為中界頻率f0可得到中界頗率的計算公式：第5章--時間和頻率的測量講解課件92(5.14)(5.14)93式中：f0表示中界頻率；fc表示標準晶振的振蕩頻率；Ts表示標準晶振分頻后形成的時標周期。第5章--時間和頻率的測量講解課件94式中：f0表示中界頻率；fc表示標準晶振的振蕩頻率；Ts表示標準晶振分頻后形成的時標周期。第5章--時間和頻率的測量講解課件955.4通用電子計數(shù)器第5章--時間和頻率的測量講解課件965.4.1電子計數(shù)器面板及控鍵

在時頻測量儀器中，通常把數(shù)字式測量頻率和時間的儀器稱為電子計數(shù)器或通用計數(shù)器。5.4.1電子計數(shù)器面板及控鍵

97電子計數(shù)器的面板和主要的控制按鍵如圖5.5所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件98圖5.5電子計數(shù)器面板和主要控鍵圖5.5電子計數(shù)器面板和主要控鍵995.4.2電子計數(shù)器的主要電路

電子計數(shù)器一般由輸入通道、計數(shù)器，邏輯控制、顯示器及驅(qū)動等電路構(gòu)成。5.4.2電子計數(shù)器的主要電路

1001.輸入通道電子計數(shù)器一般設置2-3個輸入通道。A通道用于測量頻率、自校；B通道用于測量周期；B、C通道合起來測時間間隔；A、B通道合起來測頻率比。第5章--時間和頻率的測量講解課件101

A通道是主通道，頻帶較寬；B、C通道是簡易通道。

102A通道的基本框圖如圖5.6所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件103包括衰減器、放大器、整形器。第5章--時間和頻率的測量講解課件104

由于電子計數(shù)器的輸入信號是多種多樣的，有脈沖波、三角波、正弦波、方波等，幅度有大有小，這些波形最后都要轉(zhuǎn)換成計數(shù)脈沖。第5章--時間和頻率的測量講解課件105而電子計數(shù)器對計數(shù)脈沖的幅度、波形都有一定的要求，所以對被測信號要先進行加工，使其波形和幅度標準化，再進行計數(shù)。第5章--時間和頻率的測量講解課件106此外，輸入信號可以是被測信號，也可以是自校信號，所以A通道具有信號選擇功能。第5章--時間和頻率的測量講解課件107圖5.6A通道的基本框圖圖5.6A通道的基本框圖1082.計數(shù)器計數(shù)器由觸發(fā)器構(gòu)成。第5章--時間和頻率的測量講解課件1093.顯示與驅(qū)動電路電子計數(shù)器以數(shù)字方式顯示出被測量，目前常用的有LED顯示器和LCD顯示器。第5章--時間和頻率的測量講解課件1104.邏輯控制電路邏輯控制電路是包括門電路和觸發(fā)器組成的時序邏輯電路。第5章--時間和頻率的測量講解課件111它產(chǎn)生各種指令信號，如閘門脈沖、閉鎖脈沖、顯示脈沖、復零脈沖、記憶脈沖等，這些指令控制整機各單元電路的工作，使整機按一定的工作程序完成測量任務。第5章--時間和頻率的測量講解課件1125.5其他測量頻率的方法第5章--時間和頻率的測量講解課件113按工作原理來分類，頻率的測量方法可分為直接法和比對法兩大類，如表5.1所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件114在前一節(jié)已重點介紹了對比法中的電子計數(shù)法，電子計數(shù)器測量頻率的優(yōu)點是測量方便，直觀快速，測量精確度較高，是一種比較常用的測頻方法。第5章--時間和頻率的測量講解課件115但它要求有較高的信噪比，同時電子計數(shù)器法不能測量調(diào)制信號的頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件116在對測量精確度要求不高的場合，可采用一些簡單的測試方法。第5章--時間和頻率的測量講解課件117表5.1頻率測量方法直接法比對法諧振法電橋法拍頻法差頻法示波法計數(shù)法李沙育圖形法電容充放電法測量周期法電子計數(shù)法表5.1頻率測量方法直接法比對法諧振法電橋法拍頻法差頻法示1185.5.1諧振法測頻

