模塊四 時間與頻率的測量

1、模塊四 時間與頻率的測量4-1數(shù)字式頻率計學(xué)習(xí)目標(biāo)1、了解數(shù)字式頻率計的基本組成和主要技術(shù)指標(biāo)2、熟悉數(shù)字式頻率計的測量原理3、掌握數(shù)字式頻率計的使用 數(shù)字式頻率計是一種用電子學(xué)方法測出一定時間間隔內(nèi)輸入的脈沖數(shù)目，并以數(shù)字形式顯示測量結(jié)果的測量儀表。數(shù)字式頻率計的核心是電子計數(shù)器，其作用是在一定的時間間隔內(nèi)進行累加計數(shù)，以完成各種測量。實際上，它還可以進行計數(shù)測量周期、平均周期、頻率比、時間間隔、累訂數(shù)、計時等其他操作。一、數(shù)字式頻率計的組成數(shù)字式頻率計一般由頻率電壓（fU）轉(zhuǎn)換器和數(shù)字式電壓基本表配合組成。fU轉(zhuǎn)換器的作用是將被測頻率信號轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后送入數(shù)字式電壓基本表進行測量，其

2、工作程序如圖4-1-1所示。fU轉(zhuǎn)換器主要由6部分組成，各部分的名稱及功能見表4-1。圖4-1-1 數(shù)字式頻率計的工作方框圖表4-1 fU轉(zhuǎn)換器的組成及各組成部分的功能組成部分功能放大整形電路能把各種不同波形和幅值的被測信號轉(zhuǎn)換成幅值相等、頻率與被測信號頻率相同的計數(shù)脈沖石英晶體振蕩器可輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的振蕩信號。如產(chǎn)生非常穩(wěn)定的32 768Hz的振蕩信號分頻器將石英晶體振蕩器產(chǎn)生的高頻信號經(jīng)分頻器分頻后，獲得周期為1s的時間基準(zhǔn)信號，送入控制門電路控制門受分頻器送來的時間基準(zhǔn)信號的控制打開或關(guān)閉?？刂崎T打開時，被測計數(shù)脈沖經(jīng)控制門送入分壓濾波電路；控制門關(guān)閉，被測計數(shù)脈沖無法通過控制門分壓濾波電

3、路將由控制門電路送來的被測脈沖經(jīng)分壓、濾波后，獲得平均值電壓。由于控制門電路打開時間是固定的（1s），所以，被測頻率越高，單位時間內(nèi)通過控制門的脈沖數(shù)越多，獲得的平均值電壓越高。顯然，在fU轉(zhuǎn)換器中，平均值電壓U與f成正比關(guān)系從 fU轉(zhuǎn)換器輸出的、與被測頻率成正比的直流電壓直接送到數(shù)字式直流電壓表即可測量出被測信號的頻率。二、數(shù)字式頻率計的工作原理被測信號fx經(jīng)放大整形后成為計數(shù)脈沖CP（如圖4-1-2a和b所示），送到控制門。由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號經(jīng)分頻器分頻后輸出時間基準(zhǔn)信號Ta，并打開控制門，如果控制門打開的時間正好是1s，則通過控制門送入計數(shù)器的CP脈沖個數(shù)，就是被測信號的頻率

4、。這就是數(shù)字式頻率表的基本工作原理。顯然，頻率表顯示的是在Ta這段時間內(nèi)被測信號的平均值。在數(shù)字式頻率計中，控制門每打開一次，就完成一個測量過程，過程結(jié)束自動回到零位，接著重復(fù)下一個測量過程。換句話說，控制門每開閉一次，顯示器就顯示一次被測信號的頻率，而且控制門開閉的時間間隔可以調(diào)節(jié)。于是，數(shù)字式頻率表就會以不同的速度重復(fù)閃動，顯示出被測信號的頻率。圖4-1-2 數(shù)字式頻率表工作波形圖三、數(shù)字式頻率計的使用（一）HC-F1000L數(shù)字頻率計的介紹 圖4-1-2 前面板圖1電源要求（1）電源要求 AC220V 10，50Hz單相，最大消耗功率10W。（2）測量前預(yù)熱20min以保證晶體振蕩的頻率

