第4章數(shù)字測量方法(講)

1、電子測量技術(shù)第4章 數(shù)字測量方法電子測量技術(shù)數(shù)字電壓表數(shù)字電壓表（Digital Voltage MeterDigital Voltage Meter，簡稱，簡稱DVMDVM）。）。組成框圖組成框圖4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法1 DVM的組成的組成電子測量技術(shù)1)數(shù)字顯示數(shù)字顯示:2)準確度高準確度高: 0.0001, 1nV;3)測量范圍測量范圍:u顯示位數(shù)顯示位數(shù)完整顯示位完整顯示位：能夠顯示：能夠顯示0-90-9的數(shù)字。的數(shù)字。非完整顯示位非完整顯示位( (俗稱半位俗稱半位) )：只能顯示：只能顯示0 0和和1 1（在最（在最高位上）。高位上）。4.1 4.1

2、 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法2 DVM的特點的特點電子測量技術(shù)u量程量程基本量程基本量程：無衰減或放大時的輸入電壓范：無衰減或放大時的輸入電壓范圍，由圍，由A/DA/D轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍確定。轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍確定。擴展其他量程擴展其他量程: :通過對輸入電壓（按通過對輸入電壓（按1010倍）倍）放大或衰減。放大或衰減。例如：基本量程為例如：基本量程為10V10V的的DVMDVM，可擴展出，可擴展出0.1V0.1V、1V1V、10V10V、100V100V、1000V1000V等五檔量程等五檔量程4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法電子測量技術(shù)4）分辨力高）分辨力高分

3、辨最小電壓變化量的能力分辨最小電壓變化量的能力。顯示的末尾數(shù)字變化。顯示的末尾數(shù)字變化“1 1個個字字”。反映了。反映了DVMDVM靈敏度。靈敏度。在最小量程上具有最高分辨力在最小量程上具有最高分辨力。例如，例如，3 3位半的位半的DVMDVM，在，在200mV200mV最小量程上，可以測量的最最小量程上，可以測量的最大輸入電壓為大輸入電壓為199.9mV199.9mV，其分辨力為，其分辨力為0.1mV/0.1mV/字。字。5）測量速度快）測量速度快每秒鐘完成的測量次數(shù)。每秒鐘完成的測量次數(shù)。它主要取決于它主要取決于A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。速度。一般低速高精度的一般低速高精度

4、的DVMDVM測量速度在幾次測量速度在幾次/ /秒秒- -幾十次幾十次/ /秒。秒。4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法電子測量技術(shù)6）輸入阻抗高）輸入阻抗高直流直流DVMDVM：10M-1000M10M-1000M之間。之間。( (低量程輸入阻抗高）低量程輸入阻抗高）交流交流DVMDVM：輸入阻抗用輸入電阻和并聯(lián)電容表示，電容：輸入阻抗用輸入電阻和并聯(lián)電容表示，電容值一般在幾十值一般在幾十- -幾百幾百pFpF之間。之間。4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法電子測量技術(shù)7）抗干擾能力強）抗干擾能力強4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方

5、法u串模干擾串模干擾指干擾信號以指干擾信號以串聯(lián)疊加的形式串聯(lián)疊加的形式對被測信號產(chǎn)生的干擾對被測信號產(chǎn)生的干擾電子測量技術(shù)串模抑制比串模抑制比4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法 起因：起因：1 1）來自于被測信號源本身（例如，直流穩(wěn)壓電源輸出就存在紋）來自于被測信號源本身（例如，直流穩(wěn)壓電源輸出就存在紋波干擾）；波干擾）；2 2）從測量引線感應(yīng)進來的工頻（）從測量引線感應(yīng)進來的工頻（50Hz50Hz）或高頻干擾）或高頻干擾( (如雷電或無如雷電或無線電發(fā)射引起的空中電磁干擾線電發(fā)射引起的空中電磁干擾) )。特性：特性： 頻率：頻率：直流、低頻到超高頻直流、低頻到超高頻；

6、 波形：波形：周期性的或非周期性周期性的或非周期性的；的；正弦波或非正弦波正弦波或非正弦波（如瞬間的（如瞬間的尖峰脈沖干擾）；尖峰脈沖干擾）；隨機的隨機的。 各種干擾信號中，各種干擾信號中，50Hz50Hz的工頻干擾是最主要的干擾源。的工頻干擾是最主要的干擾源。max20lgsmpUSMRdBU電子測量技術(shù)4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法u共模干擾共模干擾干擾信號干擾信號同時作用于同時作用于DVMDVM的兩個測量輸入端的兩個測量輸入端（稱為高端（稱為高端H H和低端和低端L L）電子測量技術(shù)4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法max20lgcmpUC

7、MRdBU起因：起因：l被測電壓本身被測電壓本身l被測電壓與被測電壓與DVMDVM的參考地電位不相等的參考地電位不相等特性：特性： 直流電壓和交流電壓直流電壓和交流電壓兩類；兩類； 共模干擾電壓可能很大，如上百伏甚至上千伏。共模干擾電壓可能很大，如上百伏甚至上千伏。共模抑制比共模抑制比電子測量技術(shù)3 DVM的主要類型的主要類型u逐次比較式逐次比較式4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法基本原理：將基本原理：將被測電壓被測電壓和一和一可變的基準電壓可變的基準電壓進行逐次進行逐次比較，最終逼近被測電壓。即采用一種比較，最終逼近被測電壓。即采用一種“對分搜索對分搜索”的的策略，逐步