1.諧振法測頻的基本原理5.5.1諧振法測頻

119圖5.7LC諧振法測頻原理圖圖5.7LC諧振法測頻原理圖120

諧振法測頻以LC調(diào)諧電路的諧振為基礎，即利用電感、電容的串聯(lián)諧振回路或關聯(lián)諧振回路的諧振特性來實現(xiàn)測頻，如圖5.7所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件121顯然：（5.15）顯然：（5.15）122

式中：fx為被測信號的頻率；f0為測量回路的固有頻率；L2為測量回路的電感值；C為測量回路的電容。第5章--時間和頻率的測量講解課件123通常，用改變電感的方法改變頻段，用可變電容作頻率細調(diào)。第5章--時間和頻率的測量講解課件124L2的值預先給定，C是標準可變電容器，由面板上的刻度盤可直接讀出C值，根據(jù)式（5.15）便可算出待測頻率fx。第5章--時間和頻率的測量講解課件125

2.諧振點的判斷第5章--時間和頻率的測量講解課件126圖5.8LC諧振法的諧振曲線圖5.8LC諧振法的諧振曲線127

在諧振點附近隨著頻率f0的變化，電流和電壓表的讀數(shù)變化比較緩慢，這給準確判斷諧振點點的位置帶來了一定的困難，使得測量誤差較大。第5章--時間和頻率的測量講解課件128而利用諧振回路的諧振曲線具有較好對稱性的特點，采用對稱交叉讀數(shù)法，可以大大提高測量的精確度。第5章--時間和頻率的測量講解課件129諧振電路的曲線如圖5.8所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件130該曲線是一條以諧振頻率幾為中心的對稱曲線，曲線在半功率點處斜率最大。第5章--時間和頻率的測量講解課件131

所以我們可以有意使回路失諧，在諧振頗率f0附近的左右對稱點讀取兩個對應的失諧頻率f1和f2，求其平均值即為比較準確的諧振頻率f0，也就是被測信號的頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件132其中，f1和f2的頻率值可由面板上的刻度盤直接讀出。第5章--時間和頻率的測量講解課件133被測信號頻率fx為(5.16)被測信號頻率fx為(5.16)1343.諧振法測頻的誤差分析諧振法測量頻率的原理和測量方法都比較簡單，應用也比較廣泛，利用該法測量頻率的測量誤差大約在±0.25％~±1％范圍內(nèi)。第5章--時間和頻率的測量講解課件135可作為頻率粗測或某些儀器的附屬測頻部件。第5章--時間和頻率的測量講解課件136這種測頻誤差的來源主要有以下幾種：第5章--時間和頻率的測量講解課件137（1）實際中電感、電容的損耗越大，品質(zhì)因數(shù)越低，諧振曲線越平滑。第5章--時間和頻率的測量講解課件138越不容易找出真正的諧振點。第5章--時間和頻率的測量講解課件139如圖5.8虛線所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件140（2）面板上的頻率刻度是在規(guī)定的標定條件下刻度的。第5章--時間和頻率的測量講解課件141當環(huán)境溫度、濕度等因數(shù)變化時將便電感、電容的實際值發(fā)生變化，從而便回路的固有頻率發(fā)生變化。第5章--時間和頻率的測量講解課件142（3）由于頻率刻度不能分得無限細，人眼讀數(shù)常常有一定誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件1435.5.2電橋法測頻

5.5.2電橋法測頻

144圖5.9電橋法測頻原理圖圖5.9電橋法測頻原理圖145電橋法測頻是利用交流電橋平衡條件與加在該電橋中的交流工作信號頻率有關的特性來進行的。第5章--時間和頻率的測量講解課件146交流電橋種類很多，這里以最常用的文氏電橋為例，介紹電橋法測頻的原理，如圖5.9所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件147電橋平衡的兩個條件為：（5.17）電橋平衡的兩個條件為：（5.17）148其中R1、R4、C2、C3常量（標準值，）R2、R3是可調(diào)電位器，令R2=R3=R，C2=C3=C，則平衡條件為：第5章--時間和頻率的測量講解課件149（5.18）（5.18）150式中：R1、R4、R——標準電阻；fx——被測信號的頻率；C——標準電容。第5章--時間和頻率的測量講解課件151在R1=2R4條件下，調(diào)節(jié)R或C，可使電橋?qū)Ρ粶y信號頻率fx達到平衡，此時檢流計指示值最小。第5章--時間和頻率的測量講解課件152如果根據(jù)式（5.18），先換算出fx與R、C的比例關系，然后直接在機板上按頻率刻度，測試人員就可直接讀取被測信號fx的頻率值。第5章--時間和頻率的測量講解課件153