5、穩(wěn)定。2前面板特性前面板圖如圖4-1-2所示。（1）電源開關(guān)（POWER） 儀器220V電源開關(guān)。（2）復(fù)位按鈕（RESET） 整機復(fù)位。當(dāng)儀器工作不正常時，可按復(fù)位按鈕。（3）功能健FA A通道測頻功能。用于1Hz100MHz信號頻率的測量。（4）功能鍵FB B通道測頻功能。用于100MHz1GHz信號頻率的測量。（5）功能鍵PA A通道測周功能。用于1Hz100MHz信號周期的測量。（6）閘門時間0.001s（GT 0.001s） 測量時閘門開啟時間為0.001s，測量結(jié)果為六位。（7）閘門時間0.01s（GT 0.01s） 測量時閘門開啟時間為0.01s，測量結(jié)果為七位。（8）閘門時間0

6、.1s（GT 0.1s） 測量時閘門開啟時間為0.1s，測量結(jié)果為八位。（9）低通濾波（LPF OUTIN） A通道低通濾波器，截至頻率約100kHz。（10）衰減（ATT 120） A通道衰減，截止頻率約100KHz。（11）閘門指示燈 指示燈亮表示閘門開啟。（12）溢出指示燈 指示燈亮表示測量結(jié)果溢出，超過正常測量范圍。（13）顯示屏 8位LED數(shù)碼管顯示測量結(jié)果。（14）HZ 頻率測量結(jié)果的單位為Hz。（15）KHZ 頻率測量結(jié)果的單位為KHz。（16）MHZ 頻率測量結(jié)果的單位為MHz。（17）s 周期測量結(jié)果的單位s。（18）A通道輸入端 通道阻抗為1M，35PF。輸入頻率低于100

7、MHz的信號。（19）B通道輸入端 通道阻抗為50.輸入頻率為100MHz1GHz的信號。3后面板特性后面板圖如圖4-1-3所示。 圖4-1-3 后面板圖（1）標(biāo)頻輸出端 輸出內(nèi)標(biāo)頻信號，f010MHz，TTL電平。（2）電源輸入端 220v10交流，50Hz市電。（3）保險 0.3A。（二）HC-F1000L數(shù)字頻率計的使用1、測試前的準(zhǔn)備（1）把儀器電源插頭和供電插座連接，檢查后面板內(nèi)外接選擇開關(guān)位置，一般開關(guān)置于“內(nèi)接”位置，如圖4-1-4所示。圖4-1-4【小提示】確認市電電壓在220V10%范圍內(nèi)，方可將電源插頭插入本機后面面板的電源插座內(nèi)（2）打開電源開關(guān),此時儀器對數(shù)碼管每段進行

8、測試,單位指示燈全部亮。5s后進入測量狀態(tài)。如果功能開關(guān)和閘門時間開關(guān)未設(shè)置，則顯示全0，單位指示燈全亮。需對儀器進行正確的設(shè)置，如圖4-1-5所示。圖4-1-52、頻率測量（1）首先把輸入信號接至輸入A通道輸入端，如圖4-1-6所示。圖4-1-6【小提示】當(dāng)被測信號頻率范圍在fx1Hz100MHz時用A輸入通道（2）估計被測信號的幅度。若信號幅度大于10V，將衰減器打至“20”，以防燒壞通道電路，如圖4-1-7所示。圖4-1-7【小提示】可選擇不同的閘門時間得到所需要的分辨率（3）設(shè)定功能開關(guān)在FA位置，如圖4-1-8所示。圖4-1-8【小提示】當(dāng)被測信號頻率范圍在100MHZ1GHZ時用F

9、B輸入通道，把輸入信號接至輸入FB插座；設(shè)置頻率FB功能開關(guān)；使用門時選擇開關(guān)選擇所需要的分頻率.（4）接入信號源，如圖4-1-9所示。圖4-1-9【小提示】若測量頻率較低(低于100KHz)且信號高頻噪聲較大,可使用低通濾波LPF(低通濾波器)（5）顯示器顯示頻率值，在每次測量過程中閘門燈亮,而測量間隔的末尾更新顯示結(jié)果. 如圖4-1-10所示。圖4-1-103、周期測量（1）估計被測信號的幅度.若信號幅大于10V,將衰減器打至“20”，以防燒壞通道電路，如圖4-1-11所示。圖4-1-11【小提示】用A輸入通道,當(dāng)被測信號頻率范圍在1Hz100MHz時測量（2）把輸入信號接至輸入FA通道輸