8、縮小策略，逐步縮小UxUx未知范圍的辦法。未知范圍的辦法。它類似天平稱重的過程，用標準電源它類似天平稱重的過程，用標準電源UrUr，其各分項相，其各分項相當(dāng)于提供的有限當(dāng)于提供的有限“電子砝碼電子砝碼”，被測電壓，被測電壓UxUx是被稱量的是被稱量的電壓量。逐步地添加或移去電子砝碼的過程完全類同于電壓量。逐步地添加或移去電子砝碼的過程完全類同于稱重中的加減砝碼的過程，而稱重中的加減砝碼的過程，而稱重結(jié)果的精度取決于所稱重結(jié)果的精度取決于所用的最小砝碼。用的最小砝碼。x xs s電子測量技術(shù)4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法電子測量技術(shù)逐逐次次逼逼近近移移位位寄寄存存器器(

9、 (S SA AR R) )D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器Vx+-比比較較器器C CL LK KSTARTA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換結(jié)結(jié)果果2-12-nMSBLSBVrN Nmin07002 UaUiiimin0702UUUsmin07002 UaUiii電子測量技術(shù) 原理：通過原理：通過兩次積分過程兩次積分過程( (“對被測電壓的定時積分和對對被測電壓的定時積分和對參考電壓的定值積分參考電壓的定值積分”) )的比較，得到被測電壓值。的比較，得到被測電壓值。4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法uU-T積分式（雙斜積分）積分式（雙斜積分）電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)工作過程工作過程l準備階段（準備階段（

10、t0-t1t0-t1）。開關(guān)。開關(guān)S4S4接通接通T T0 0時間，積分電容時間，積分電容C C短接，短接，使積分器輸出電壓使積分器輸出電壓U Uo o回到零（回到零（U Uo o=0=0）。）。l對被測電壓定時積分對被測電壓定時積分(t1-t2)(t1-t2)。接入被測電壓（設(shè)。接入被測電壓（設(shè)U Ux x為負），為負）， 則積分器輸出則積分器輸出U Uo o從零開始線性地正向增長，經(jīng)過規(guī)定的時間從零開始線性地正向增長，經(jīng)過規(guī)定的時間 T T1 1，U Uo o達到最大達到最大U Uomom，式中，式中， 為為UxUx的平均值，的平均值， 為積分波形的斜率為積分波形的斜率( (定值定值) )

11、 l對參考電壓反向定值積分對參考電壓反向定值積分(t2-t3)(t2-t3)。接入?yún)⒖茧妷骸＝尤雲(yún)⒖茧妷? (若若U Ux x為負，為負， 則接入則接入U UN N) )，積分器輸出，積分器輸出U Uo o從從U Uomom開始線性地反向減小開始線性地反向減小( (與與U Ux x的的積分方向相反積分方向相反) )直至零。直至零。2111tomxxtTUU dtURCRC xU1TRC4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法電子測量技術(shù)l此時，過零比較器翻轉(zhuǎn)。經(jīng)歷的反向積分時間為此時，過零比較器翻轉(zhuǎn)。經(jīng)歷的反向積分時間為T T2 2，則有：則有：l將將U Uomom代入可得：代

12、入可得：l由于由于T T1 1、T T2 2是通過對同一時鐘信號（設(shè)周期是通過對同一時鐘信號（設(shè)周期T T0 0）計）計數(shù)得到（設(shè)計數(shù)值分別為數(shù)得到（設(shè)計數(shù)值分別為N N1 1、N N2 2），即），即T T1 1=N=N1 1T T0 0，T T2 2=N=N2 2T T0 0，于是，于是式中，式中， 為為A/DA/D轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)（轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)（“V/V/字字”）。）。l可見計數(shù)結(jié)果可見計數(shù)結(jié)果N N2 2（數(shù)字量）即可表示被測電壓（數(shù)字量）即可表示被測電壓U Ux x，N N2 2即為雙積分即為雙積分A/DA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換結(jié)果。32210() tomNomNtTUUdtUURC

13、RC 21xNTUUT221xNNUUeNN1NUeN4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法電子測量技術(shù)4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法雙積分式雙積分式ADCADC特點：特點：基于基于U-TU-T變換的比較測量原理。變換的比較測量原理。一次測量一次測量包括包括3 3個連續(xù)過程個連續(xù)過程，所需時間為，所需時間為T0+T1+T2T0+T1+T2，其，其 中，中，T0T0、T1T1是固定的，是固定的，T2T2則與被測電壓則與被測電壓UxUx有關(guān)，有關(guān)，UxUx愈大愈大 T2T2愈大。一般愈大。一般轉(zhuǎn)換時間在幾十轉(zhuǎn)換時間在幾十ms-ms-幾百幾百msms，（轉(zhuǎn)