電橋測頻法的測量精確度取決于電橋中各元件的精確度、檢流計的靈敏度、測試者判斷電橋平衡的準確度以及被測信號的頻譜純度等。第5章--時間和頻率的測量講解課件154

該法測量誤差大約為±（0.5~1）%。高頻時，由于寄生參數(shù)的影響，會使測量精確度大大下降，所以該法只適用于10kHz以下的頻率測量。第5章--時間和頻率的測量講解課件1555.5.3頻率——電壓轉(zhuǎn)換法測頻

頻率電壓轉(zhuǎn)換的方法是把被測信號的頻率大小轉(zhuǎn)換成與之成比例的時間間隔，其原理框圖如圖5.10所示。5.5.3頻率——電壓轉(zhuǎn)換法測頻

156圖5.10頻率-電壓轉(zhuǎn)換法原理圖圖5.10頻率-電壓轉(zhuǎn)換法原理圖157脈沖形成電路把頻率為fx的正弦信號ux轉(zhuǎn)換成周期與之相等的尖脈沖ua，該尖脈沖加入單穩(wěn)多諧振蕩器，產(chǎn)生周期為Tx，寬度為τ、幅度為Um的矩形脈沖序列Ub，Ub的平均值為：第5章--時間和頻率的測量講解課件158（5.19）（5.19）159上式中，Um、τ為定值，所以輸出電壓與被測信號頻率之間為線性關系，如果電壓表表盤根據(jù)式（5.19）按頻率刻度，則從電壓表上可直接讀出被測信號的頻率fx。第5章--時間和頻率的測量講解課件160這種f-v轉(zhuǎn)換式最高測量頻率可達幾兆赫茲，可以連續(xù)監(jiān)視頻率的變化是這種測量法的突出優(yōu)點。第5章--時間和頻率的測量講解課件1615.5.4比較法測頻

比較法測頻就是用標準頻率與被測頻率進行比較，當把標準頻率調(diào)節(jié)到與被測頻率相等時，指零儀表指零，此時的標準頻率值即為被測頻率值。5.5.4比較法測頻

162比較法測頻可分為拍頻法測頻與差頻法測頻兩種。第5章--時間和頻率的測量講解課件163

拍頻現(xiàn)象是指將兩個正弦振蕩信號在某個線性元件上疊加，其合成信號的頻率等于兩頻率之差F。第5章--時間和頻率的測量講解課件164差頻的振幅是隨時間變化的近似正弦波，用電壓表、耳機、示波器等作為指示器來檢測F值。第5章--時間和頻率的測量講解課件165f1、f2越接近，合成信號振幅變化的周期越長，即F越小。第5章--時間和頻率的測量講解課件166

電壓表指針擺動越慢或揚聲器所發(fā)出的聲音大小隨時間作周期性變化越慢。第5章--時間和頻率的測量講解課件167示波器則直接顯示合成信號波形拍頻法測量頻率的絕對誤差約為零點幾赫茲。第5章--時間和頻率的測量講解課件168

差頻法測頻是將待測頻率信號與標準頻率信號在非線性元件上進行混頻，測出差頻信號，然后根據(jù)公式fx=f0+F求得被測信號的頻率fx。第5章--時間和頻率的測量講解課件169差頻法測量頻率的誤差約為10-5，最低可測信號電平為0.1~1V。第5章--時間和頻率的測量講解課件170

用示波器測量頻率有兩種方法。一是將被測信號加到示波器的Y通道，在熒光屏上側(cè)量被測信號的周期。第5章--時間和頻率的測量講解課件171另一種是將被測信號分別加到示波器的X通道和Y通道，觀測熒光屏上顯示的李沙育圖形。第5章--時間和頻率的測量講解課件172這部分內(nèi)容將在第7章中詳細論述。第5章--時間和頻率的測量講解課件1735.5.5示波器測頻