10、入端，如圖4-1-12所示。圖4-1-12（3）設(shè)定功能開關(guān)在PA位置，如圖4-1-13所示。圖4-1-13【小提示】可選擇不同的閘門時間得到所需要的分辨率（4）顯示器顯示周期值.在每次測量過程中閘門燈亮,而測量間隔的末尾更新顯示結(jié)果，如圖4-1-14所示。圖4-1-14【小提示】 若顯示Err，表示測量出錯，可按復(fù)位鍵，如果仍然出錯，則需要修理。所加的輸入信號電壓大于“技術(shù)指標(biāo)”中所列的限制將會損壞頻率計。因此在接入輸入信號之前，必須確保其 不大于儀器所能接受的最大值。4-2掃頻儀學(xué)習(xí)目標(biāo)1、了解掃頻儀的基本組成和主要技術(shù)指標(biāo)2、熟悉掃頻儀的測量原理3、掌握掃頻儀的使用在電子測量中，經(jīng)常需要

11、測量電子設(shè)備（或網(wǎng)絡(luò)）的頻率特性，也就是需要了解在某一頻率范圍內(nèi)，當(dāng)輸入電壓幅度恒定時，電子設(shè)備（或網(wǎng)絡(luò)）輸出電壓隨其頻率而變化的特性，通常稱之為幅頻特性。頻率特性測試儀又稱掃頻儀，它是根據(jù)掃頻原理，利用示波器屏幕直接顯示被測電子設(shè)備（或網(wǎng)絡(luò)）幅頻特性的專用示波器，它是示波器功能的又一擴展。頻率特性測試儀廣泛應(yīng)用于無線電設(shè)備測量領(lǐng)域,對各種放大器頻率特性的調(diào)整檢驗及動態(tài)快速測量都帶來極大的便利。一、BT3型頻率特性測試儀的原理BT3型頻率特性測試儀的原理框圖如圖4-2-1示。儀器主要由三個部分組成。圖4-2-1 BT3型頻率特性測試儀的原理框圖1掃頻信號發(fā)生器 測試儀的工作頻帶為1300MHz

12、，共分三個波段：第一波段175MHz，第二波段75150MHz，第三波段150300MHz。掃頻信號發(fā)生器由兩組振蕩器組成，第一組振蕩器為第一波段所專用，它包括兩個振蕩器，一個振蕩器產(chǎn)生290MHz的固定頻率，另一個振蕩器產(chǎn)生215290MHz的掃頻信號，二者混頻后便可得到075MHz的掃頻信號。第二組只有一個振蕩器，它能直接輸出75150MHz的掃頻信號，用于第二波段，經(jīng)倍頻后又可得到150300MHz的掃頻信號，用于第三波段。儀器面板上設(shè)有波段開關(guān)和中心頻率度盤。為了控制掃頻信號輸出幅度，還設(shè)有衰減電路，對應(yīng)于面板上用分貝數(shù)標(biāo)度的輸出衰減開關(guān)。2頻標(biāo)信號發(fā)生器 用頻率特性測試儀調(diào)試被測電路

13、時，除了必須顯示被測電路頻率特性曲線外，還必須準(zhǔn)確指出特性曲線上任何一點所對應(yīng)的頻率值，這項工作是由頻標(biāo)發(fā)生器所產(chǎn)生的頻標(biāo)信號來完成的，如圖4-2-2所示。晶體振蕩器產(chǎn)生fL為1MHz或10MHz的頻標(biāo)信號，通過諧波發(fā)生器（相當(dāng)于頻率倍增器），得到fL的N倍（N為正整數(shù)）的頻標(biāo)信號，然后將其與掃頻信號（設(shè)其頻率變化范圍為fminfmax）一起加到混頻器進行混頻，產(chǎn)生頻率為（fminfmax）-NfL的輸出信號。如N為某一數(shù)值恰好使NfL落在掃頻信號的頻率變化范圍內(nèi)，則該輸出信號便是一個以零頻率為中心的調(diào)頻信號。再經(jīng)放大并由帶通濾波器濾波，便可獲得一個接近菱形的頻標(biāo)信號。例如，一個35MHz（即