14、換速度，（轉(zhuǎn)換速度 為幾次為幾次/ /秒秒- -幾十次幾十次/ /秒），其秒），其速度是較低速度是較低的，常用于高的，常用于高 精度慢速測量的場合。精度慢速測量的場合。積分器的積分器的R R、C C元件元件對對A/DA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果不會產(chǎn)生影響，因而轉(zhuǎn)換結(jié)果不會產(chǎn)生影響，因而 對元件參數(shù)的精度和穩(wěn)定性要求不高。對元件參數(shù)的精度和穩(wěn)定性要求不高。 參考電壓參考電壓U UN N的精度和穩(wěn)定性對的精度和穩(wěn)定性對A/DA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果有影響，一般需采用精轉(zhuǎn)換結(jié)果有影響，一般需采用精 密基準電壓源。（例如，一個密基準電壓源。（例如，一個16bit16bit的的A/DA/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率轉(zhuǎn)換器，其分辨率 1

15、LSB=1/21LSB=1/21616=1/6553615=1/65536151010-6-6，那么，要求基準電壓源的穩(wěn)定性，那么，要求基準電壓源的穩(wěn)定性（主要為溫度漂移）優(yōu)于（主要為溫度漂移）優(yōu)于15ppm15ppm（即百萬分之（即百萬分之1515）。）。價格不高。價格不高。電子測量技術(shù)雙積分式雙積分式ADCADC特點：特點：比較器比較器要求具有較高的電壓分辨力（靈敏度）和時要求具有較高的電壓分辨力（靈敏度）和時 間分辨力（響應(yīng)帶寬）。如一個間分辨力（響應(yīng)帶寬）。如一個6 6位的位的A/DA/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器， 若滿度時積分器輸出電壓為若滿度時積分器輸出電壓為10V10V，則，則ADCADC

16、的的 1LSB=10V/101LSB=10V/106 6=10uV=10uV，則要求比較器的靈敏度優(yōu)于，則要求比較器的靈敏度優(yōu)于 10uV10uV。響應(yīng)帶寬則決定了比較器及時響應(yīng)積分器輸。響應(yīng)帶寬則決定了比較器及時響應(yīng)積分器輸 出信號快速（斜率較陡峭）過零時的能力。出信號快速（斜率較陡峭）過零時的能力。積分器響應(yīng)的是輸入電壓的平均值積分器響應(yīng)的是輸入電壓的平均值，因而具有較好，因而具有較好 的抗干擾能力。如輸入電壓的抗干擾能力。如輸入電壓U Ux x=U=Ux x+U+Usmsm，則，則T T1 1階段結(jié)階段結(jié) 束時積分器的輸出為束時積分器的輸出為 DVMDVM的最大干擾來自于電網(wǎng)的最大干擾來

17、自于電網(wǎng)50Hz50Hz工頻電壓（周期為工頻電壓（周期為 20ms20ms），因此，只要），因此，只要選擇選擇T T1 1時間為時間為20ms20ms的整倍數(shù)的整倍數(shù)， 則干擾信號則干擾信號U Usmsm的平均值為零。的平均值為零。21111()tsmomxsmxtTTUUUdtUURCRCRC4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法電子測量技術(shù)4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法uU-F積分式積分式電子測量技術(shù)4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法4 DVM的測量誤差的測量誤差( %)xmUUU ( %)xUUn 個字%Ux%Um式中：式

18、中：為讀數(shù)誤差，與儀器個單元的不穩(wěn)定為讀數(shù)誤差，與儀器個單元的不穩(wěn)定性有關(guān)性有關(guān)或或n n個字為滿度誤差，由量化誤差和個字為滿度誤差，由量化誤差和零點誤差等組成，雨量程有關(guān)。零點誤差等組成，雨量程有關(guān)。電子測量技術(shù) 例例 一臺一臺4 4位的位的DVMDVM給出的精度為：給出的精度為：（0.01%0.01%讀數(shù)讀數(shù)+1+1個字），個字），如用該如用該DVMDVM的的0 05V DC5V DC的基本量程分別測量的基本量程分別測量5.00V5.00V和和0.1V0.1V的電的電壓，試計算壓，試計算DVMDVM測量的固有誤差。測量的固有誤差。 解解 首先，計算出首先，計算出“1 1字字”對應(yīng)的滿度誤差

19、。對應(yīng)的滿度誤差。在在0 05V5V量程上，量程上，4 4位的位的DVMDVM對應(yīng)的滿度誤差對應(yīng)的滿度誤差“1 1個字個字”相當(dāng)于相當(dāng)于0.001V0.001V。當(dāng)當(dāng)U Ux x=5.00V=5.00V時，固有誤差和相對誤差分別為：時，固有誤差和相對誤差分別為：UUx x(0.01%(0.01%5.00V5.00V0.001V)0.001V)0.0015V 0.0015V 當(dāng)當(dāng)U Ux x=0.1V=0.1V時，固有誤差和相對誤差分別為：時，固有誤差和相對誤差分別為：4.1 4.1 電壓測量的數(shù)字化方法電壓測量的數(shù)字化方法0.0015100%100%0.03%5.00 xxxUU 電子測量技術(shù)