用示波器測量頻率有兩種方法。5.5.5示波器測頻

174一是將被測信號加到示波器的Y通道，在熒光屏上側(cè)量被測信號的周期。第5章--時間和頻率的測量講解課件175另一種是將被測信號分別加到示波器的X通道和Y通道，觀測熒光屏上顯示的李沙育圖形。第5章--時間和頻率的測量講解課件176這部分內(nèi)容將在第7章中詳細論述。第5章--時間和頻率的測量講解課件177第5章時間和頻率的測量

第5章時間和頻率的測量

1785.1概述5.2電子計數(shù)法測量頻率5.3電子計數(shù)法測量周期5.4通用電子計數(shù)器5.5其它測量頻率的方法5.1概述1795.1概述5.1概述180

時間和頻率是電子技術(shù)中兩個重要的基本參量，目前，在電子測量中，時間和頻率的測量精確度是最高的。第5章--時間和頻率的測量講解課件181在檢測技術(shù)中，常常將一些非電量或其供電參量轉(zhuǎn)換成頻率進行測量。第5章--時間和頻率的測量講解課件1825.1.1頻率和周期的基本概念頻率定義為相同的現(xiàn)象在單位時間內(nèi)重復出現(xiàn)的次數(shù)。5.1.1頻率和周期的基本概念頻率定義為相同的現(xiàn)183周期則是指出現(xiàn)相同現(xiàn)象的最小時間間隔。第5章--時間和頻率的測量講解課件184（5.1）（5.1）185式中：f表示頻率；N表示相同的現(xiàn)象重復出現(xiàn)的次數(shù)；Ts表示單位時間。第5章--時間和頻率的測量講解課件1865.1.2時間與頻率測量的特點

與比他各種物理測量相比，時間與頻率測量具有如下特點：5.1.2時間與頻率測量的特點

187（1）時頻測量具有動態(tài)性質(zhì)。第5章--時間和頻率的測量講解課件188（2）測量精度高。第5章--時間和頻率的測量講解課件189（3）測量范圍廣。第5章--時間和頻率的測量講解課件190（4）頻率信息的傳輸和處理比較容易。第5章--時間和頻率的測量講解課件1915.1.3頻率測量的基本方法

頻率的測量方法按工作原理可分為直接法和比對法兩大類。5.1.3頻率測量的基本方法

1921.直接法直接法是指直接利用電路的某種頻率響應特性來測量頻率的方法。第5章--時間和頻率的測量講解課件193電橋法和諧振法是這類測量方法的典型代表。第5章--時間和頻率的測量講解課件194直接法常常通過數(shù)學模型先求出頻率表達式，然后利用頻率與其他己知參數(shù)的關系測量頻率如諧振法測頻。第5章--時間和頻率的測量講解課件195就是將被測信號加到諧振電路上，然后根據(jù)電路對信號發(fā)生諧振時頻率與電路的參數(shù)關系。第5章--時間和頻率的測量講解課件196由電路參數(shù)L、C的值確定被測頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件1972.比對法比對法是利用標準頗率與被測頻率進行比較來測量頻率的。第5章--時間和頻率的測量講解課件198其測量準確度主要取決于標準頻率的準確度。第5章--時間和頻率的測量講解課件199拍頻法、外差法及計數(shù)器測頻法是這類測量方法的典型代表。第5章--時間和頻率的測量講解課件200尤其利用電子計數(shù)器測量頻率和時間。具有測量精度高、速度快。第5章--時間和頻率的測量講解課件201操作簡單、可直接顯示數(shù)字、便于與計算機結(jié)合實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是目前最好的測頻方法。第5章--時間和頻率的測量講解課件2025.2電子計數(shù)法測量頻率第5章--時間和頻率的測量講解課件2035.2.1測頻的基本原理