14、NfL=351MHz）的頻標(biāo)信號與fminfmax=34.835.2MHz的掃頻信號混頻，通過帶通濾波器和垂直放大器加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上，如果在垂直偏轉(zhuǎn)板上同時作用著反映被測電路幅頻特性的檢波電壓，那么菱形的頻標(biāo)波形就顯示在幅頻特性曲線的35MHz那一點上，如圖4-2-3所示。因為菱形頻標(biāo)具有一定的頻率寬度，所以只有當(dāng)菱形頻標(biāo)的頻率寬度和掃頻范圍相比很窄時，才能形成一個很細的頻標(biāo)。 圖4-2-2 頻標(biāo)信號發(fā)生器原理框圖圖4-2-3 帶有頻標(biāo)的幅頻特性曲線通常1MHz的頻標(biāo)間隔較窄，幅度較?。?0MHz的頻標(biāo)間隔較寬，幅度較大。在測試中，如儀器內(nèi)部1MHz和10MHz頻標(biāo)不能滿足要求時，可利

15、用外接頻標(biāo)端子接入所需要的標(biāo)準(zhǔn)信號，此時在屏幕上顯示的便是外接的幅頻信號。3顯示部分 包括掃描信號發(fā)生器、垂直放大器和示波管等。其中掃描信號發(fā)生器實際上是以電源變壓器的次級繞組來代替的，掃描信號就是從該繞組取出的50Hz交流電壓，將其送到示波管水平偏轉(zhuǎn)板進行掃描，同時送到掃頻振蕩器進行調(diào)制，保證掃描信號與掃頻信號同步。4面板說明BT3C型頻率特性測試儀的面板如圖4-2-4所示。（1）顯示部分1）電源、輝度 兼電源開關(guān)和輝度調(diào)節(jié)作用。2）聚焦。調(diào)節(jié)掃描線清晰度。3）標(biāo)尺亮度。調(diào)節(jié)屏幕標(biāo)尺亮度。4）影象極性。改變波形顯示極性，有“+”“-”和“鑒頻”選擇。5）Y軸位置 調(diào)節(jié)曲線在垂直方向移動。6）

16、Y軸衰減。改變Y軸增益和波形高度，有1，10，100三擋。7）Y軸增益。調(diào)節(jié)Y軸增益和波形高度。8）Y軸輸入。被測網(wǎng)絡(luò)輸出信號接入端。圖4-2-4 BT3C型頻率特性測試儀的面板（2）掃描部分1）波段開關(guān)改變輸出掃頻信號的頻率范圍，分為（075MHz），（75150MHz），（150300MHz）。2）中心頻率度盤。能連續(xù)改變掃頻信號的中心頻率。3）輸出衰減。調(diào)節(jié)輸出掃頻信號的幅度。4）掃頻電壓輸出。調(diào)節(jié)掃頻信號的輸出端，可接輸出探頭。5）頻率偏移。調(diào)節(jié)掃頻信號的頻偏寬度，在測試時可以調(diào)整適合被測網(wǎng)絡(luò)通頻帶寬度所需的頻偏，順時針旋轉(zhuǎn)，頻偏增寬。（3）頻標(biāo)部分1）頻標(biāo)選擇。分1MHz、10MHz

17、和外接3擋。2）頻標(biāo)幅度。調(diào)節(jié)頻標(biāo)顯示幅度。3）外接頻標(biāo)輸入。外接頻標(biāo)信號的輸入端，使用此輸入端時，頻標(biāo)選擇應(yīng)設(shè)置在“外接”擋。二、BT3型頻率特性測試儀的使用1、測試前的準(zhǔn)備（1）顯示系統(tǒng)的檢查。接通電源，預(yù)熱510min，然后調(diào)節(jié)輝度和聚焦，得到亮度適中的聚焦清晰的掃描基線，如圖4-2-5所示。圖4-2-5【小提示】調(diào)整Y軸位置旋鈕，掃描基線應(yīng)能上下移動（2）將50連接電纜插入Y輸入口，將75RF寬帶檢波器接RF輸出口，如圖4-2-6所示。圖4-2-6（3）檢查儀器內(nèi)部標(biāo)記，按入50MHz，10.1 MHz，掃描線上應(yīng)分別呈現(xiàn)出50MHz或10.1頻標(biāo)信號，如圖4-2-7所示。圖4-2-7