20、0.001100%100%1%0.1xxxUU 可見，被測電壓愈接近滿度電壓，測量的（相對）可見，被測電壓愈接近滿度電壓，測量的（相對）誤差愈小誤差愈?。ㄟ@也是在使用（這也是在使用DVMDVM時應(yīng)注意的）。時應(yīng)注意的）。UUx x(0.01%(0.01%0.1V0.1V0.001V)0.001V)0.001V0.001V電子測量技術(shù)4.2 4.2 直流數(shù)字電壓表直流數(shù)字電壓表7106A/D37106A/D3位半位半數(shù)字電壓表原理框圖數(shù)字電壓表原理框圖雙積分式雙積分式A/DA/D邏輯電路邏輯電路電子測量技術(shù)AC/DCAC/DC變換變換將交流電壓變換（檢波）得到直流的峰值、平均值將交流電壓變換（檢

21、波）得到直流的峰值、平均值 和有效值和有效值4.3 4.3 多用型數(shù)字電壓表多用型數(shù)字電壓表1 電流、電壓、阻抗變換技術(shù)電流、電壓、阻抗變換技術(shù)精密全波檢波電路精密全波檢波電路電子測量技術(shù)I/UI/U變換變換 基于歐姆定律基于歐姆定律4.3 4.3 多用型數(shù)字電壓表多用型數(shù)字電壓表Ix9009090.90.1(200mV)200A A(200mV)2mA A(200mV)20mA A(200mV)200mA A(200mV)2A A如圖，假如變換后采如圖，假如變換后采用 的 電 壓 量 程 為用 的 電 壓 量 程 為200mV200mV，則通過量程，則通過量程開關(guān)選擇取樣電阻分開關(guān)選擇取樣電

22、阻分別為別為1k1k、100100、1010、11、0.10.1，便可測量便可測量200A200A、2mA2mA、20mA20mA、200mA200mA、2A2A的滿量程電流。的滿量程電流。電子測量技術(shù)R/UR/U變換變換同樣基于歐姆定律。同樣基于歐姆定律。電阻電阻- -電壓（電壓（R/UR/U）變換原理圖。）變換原理圖。4.3 4.3 多用型數(shù)字電壓表多用型數(shù)字電壓表恒恒流流源源( (可可調(diào)調(diào)) )A A/ /D DR Rx xIr-+A Am mp p恒恒流流源源( (可可調(diào)調(diào)) )A A/ /D D-+A Am mp pIrVrR1Rx精精密密電電阻阻VoVr取取樣樣電電阻阻a.a.實現(xiàn)

23、實現(xiàn)R/UR/U變換的簡單原理變換的簡單原理 b.b.通過運放實現(xiàn)比例測量的通過運放實現(xiàn)比例測量的R/UR/U變換變換電子測量技術(shù)4.3 4.3 多用型數(shù)字電壓表多用型數(shù)字電壓表1xorRUUR 1oxrURRU 電子測量技術(shù)4.3 4.3 多用型數(shù)字電壓表多用型數(shù)字電壓表數(shù)字多用表（數(shù)字多用表（DMMDMM）電子測量技術(shù)數(shù)字多用表（數(shù)字多用表（DMMDMM）的主要特點）的主要特點DVMDVM的的功能擴展功能擴展。DMMDMM可進行直流電壓、交流電壓、可進行直流電壓、交流電壓、電流、阻抗等測量。電流、阻抗等測量。測量分辨力和精度測量分辨力和精度有低、中、高三個檔級，位數(shù)有低、中、高三個檔級，位

24、數(shù)3 3位半位半8 8位半。位半。一般一般內(nèi)置有微處理器內(nèi)置有微處理器?？蓪崿F(xiàn)開機自檢、自動校準、。可實現(xiàn)開機自檢、自動校準、自動量程選擇，以及測量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均自動量程選擇，以及測量數(shù)據(jù)的處理（求平均、均方根值）等自動測量功能。方根值）等自動測量功能。一般具有一般具有外部通信接口外部通信接口，如，如RS-232RS-232、GPIBGPIB等，易于等，易于組成自動測試系統(tǒng)。組成自動測試系統(tǒng)。4.3 4.3 多用型數(shù)字電壓表多用型數(shù)字電壓表電子測量技術(shù) 實際產(chǎn)品實際產(chǎn)品Agilent 3458AAgilent 3458A：8 8位半位半DMMDMM。主要技術(shù)指標：主要技術(shù)指標：Math

25、/statistics ；20 kB memory ；Self-adjusting autocalibration；dc Volts ；100 mV to 1000 V ranges； 10 nV sensitivity 0.05 ppm transfer accuracy； ac Volts；10mV to 1000V ranges； Ohms；Analog, random and subsampled modes； 0.002 ppm transfer accuracy 10 Ohms to 1 GOhm ranges； 2- and 4-wire with offset compensa

26、tion 4.3 4.3 多用型數(shù)字電壓表多用型數(shù)字電壓表電子測量技術(shù)4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量1 時間和頻率的基本概念時間和頻率的基本概念 時間有兩個含義：時間有兩個含義： “時刻時刻”： “時間間隔時間間隔”： 頻率的定義：頻率的定義：f fN/TN/T 時間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換。時間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換。時間是時間是7 7個基本國際單位之一，在通信、航空航天、武器裝個基本國際單位之一，在通信、航空航天、武器裝備、科學(xué)試驗、醫(yī)療、工業(yè)自動化等備、科學(xué)試驗、醫(yī)療、工業(yè)自動化等民用和軍事方面都存民用和軍事方面都存在時頻測量。在時頻測量。電子測量技術(shù)時間、頻率的測量時間、頻