電子計數(shù)器測頻是嚴格按照頻率的定義進行的。5.2.1測頻的基本原理

204它在某個已知的標準時間間隔Ts內(nèi),測出被測信號重復的次數(shù)N，然后由公式f=N/Ts計算出頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件205測量的原理框圖如圖5.1所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件206圖5.1電子計數(shù)器測頻原理圖圖5.1電子計數(shù)器測頻原理圖2075.2.2測頻方法的誤差分析

電子計數(shù)器測頻是采用間接測量方式進行的，即在某個己知的標準時間間隔Ts內(nèi),測出被測信號重復的次數(shù)N，然后由公式f=N/Ts計算出頻率。5.2.2測頻方法的誤差分析

208根據(jù)誤差合成理論，可求得測頻的相對誤差為：第5章--時間和頻率的測量講解課件209第5章--時間和頻率的測量講解課件210式中：γf為頻率測量的相對誤差；為計數(shù)的相對誤差，也稱量化誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件211——閘門開啟時間的相對誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件212可見，電子計數(shù)器測頻的相對誤差由兩部分組成。第5章--時間和頻率的測量講解課件213一是計數(shù)的相對誤差也叫量化誤差；二是閘門開啟時間的相對誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件214按最壞結(jié)果考慮，頻率測量的公式誤差應是兩種誤差之和。第5章--時間和頻率的測量講解課件2151.量化誤差利用電子計算器測量頻率，只能對整個脈沖進行計數(shù)，它不可能測出半個脈沖，即量化的最小單位是數(shù)碼的一個字。第5章--時間和頻率的測量講解課件216這種測量誤差是所有數(shù)字式儀器所固有的，是量化過程帶來的誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件217量化誤差的最大值都是士1個字，也就是說量化誤差的絕對誤差N<±1。第5章--時間和頻率的測量講解課件218因此，有時又把這種誤差稱為“±1個字誤差”，簡稱“±1誤差”。第5章--時間和頻率的測量講解課件219量化誤差的相對值為：（5.3）量化誤差的相對值為：（5.3）220式中：

為量化誤差的相對值，即計數(shù)的相對誤差；fx為被測信號的頻率；式中：221Ts——選定的主門開啟時間。第5章--時間和頻率的測量講解課件222由上式可以看出，被測值的讀數(shù)N不同時，對量化誤差的影響是不同的，增大N能夠減少量化誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件223也就是，當被測信號頻率一定時，主門開啟時間越長，量化的相對誤差就越??；當主門開啟時間一定時，提高被測信號的頻率，也可減小量化誤差的影響。第5章--時間和頻率的測量講解課件2242.閘門開啟時間的誤差閘門時間準確與否，取決于石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度、準確度，也取決于分頻電路和開關的速度及其穩(wěn)定性。第5章--時間和頻率的測量講解課件225在盡量排除了電路和閘門開關速度的影響后，閘門開啟時間的誤差主要由晶振的頻率誤差引起。第5章--時間和頻率的測量講解課件226設晶振頻率為fc（周期為Tc）、分頻系數(shù)為常數(shù)k，則：第5章--時間和頻率的測量講解課件227（5.4）（5.4）228式中：k表示閘門時間的相對誤差；fc表示標準頻率誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件229由式（5.5）可知，閘門時間相對誤差在數(shù)值上與晶振頻率的相對誤差相等。第5章--時間和頻率的測量講解課件2303.測頻公式誤差將式（5.3）、（5.4）代入式（5.2）得出測頻的公式誤差為：第5章--時間和頻率的測量講解課件231（5.5）（5.5）232由于Δfx的符號可正可負，若按最壞情況考慮，可得電子計數(shù)器測量頻率的最大相對誤差計算公式為：第5章--時間和頻率的測量講解課件233（5.6）（5.6）2344.測頻計數(shù)誤差前面討論的是測頻的系統(tǒng)誤差，實際上輸入信號受到噪聲干擾，還會產(chǎn)生噪聲干擾誤差，這是一種隨機誤差，也稱為計數(shù)誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件2355.結(jié)論通過以上分析可知，利用電了計數(shù)器測量頻率時要提高頻率測量的準確度（減少測量誤差）可采取如下措施：第5章--時間和頻率的測量講解課件236（1）選擇準確度和穩(wěn)定度高的晶振作為時標信號發(fā)生器，以減小閘門時間誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件237（2）在不使計數(shù)器產(chǎn)生溢出的前提下，加大分頻器的分頻系數(shù)k，擴大主門的開啟時間Ts，以減小量化誤差的形響。第5章--時間和頻率的測量講解課件238（3）當被測信號頻率較低時，用測頻方法測得的頻率誤差較大應選用其他方法進行測量。第5章--時間和頻率的測量講解課件239（4）對隨機的計數(shù)誤差，可通過提高信噪比或調(diào)小通道增益來減小誤差程度。第5章--時間和頻率的測量講解課件2405.3電子計數(shù)法測量周期第5章--時間和頻率的測量講解課件2415.3.1電子計數(shù)法測周期的基本原理