18、（4）調(diào)節(jié)頻標(biāo)幅度旋鈕，可以均勻地改變頻標(biāo)的大小，如圖4-2-8所示。圖4-2-8（5）頻率范圍的檢查：將粗細衰減器置于0dB，如圖4-2-9所示。圖4-2-9（6）掃頻方式選用“全掃”，頻標(biāo)方式按鍵選用50MHz，極性選擇開關(guān)放在“+”位置，調(diào)節(jié)Y位移和Y增益，倍率開關(guān)選用10擋，如圖4-2-10所示。圖4-2-10（7）曲線上從零頻數(shù)的標(biāo)記數(shù)應(yīng)大于6個，如圖4-2-11所示。圖4-2-11（8）掃頻方式選用“窄掃”時，頻標(biāo)方式按鍵選用50MHz，如圖4-2-12所示。圖4-2-12（9）旋轉(zhuǎn)中心頻率旋鈕，同時在曲線上從零頻數(shù)得6個，掃頻寬度電位器調(diào)至最大，頻標(biāo)方式選用10.1 MHz，10

19、 MHz的標(biāo)記數(shù)應(yīng)大于4個，如圖4-2-13所示。圖4-2-132、測試儀的使用（1）無源濾波器的測試，將RF掃頻輸出口接濾波器輸入口。濾波器輸入口接檢波器后送給顯示輸入口，顯示方式置于DC，倍率1，調(diào)Y位移使基線與底格重合，Y增益調(diào)至5div，適當(dāng)選擇掃頻寬度進行測量，如圖4-2-14所示。圖4-2-14（2）有源放大器、中高頻電路的測量，對有源網(wǎng)絡(luò)的測量必須注意信號饋給時隔直流問題，如圖4-2-15所示。圖4-2-15【小提示】注意RF輸出的大小應(yīng)保證被測網(wǎng)絡(luò)輸出不失真，不飽和，同時通過檢波器的信號不可大于100mW，以免損傷濾波器。（3）諧振回路測量，測量時應(yīng)盡可能做到外電路與諧振回路松

20、耦合，為此可在信號饋入點外加入適量的電抗分量元件，如圖4-2-16所示。圖4-2-16【小提示】注意使被測回路的輸入端盡可能構(gòu)成行波狀態(tài)，從而減少反射的影響。信號的定性檢測用高阻檢波器比較方便，在高阻檢波器的輸入點可串接一小電容，以減小測試回路可能產(chǎn)生失諧問題三、掃頻儀的注意事項1、掃頻儀與被測電路相連時，必須考慮阻抗匹配問題。2、若被測電路內(nèi)部帶有，而直接用開路電纜與儀器相連。3、在顯示幅頻特性時，如有發(fā)現(xiàn)圖形異常曲折，則表示被測電路中有寄生振蕩，在測試前予以排除4、測試時，輸出電纜和檢波探頭的接地線應(yīng)盡量短些，切忌在檢波頭上加接導(dǎo)線。實訓(xùn)：掃頻儀的使用一、實訓(xùn)目的1.能熟練使用掃頻儀測試中頻放大器的技術(shù)指標(biāo)。2.培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。二、實訓(xùn)設(shè)備與工具掃頻儀1臺、中頻放大器一個、通用工具1套。三、實訓(xùn)內(nèi)容與步驟掃頻儀的測試應(yīng)用，以一個中頻放大器為例，它的技術(shù)指標(biāo)如下：中心頻率為30MHz，頻帶寬度為6MHz，增益大于50dB，特性曲線頂部呈雙峰曲線，平坦度小于ldB。測試步驟和方法如下。 （一）測試前準(zhǔn)備開機預(yù)熱，調(diào)節(jié)輝度、聚焦，使圖形清晰，基線與掃描線重合，頻標(biāo)顯示正常。波段選擇開關(guān)置于I位置，中心頻率為30MHz，頻偏約為5MHz，掃頻電壓輸出接帶75的匹配電纜，Y軸輸入接檢波器電纜，把以上兩根電纜