27、率的測量 頻率量的測量頻率量的測量: : f fN/TN/T 取樣時間取樣時間T T: :在該時間內(nèi)對被測信號的周期累加計數(shù)在該時間內(nèi)對被測信號的周期累加計數(shù)( (若若計數(shù)值為計數(shù)值為N)N)，根據(jù)，根據(jù)f fx x=N/T=N/T得到頻率值。得到頻率值。 時間頻率基準具有最高準確度（可達時間頻率基準具有最高準確度（可達1010-14-14） 校準（比對）方便，可用做比較測量法校準（比對）方便，可用做比較測量法 許多物理量的測量都轉(zhuǎn)換為時頻測量許多物理量的測量都轉(zhuǎn)換為時頻測量, ,如電壓的測量。如電壓的測量。數(shù)字化數(shù)字化電子計數(shù)器法電子計數(shù)器法是時間、頻率測量的主要方是時間、頻率測量的主要方法

28、法4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量電子測量技術(shù)4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量頻率時間的標準頻率時間的標準基于天文觀測的宏觀標準用于測試計量中的不足基于天文觀測的宏觀標準用于測試計量中的不足設(shè)備龐大、操作麻煩；設(shè)備龐大、操作麻煩；觀測時間長；觀測時間長；準確度有限。準確度有限。天文時標天文時標世界時（世界時（UT,Universal TimeUT,Universal Time）: :以以地球自轉(zhuǎn)周期地球自轉(zhuǎn)周期(1(1天天) )確定的時間，確定的時間，即即1/(241/(24606060)=1/8640060)=1/86400為為1 1秒。其誤差約為秒。其誤差約為1010-7-7量級。

29、量級。歷書時（歷書時（ETET）：）：以地球繞太陽公轉(zhuǎn)為標準以地球繞太陽公轉(zhuǎn)為標準，即公轉(zhuǎn)周期（，即公轉(zhuǎn)周期（1 1年）的年）的31 556 925.974731 556 925.9747分之一為分之一為1 1秒。參考點為秒。參考點為19001900年年1 1月月1 1日日0 0時（國際天時（國際天文學(xué)會定義）。準確度達文學(xué)會定義）。準確度達1 110109 9 。于。于19601960年第年第1111屆國際計量大會接屆國際計量大會接受為受為“秒秒”的標準。的標準。電子測量技術(shù)原子（分子）在能級躍遷中將吸收原子（分子）在能級躍遷中將吸收( (低能級到高能級低能級到高能級) )或輻射或輻射（高能

30、級到低能級）電磁波，其頻率是恒定的。（高能級到低能級）電磁波，其頻率是恒定的。 hfhfn-mn-m=E=En n-E-Em m式中，式中，h=6.6252h=6.62521010-27-27為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，E En n、E Em m為受激態(tài)的為受激態(tài)的兩個能級，兩個能級，f fn-mn-m為吸收或輻射的電磁波頻率。為吸收或輻射的電磁波頻率。4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量原子時標（原子時標（ATAT）19671967年年1010月，第月，第1313屆國際計量大會正式通過了秒的新屆國際計量大會正式通過了秒的新定義：定義：“秒是秒是CsCs133133原子原子基態(tài)的兩個超精細結(jié)構(gòu)

31、能級之間躍基態(tài)的兩個超精細結(jié)構(gòu)能級之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,7709,192,631,770個周期的時間個周期的時間”。19721972年起實行，為全世界所接受。秒的定義由天文實年起實行，為全世界所接受。秒的定義由天文實物標準過渡到原子自然標準，準確度提高了物標準過渡到原子自然標準，準確度提高了4-54-5個量級，達個量級，達5 51010-14-14( (相當(dāng)于相當(dāng)于6262萬年萬年1 1秒秒) )，并仍在提高。，并仍在提高。電子測量技術(shù)u原子鐘原子鐘原子時標的實物儀器，可用于時間、頻率標準的發(fā)布和比對。原子時標的實物儀器，可用于時間、頻率標準的發(fā)

32、布和比對。u銫原子鐘銫原子鐘準確度：準確度：1010-13-13-10-10-14-14。大銫鐘，專用實驗室高穩(wěn)定度頻率基準；小銫鐘，頻率工作基準。大銫鐘，專用實驗室高穩(wěn)定度頻率基準；小銫鐘，頻率工作基準。u銣原子鐘銣原子鐘準確度：準確度： 1010-11-11，體積小、重量輕，便于攜帶，可作為工作基準。，體積小、重量輕，便于攜帶，可作為工作基準。u氫原子鐘氫原子鐘短期穩(wěn)定度高：短期穩(wěn)定度高：1010-14-14-10-10-15-15，但準確度較低（，但準確度較低（1010-12-12）。）。4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量電子測量技術(shù)u電子計數(shù)器所電子計數(shù)器所采用石英晶體振蕩器（簡稱采