電子計數(shù)器測量周期的原理如圖5.4所示。5.3.1電子計數(shù)法測周期的基本原理

242電路構(gòu)成與測頻電路類似，包括輸入整形電時標、時基產(chǎn)生電路、主門電路、計數(shù)顯示及邏輯控制電路等。第5章--時間和頻率的測量講解課件243圖5.4電子計數(shù)器測量周期的基本原理圖5.4電子計數(shù)器測量周期的基本原理244測量周期時，被測信號放大整形后成方波脈沖，形成時基，控制閘門，使主門開放的時間等于被測信號周期Tx。第5章--時間和頻率的測量講解課件245晶體振蕩器產(chǎn)生標準振蕩信號fc，經(jīng)k分頻輸出頻率fs、周期為Ts的時標脈沖。第5章--時間和頻率的測量講解課件246時標脈沖在主門開放時間進入計數(shù)器，計數(shù)器對通過主門的脈沖個數(shù)進行計數(shù)。若計數(shù)值為N。第5章--時間和頻率的測量講解課件247則：（5.7）則：（5.7）248式中：N表示通過主門的脈沖個數(shù)；Tx表示被測信號的周期；Ts表示標準晶振分頻后形成的時標周期。第5章--時間和頻率的測量講解課件249（5.8）（5.8）250式中：k為分頻系數(shù)；fc是標準晶振的振蕩頻率；fs為標準晶振分頻后的頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件2515.3.2測量周期方法的誤差分析

1.公式誤差電子計數(shù)器測量周期也是采用間接測量方式進行的即在未知的時間Tx內(nèi)，測出標準信號脈沖通過的個數(shù)N。5.3.2測量周期方法的誤差分析

252然后由公式Tx=NTs計算出被測信號的周期頻率根據(jù)誤差合成理論可求得測量周期的相對誤差為：第5章--時間和頻率的測量講解課件253（5.9）（5.9）254按最壞結(jié)果考慮，周期測量總的系統(tǒng)誤差應是兩種誤差之和。第5章--時間和頻率的測量講解課件255（5.11）（5.11）2562.觸發(fā)誤差觸發(fā)誤差是指在測量周期時，由于輸入信號受噪聲影響，經(jīng)觸發(fā)器整形后形成的門控脈沖時間間隔與信號的周期產(chǎn)生差異而形成的誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件257因為一般門電路采用過零觸發(fā)，可以證明觸發(fā)誤差可按下式近似表示：第5章--時間和頻率的測量講解課件258（5.12）（5.12）259式中：k為分頻系數(shù)；表示干擾信號引起的主門開啟時間誤差；M為信噪比。第5章--時間和頻率的測量講解課件2603.結(jié)論電子計數(shù)器測量周期的總誤差可修正為下式：第5章--時間和頻率的測量講解課件261（5.13）（5.13）2625.3.3提高側(cè)量準確度的方法

由電子計數(shù)器的測量原理可知，測量的誤差主要來源于兩個方面，即系統(tǒng)固有誤差和噪聲干擾誤差。5.3.3提高側(cè)量準確度的方法

263除了前面分析的減少測量誤差的方法，在電路上還可采取一些措施，如周期測量技術(shù)等。第5章--時間和頻率的測量講解課件264為了提高測量精確度，測高頻信號的頻率時，用測頻的方法直接讀取被測信號的頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件265測低頻信號的頻率時，先通過測周期的方法測出被測信號的周期，再換算成頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件266高、低頻信號可以采用中界頻率劃分。第5章--時間和頻率的測量講解課件267中界頻率的定義為：電子計數(shù)器測量某信號的頻率，若采用直接測頻法和測周測頻法的誤差相等，則該信號的頻率為中界頻率f0。第5章--時間和頻率的測量講解課件268將上式中的f，換為中界頻率f0可得到中界頗率的計算公式：第5章--時間和頻率的測量講解課件269(5.14)(5.14)270式中：f0表示中界頻率；fc表示標準晶振的振蕩頻率；Ts表示標準晶振分頻后形成的時標周期。第5章--時間和頻率的測量講解課件271式中：f0表示中界頻率；fc表示標準晶振的振蕩頻率；Ts表示標準晶振分頻后形成的時標周期。第5章--時間和頻率的測量講解課件2725.4通用電子計數(shù)器第5章--時間和頻率的測量講解課件2735.4.1電子計數(shù)器面板及控鍵

在時頻測量儀器中，通常把數(shù)字式測量頻率和時間的儀器稱為電子計數(shù)器或通用計數(shù)器。5.4.1電子計數(shù)器面板及控鍵

274電子計數(shù)器的面板和主要的控制按鍵如圖5.5所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件275圖5.5電子計數(shù)器面板和主要控鍵圖5.5電子計數(shù)器面板和主要控鍵2765.4.2電子計數(shù)器的主要電路

電子計數(shù)器一般由輸入通道、計數(shù)器，邏輯控制、顯示器及驅(qū)動等電路構(gòu)成。5.4.2電子計數(shù)器的主要電路

2771.輸入通道電子計數(shù)器一般設置2-3個輸入通道。A通道用于測量頻率、自校；B通道用于測量周期；B、C通道合起來測時間間隔；A、B通道合起來測頻率比。第5章--時間和頻率的測量講解課件278

A通道是主通道，頻帶較寬；B、C通道是簡易通道。

279A通道的基本框圖如圖5.6所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件280包括衰減器、放大器、整形器。第5章--時間和頻率的測量講解課件281

由于電子計數(shù)器的輸入信號是多種多樣的，有脈沖波、三角波、正弦波、方波等，幅度有大有小，這些波形最后都要轉(zhuǎn)換成計數(shù)脈沖。第5章--時間和頻率的測量講解課件282而電子計數(shù)器對計數(shù)脈沖的幅度、波形都有一定的要求，所以對被測信號要先進行加工，使其波形和幅度標準化，再進行計數(shù)。第5章--時間和頻率的測量講解課件283此外，輸入信號可以是被測信號，也可以是自校信號，所以A通道具有信號選擇功能。第5章--時間和頻率的測量講解課件284圖5.6A通道的基本框圖圖5.6A通道的基本框圖2852.計數(shù)器計數(shù)器由觸發(fā)器構(gòu)成。第5章--時間和頻率的測量講解課件2863.顯示與驅(qū)動電路電子計數(shù)器以數(shù)字方式顯示出被測量，目前常用的有LED顯示器和LCD顯示器。第5章--時間和頻率的測量講解課件2874.邏輯控制電路邏輯控制電路是包括門電路和觸發(fā)器組成的時序邏輯電路。第5章--時間和頻率的測量講解課件288它產(chǎn)生各種指令信號，如閘門脈沖、閉鎖脈沖、顯示脈沖、復零脈沖、記憶脈沖等，這些指令控制整機各單元電路的工作，使整機按一定的工作程序完成測量任務。第5章--時間和頻率的測量講解課件2895.5其他測量頻率的方法第5章--時間和頻率的測量講解課件290按工作原理來分類，頻率的測量方法可分為直接法和比對法兩大類，如表5.1所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件291在前一節(jié)已重點介紹了對比法中的電子計數(shù)法，電子計數(shù)器測量頻率的優(yōu)點是測量方便，直觀快速，測量精確度較高，是一種比較常用的測頻方法。第5章--時間和頻率的測量講解課件292但它要求有較高的信噪比，同時電子計數(shù)器法不能測量調(diào)制信號的頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件293在對測量精確度要求不高的場合，可采用一些簡單的測試方法。第5章--時間和頻率的測量講解課件294表5.1頻率測量方法直接法比對法諧振法電橋法拍頻法差頻法示波法計數(shù)法李沙育圖形法電容充放電法測量周期法電子計數(shù)法表5.1頻率測量方法直接法比對法諧振法電橋法拍頻法差頻法示2955.5.1諧振法測頻