33、用石英晶體振蕩器（簡稱“晶振晶振”）為基）為基準信號源。準信號源。u基于壓電效應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫基于壓電效應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫度影響，普通晶體頻率準確度為度影響，普通晶體頻率準確度為1010-5-5。 4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量2 電子計數(shù)式頻率計測量原理電子計數(shù)式頻率計測量原理電子測量技術(shù)測量原理：測量原理： 門控計數(shù)法門控計數(shù)法上圖為由上圖為由“與與”邏輯門作為閘門，其門控信號為邏輯門作為閘門，其門控信號為1 1時閘時閘門開啟（允許計數(shù)），為門開啟（允許計數(shù)），為0 0時閘門關(guān)閉（停止計數(shù)）。時閘門關(guān)閉（停止計數(shù)）。 與與門門T TA A

34、T TB BT TA AT TB BA AB BC Cl測頻時，閘門開啟時間（稱為測頻時，閘門開啟時間（稱為“閘門時間閘門時間”）即為采樣時間）即為采樣時間。l測時間（間隔）時，閘門開啟時間即為測時間（間隔）時，閘門開啟時間即為被測時間被測時間。4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量電子測量技術(shù)4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量通用電子計數(shù)器通用電子計數(shù)器測頻測頻的組成框圖：的組成框圖： f fx x=N/T=N/Ts s=Nf=Nfs s輸入輸入單元單元邏輯邏輯控制控制十進十進制計制計數(shù)數(shù)時標時標產(chǎn)生產(chǎn)生電子測量技術(shù)通用計數(shù)器包括如下幾個部分通用計數(shù)器包括如下幾個部分輸入單元輸入單元：通常有

35、：通常有A A、B B、C C多個通道，以實現(xiàn)不同的測多個通道，以實現(xiàn)不同的測量功能。輸入通道電路對輸入信號進行量功能。輸入通道電路對輸入信號進行放大、整形等放大、整形等（但保持頻率不變），得到適合計數(shù)的脈沖信號。（但保持頻率不變），得到適合計數(shù)的脈沖信號。通過通過預(yù)定標器預(yù)定標器還可還可擴展頻率測量范圍擴展頻率測量范圍。主門電路主門電路：完成計數(shù)的：完成計數(shù)的閘門控制閘門控制作用。作用。計數(shù)與顯示電路計數(shù)與顯示電路：計數(shù)電路是通用計數(shù)器的：計數(shù)電路是通用計數(shù)器的核心電路核心電路，完成脈沖計數(shù)；顯示電路將計數(shù)結(jié)果（反映測量結(jié)果）完成脈沖計數(shù)；顯示電路將計數(shù)結(jié)果（反映測量結(jié)果）以數(shù)字方式顯示出來

36、。以數(shù)字方式顯示出來。時標產(chǎn)生電路時標產(chǎn)生電路：產(chǎn)生：產(chǎn)生機內(nèi)時間、頻率測量的基準機內(nèi)時間、頻率測量的基準，即時，即時間測量的時標和頻率測量的閘門信號。間測量的時標和頻率測量的閘門信號?？刂齐娐房刂齐娐罚嚎刂茀f(xié)調(diào)整機工作控制協(xié)調(diào)整機工作，即準備，即準備測量測量顯示。顯示。4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量電子測量技術(shù)4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量3 脈沖累計的測量脈沖累計的測量電子測量技術(shù)原理：與前相同原理：與前相同 方法：方法：f fA A對對f fB B分別由分別由A A、B B兩通道輸入。兩通道輸入。 f fA AffB BBAABTfNTf4 頻率比的測量頻率比的測量4.4 4

37、.4 頻率的測量頻率的測量電子測量技術(shù)4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量fAfB頻率比的測量原理頻率比的測量原理 圖：圖：電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)注意：頻率較高者由注意：頻率較高者由A A通道輸入，頻率較低者由通道輸入，頻率較低者由B B通通道輸入。道輸入。提高頻率比的測量精度：提高頻率比的測量精度：擴展擴展B B通道信號的周期個數(shù)通道信號的周期個數(shù)。例如：以例如：以B B通道信號的通道信號的1010個周期作為閘門信號，則計個周期作為閘門信號，則計數(shù)值為：數(shù)值為： , ,即計數(shù)值擴大了即計數(shù)值擴大了1010倍，相倍，相應(yīng)的測量精度也就提高了應(yīng)的測量精度也就提高了1010倍。為得到真實結(jié)果，倍

38、。為得到真實結(jié)果，需將計數(shù)值需將計數(shù)值N N縮小縮小1010倍（小數(shù)點左移倍（小數(shù)點左移1 1位），即位），即應(yīng)用：可方便地測得電路的分頻或倍頻系數(shù)。應(yīng)用：可方便地測得電路的分頻或倍頻系數(shù)。4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量電子測量技術(shù)測量誤差的來源：測量誤差的來源：1 1）量化誤差）量化誤差: : 2 2）標準頻率誤差）標準頻率誤差: : 4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量5 誤差分析：誤差分析： 頻率測量時的誤差分析：頻率測量時的誤差分析： fx=N/Ts=Nfs 電子測量技術(shù)1)1)量化誤差量化誤差: : 概念：概念：“1 1誤差誤差”，它是所有數(shù)字化儀器都存在的誤差。，它是所有數(shù)字