1.諧振法測頻的基本原理5.5.1諧振法測頻

296圖5.7LC諧振法測頻原理圖圖5.7LC諧振法測頻原理圖297

諧振法測頻以LC調(diào)諧電路的諧振為基礎，即利用電感、電容的串聯(lián)諧振回路或關聯(lián)諧振回路的諧振特性來實現(xiàn)測頻，如圖5.7所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件298顯然：（5.15）顯然：（5.15）299

式中：fx為被測信號的頻率；f0為測量回路的固有頻率；L2為測量回路的電感值；C為測量回路的電容。第5章--時間和頻率的測量講解課件300通常，用改變電感的方法改變頻段，用可變電容作頻率細調(diào)。第5章--時間和頻率的測量講解課件301L2的值預先給定，C是標準可變電容器，由面板上的刻度盤可直接讀出C值，根據(jù)式（5.15）便可算出待測頻率fx。第5章--時間和頻率的測量講解課件302

2.諧振點的判斷第5章--時間和頻率的測量講解課件303圖5.8LC諧振法的諧振曲線圖5.8LC諧振法的諧振曲線304

在諧振點附近隨著頻率f0的變化，電流和電壓表的讀數(shù)變化比較緩慢，這給準確判斷諧振點點的位置帶來了一定的困難，使得測量誤差較大。第5章--時間和頻率的測量講解課件305而利用諧振回路的諧振曲線具有較好對稱性的特點，采用對稱交叉讀數(shù)法，可以大大提高測量的精確度。第5章--時間和頻率的測量講解課件306諧振電路的曲線如圖5.8所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件307該曲線是一條以諧振頻率幾為中心的對稱曲線，曲線在半功率點處斜率最大。第5章--時間和頻率的測量講解課件308

所以我們可以有意使回路失諧，在諧振頗率f0附近的左右對稱點讀取兩個對應的失諧頻率f1和f2，求其平均值即為比較準確的諧振頻率f0，也就是被測信號的頻率。第5章--時間和頻率的測量講解課件309其中，f1和f2的頻率值可由面板上的刻度盤直接讀出。第5章--時間和頻率的測量講解課件310被測信號頻率fx為(5.16)被測信號頻率fx為(5.16)3113.諧振法測頻的誤差分析諧振法測量頻率的原理和測量方法都比較簡單，應用也比較廣泛，利用該法測量頻率的測量誤差大約在±0.25％~±1％范圍內(nèi)。第5章--時間和頻率的測量講解課件312可作為頻率粗測或某些儀器的附屬測頻部件。第5章--時間和頻率的測量講解課件313這種測頻誤差的來源主要有以下幾種：第5章--時間和頻率的測量講解課件314（1）實際中電感、電容的損耗越大，品質(zhì)因數(shù)越低，諧振曲線越平滑。第5章--時間和頻率的測量講解課件315越不容易找出真正的諧振點。第5章--時間和頻率的測量講解課件316如圖5.8虛線所示。第5章--時間和頻率的測量講解課件317（2）面板上的頻率刻度是在規(guī)定的標定條件下刻度的。第5章--時間和頻率的測量講解課件318當環(huán)境溫度、濕度等因數(shù)變化時將便電感、電容的實際值發(fā)生變化，從而便回路的固有頻率發(fā)生變化。第5章--時間和頻率的測量講解課件319（3）由于頻率刻度不能分得無限細，人眼讀數(shù)常常有一定誤差。第5章--時間和頻率的測量講解課件3205.5.2電橋法測頻

5.5.2電橋法測頻

321圖5.9電橋法測頻原理圖圖5.9電橋法測頻原理圖322電橋法測頻是利用交流電橋平衡條件與加在該電橋中的交流工作信號頻率有關的特性來進行的。第5章--時間和頻率的測量講解課件323交流電橋種類很多，這里以最常用的文氏電