39、化儀器都存在的誤差。 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因： 由于閘門開啟和關(guān)閉的時間與被測信號不同步引起，是因為由于閘門開啟和關(guān)閉的時間與被測信號不同步引起，是因為時間零頭沒有被計算在內(nèi)而造成的測量誤差。時間零頭沒有被計算在內(nèi)而造成的測量誤差。 量化誤差的量化誤差的示意圖：示意圖：4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量電子測量技術(shù)2)2)標準頻率誤差標準頻率誤差: : 它們由內(nèi)部它們由內(nèi)部晶體振蕩器（標準頻率源）晶體振蕩器（標準頻率源）分頻或倍頻后產(chǎn)分頻或倍頻后產(chǎn)生。由生。由晶體振蕩器的穩(wěn)定性決定。晶體振蕩器的穩(wěn)定性決定。 通常，要求通常，要求標準頻率誤差小于測量誤差的一個數(shù)量級標準頻率誤差小于測量誤差的一個數(shù)

40、量級。4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量電子測量技術(shù)誤差表達式誤差表達式u由頻率測量表達式：由頻率測量表達式： f fx x=N/T=N/Ts s=Nf=Nfs s，uu式中，式中， 即為即為1 1誤差，其最大值誤差，其最大值為為 , ,而而 由于由于f fs s由晶振由晶振(f(fc c) )分頻得到，設(shè)分頻得到，設(shè)f fs s=f=fc c/k/k，則，則于是，頻率測量的誤差表達式可寫成：于是，頻率測量的誤差表達式可寫成：xsxsffNfNfN1N scscffffxxTNTfT1xcxxcfffT ff 4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量電子測量技術(shù)誤差曲線誤差曲線分析：分析：誤差曲

41、線直觀地表示了誤差曲線直觀地表示了測頻誤差與被測頻率測頻誤差與被測頻率fx和和閘門時間閘門時間T的關(guān)系的關(guān)系。fx愈大則誤差愈小，閘門時間愈大誤愈大則誤差愈小，閘門時間愈大誤差也愈小，差也愈小，測頻誤差以標準頻率誤差為極限。測頻誤差以標準頻率誤差為極限。4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量電子測量技術(shù)量化誤差的影響量化誤差的影響從頻率測量的誤差表達式：從頻率測量的誤差表達式：可知，量化誤差為可知，量化誤差為它是頻率測量的主要誤差（標準頻率誤差一般可忽略）。它是頻率測量的主要誤差（標準頻率誤差一般可忽略）。為減小量化誤差，需增大計數(shù)值為減小量化誤差，需增大計數(shù)值N N：增大閘門時間增大閘門時間T

42、 T或在相或在相同的閘門時間內(nèi)測量同的閘門時間內(nèi)測量較高的頻率較高的頻率可得到較大的可得到較大的N N。但需注意：增大閘門時間將降低測量速度，并且計數(shù)值的但需注意：增大閘門時間將降低測量速度，并且計數(shù)值的增加不應(yīng)超過計數(shù)器的計數(shù)容量，否則將產(chǎn)生溢出（高位增加不應(yīng)超過計數(shù)器的計數(shù)容量，否則將產(chǎn)生溢出（高位無法顯示）。無法顯示）。例如：一個例如：一個6 6位的計數(shù)器，最大顯示為位的計數(shù)器，最大顯示為999999999999，當(dāng)用，當(dāng)用T=10sT=10s的閘門測量的閘門測量fx=1MHzfx=1MHz時時, ,應(yīng)顯示應(yīng)顯示“1000000.01000000.0”HzHz或或1.00000001.0

43、000000”MHz ,MHz ,顯然溢出顯然溢出。1xcxxcfffTff 11xNNNT f 4.4 4.4 頻率的測量頻率的測量電子測量技術(shù) 原理：原理：“時標計數(shù)法時標計數(shù)法”周期測量。周期測量。 即即: :該式表明，該式表明，“時標時標”的計數(shù)值的計數(shù)值N可表示周期可表示周期T Tx x。也體現(xiàn)了時。也體現(xiàn)了時間間隔（周期）的比較測量原理。間間隔（周期）的比較測量原理。 實現(xiàn)：實現(xiàn)：由由T Tx x得到得到閘門閘門；在；在T Tx x內(nèi)計數(shù)器對時標計數(shù)。內(nèi)計數(shù)器對時標計數(shù)。xsTNT4.5 4.5 周期的測量周期的測量1 周期的測量周期的測量電子測量技術(shù)周期測量原理圖：周期測量原理圖

44、：4.5 4.5 周期的測量周期的測量xsTN T電子測量技術(shù)例如：時標例如：時標T Ts s=1us=1us，若計數(shù)值，若計數(shù)值N=10000N=10000，則顯示的，則顯示的T Tx x為為“1000010000”usus，或，或“10.00010.000”msms。如時標。如時標T Ts s=10us=10us，則計數(shù)值，則計數(shù)值N=1000N=1000，顯示的，顯示的T Tx x為為 “10.0010.00”msms。請注意：請注意：顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義，它顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義，它表示了周期測表示了周期測量的分辨力（應(yīng)等于時標量的分辨力（應(yīng)等于時標T Ts s）。為便于

45、顯示，多檔。為便于顯示，多檔時標設(shè)定時標設(shè)定為為1010的冪次方的冪次方. .測量速度與分辨力：一次測量時間即為一個周期測量速度與分辨力：一次測量時間即為一個周期T Tx x，T Tx x愈愈大大( (頻率愈低頻率愈低) )則測量時間愈長；計數(shù)值則測量時間愈長；計數(shù)值N N與時標有關(guān)，時標與時標有關(guān)，時標愈小分辨力愈高。愈小分辨力愈高。4.5 4.5 周期的測量周期的測量電子測量技術(shù)周期測量時的誤差分析：周期測量時的誤差分析：由測周的基本表達式：由測周的基本表達式： 根據(jù)誤差合成，可得：根據(jù)誤差合成，可得： 式中，式中， 和和 分別為量化誤差和時標周分別為量化誤差和時標周期誤差。期誤差。 由由

46、 (T(Tc c為晶振周期，為晶振周期，k k為倍頻或分頻為倍頻或分頻比比) )， 有：有： 而計數(shù)值而計數(shù)值N N為：為： 所以，所以，xsxsTTNTNTxsTN TccxxccxccTfTkkTT fTT ff 1NNNssTTscTkTsccsccTTfTTf xxxcscTTT fNTkTk4.5 4.5 周期的測量周期的測量電子測量技術(shù)量化誤差的影響量化誤差的影響由測周的誤差表達式：由測周的誤差表達式：其中，第一項即為其中，第一項即為量化誤差量化誤差。它表示。它表示T Tx x愈大（被測信號的頻愈大（被測信號的頻率愈低），則量化誤差愈小，其意義為率愈低），則量化誤差愈小，其意義為T

47、 Tx x愈大則計入的時標愈大則計入的時標周期數(shù)周期數(shù)N N愈大。另外，晶振的分頻系數(shù)愈大。另外，晶振的分頻系數(shù)k k愈小，則時標周期愈愈小，則時標周期愈小，在相同的小，在相同的T Tx x內(nèi)計數(shù)值愈大。內(nèi)計數(shù)值愈大。此外，第二項為此外，第二項為標準頻率誤差標準頻率誤差，通常也要求小于測量誤差的，通常也要求小于測量誤差的一個數(shù)量級，這時就可作為微小誤差不予考慮。一個數(shù)量級，這時就可作為微小誤差不予考慮。為減小量化誤差，應(yīng)增加計數(shù)值為減小量化誤差，應(yīng)增加計數(shù)值N N，但也需注意不可使其溢，但也需注意不可使其溢出。出。例如：一個例如：一個6 6位的計數(shù)器，最大顯示為位的計數(shù)器，最大顯示為99999

48、9,999999,當(dāng)用當(dāng)用T T0 0=1us=1us的的時標測量時標測量Tx=10s(fx=0.1Hz)Tx=10s(fx=0.1Hz)時時, ,應(yīng)顯示應(yīng)顯示“1000000010000000”usus或或“10.00000010.000000”s,s,顯然溢出顯然溢出。ccxxccxccTfTkkTT fTT ff 4.5 4.5 周期的測量周期的測量頻率的測量頻率的測量電子測量技術(shù)4.5 4.5 周期的測量周期的測量電子測量技術(shù)4.5 4.5 周期的測量周期的測量 3 3）觸發(fā)誤差）觸發(fā)誤差 當(dāng)進行周期等測量時，門控雙穩(wěn)的門控信號由通過當(dāng)進行周期等測量時，門控雙穩(wěn)的門控信號由通過B B通

49、道通道的被測信號所控制。若信號受到干擾，信號將使整形電的被測信號所控制。若信號受到干擾，信號將使整形電路出現(xiàn)超前或滯后觸發(fā)，使整形后信號的周期與實際被路出現(xiàn)超前或滯后觸發(fā)，使整形后信號的周期與實際被測信號的周期發(fā)生偏離測信號的周期發(fā)生偏離TTn n，引起所謂的觸發(fā)誤差。經(jīng)推，引起所謂的觸發(fā)誤差。經(jīng)推導(dǎo)，觸發(fā)誤差導(dǎo)，觸發(fā)誤差 的大小為：的大小為： 式中式中: : U Um m信號的振幅；信號的振幅； U Un n干擾或噪聲的振幅干擾或噪聲的振幅。 電子測量技術(shù)4.5 4.5 周期的測量周期的測量 在頻率等測量功能中，由于控制門控雙穩(wěn)的門控信號是在頻率等測量功能中，由于控制門控雙穩(wěn)的門控信號是由儀器內(nèi)部產(chǎn)生，不會存在觸發(fā)誤差。而在周期、由儀器內(nèi)部產(chǎn)生，不會存在觸發(fā)誤差。而在周期、f fA Af fB B等測量功能中，如果進入等測量功能中，如果進入B B通道的信號含有干擾，便會存通道的信號含有干擾，便會存在觸發(fā)誤差。在觸發(fā)誤差。 采用周期倍率開關(guān)進行多周期測量，可減弱此項誤差。采用周期倍率開關(guān)進行多周期測量，可減弱此項誤差。例如周期倍率取例如周期倍率取1010，可使觸發(fā)誤差相對減弱了十倍。，可使觸發(fā)誤差相對減弱了十倍。 可得周期測量誤差表達式如下可得周期測量誤差表達式如下:電子測量技術(shù)電子測量技術(shù)由由ICM 7226BIC