電子測量與儀器課件第七章頻率和時間測量及儀器1

1、第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 1 第第7章章 頻率和時間測量及儀器頻率和時間測量及儀器7.1 概述概述時間時間:含意有二，時刻和時間間隔含意有二，時刻和時間間隔周期周期:在相等在相等時間間隔時間間隔內(nèi)重復發(fā)生的現(xiàn)象稱為周期現(xiàn)象，內(nèi)重復發(fā)生的現(xiàn)象稱為周期現(xiàn)象，該時間間隔稱為周期。該時間間隔稱為周期。頻率頻率:描述周期現(xiàn)象最重要的物理量，周期信號在單位時描述周期現(xiàn)象最重要的物理量，周期信號在單位時間內(nèi)變化的次數(shù)間內(nèi)變化的次數(shù)通常用電子計數(shù)器測量時間和頻率。通常用電子計數(shù)器測量時間和頻率。計數(shù)法在實質上屬于比較法，比較法是利用已知的標準的計數(shù)法在實質上屬于比較法，比較法是利用已

2、知的標準的參考頻率同被測頻率進行比較而測得被測信號的頻率。參考頻率同被測頻率進行比較而測得被測信號的頻率。第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 2 7.1.1 無源測頻法無源測頻法 (直讀法）直讀法）主要包括諧振法、電橋法和頻率主要包括諧振法、電橋法和頻率-變換電壓法等方法。變換電壓法等方法。 1. 諧振法諧振法 圖圖7.1所示為諧振法測頻基本原理所示為諧振法測頻基本原理圖。被測信號經(jīng)互感圖。被測信號經(jīng)互感M與與LC串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振回路進行松耦合，改變可變電容器回路進行松耦合，改變可變電容器C，使回路發(fā)生串聯(lián)諧振。諧振時回路電流使回路發(fā)生串聯(lián)諧振。諧振時回路電流I達到最大。被測頻

3、率達到最大。被測頻率fx可用下式計算可用下式計算: （7-1）式中，式中，f0為諧振回路的諧振頻率，為諧振回路的諧振頻率，L、C分別為諧振回路諧振電分別為諧振回路諧振電感和諧振電容。感和諧振電容。 VLCMfx圖圖7.1 諧振法測頻原理諧振法測頻原理LCff210 x第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 32. 電橋法電橋法凡是平衡條件與頻率有關的任何電橋都可用來測頻，但凡是平衡條件與頻率有關的任何電橋都可用來測頻，但要求電橋的頻率特性盡可能尖銳。測頻電橋的種類很多，常要求電橋的頻率特性盡可能尖銳。測頻電橋的種類很多，常用的有文氏電橋、諧振電橋和雙用的有文氏電橋、諧振電橋和雙T電

4、橋電橋頻率頻率-電壓變換法測頻就是先把頻率變換為電壓或電流，電壓變換法測頻就是先把頻率變換為電壓或電流，然后以頻率刻度的電壓表或電流表來指示被測頻率。圖然后以頻率刻度的電壓表或電流表來指示被測頻率。圖7.2(a)為頻率為頻率-電壓變換法測正弦波頻率原理框圖。首先把正弦信號電壓變換法測正弦波頻率原理框圖。首先把正弦信號變換為頻率與之相等的尖脈沖變換為頻率與之相等的尖脈沖uA，然后加至單穩(wěn)多諧振蕩器，然后加至單穩(wěn)多諧振蕩器，產(chǎn)生頻率為產(chǎn)生頻率為fx、寬度為、寬度為、幅度為、幅度為Um的矩形脈沖列的矩形脈沖列uB(t)，如圖，如圖7.2(b)所示所示第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器

5、 4脈沖形成脈沖形成單穩(wěn)多諧振蕩器單穩(wěn)多諧振蕩器積分積分ux(fx)ABUoUoUmuBtttuxuATxTxTx(b)(a)圖圖7.2 頻率頻率-電壓變換法測頻原理圖電壓變換法測頻原理圖第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 5 可見，當可見，當Um、一定時，一定時，Uo指示就構成頻率指示就構成頻率電壓變換電壓變換型直讀式頻率計，電壓表直接按頻率刻度。該頻率計最高頻型直讀式頻率計，電壓表直接按頻率刻度。該頻率計最高頻率可達幾兆赫。率可達幾兆赫。 x0 xmBxo)(1TfUdttuTU第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 67.1.2 比較法比較法有源比較測頻法主要

6、包括拍頻法和差頻法。有源比較測頻法主要包括拍頻法和差頻法。1.拍頻法拍頻法拍頻法是將被測信號與標準信號經(jīng)線性元件（如耳機、拍頻法是將被測信號與標準信號經(jīng)線性元件（如耳機、電壓表）直接進行疊加來實現(xiàn)頻率測量的，其原理電路如圖電壓表）直接進行疊加來實現(xiàn)頻率測量的，其原理電路如圖7.3所示。所示。 V耳機耳機fsfx(a)示波器示波器(b)圖圖7.3 拍頻法測頻原理拍頻法測頻原理第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 7當兩個音頻信號逐漸靠近時，耳機中可以聽到兩個高低不當兩個音頻信號逐漸靠近時，耳機中可以聽到兩個高低不同的音調。當這兩個頻率靠近到差值不到同的音調。當這兩個頻率靠近到差值不

7、到46Hz時，就只能聽時，就只能聽到一個近于單一音調的聲音，這時，聲音的響度作周期性的變到一個近于單一音調的聲音，這時，聲音的響度作周期性的變化，再觀察電壓表，會發(fā)現(xiàn)指針在有規(guī)律地來回擺動，示波器化，再觀察電壓表，會發(fā)現(xiàn)指針在有規(guī)律地來回擺動，示波器上則可得到如圖上則可得到如圖7.3(b)所示的波形。拍頻法通常只用于音頻的測所示的波形。拍頻法通常只用于音頻的測量，而不宜用于高頻測量。量，而不宜用于高頻測量。第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 82.差頻法差頻法高頻段測頻常用差頻法測量。差頻法是利用非線性器件和高頻段測頻常用差頻法測量。差頻法是利用非線性器件和標準信號對被測信號進

8、行差頻變換來實現(xiàn)頻率測量的，其工作標準信號對被測信號進行差頻變換來實現(xiàn)頻率測量的，其工作原理如圖原理如圖7.4所示。所示。fx和和fs兩個信號經(jīng)混頻器混頻和濾波器濾波后兩個信號經(jīng)混頻器混頻和濾波器濾波后輸出二者的差頻信號，該差頻信號落在音頻信號范圍內(nèi)，調節(jié)輸出二者的差頻信號，該差頻信號落在音頻信號范圍內(nèi)，調節(jié)標準信號頻率，當耳機中聽不到聲音時，表明兩個信號頻率近標準信號頻率，當耳機中聽不到聲音時，表明兩個信號頻率近似相等。似相等。 fxV混頻混頻濾波放大濾波放大fs圖圖7.4 差頻法測頻原理差頻法測頻原理耳機耳機第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 97.2 電子計數(shù)器概述電子計

9、數(shù)器概述7.2.1 分類分類按其測試功能的不同，電子計數(shù)器分為以下幾類：按其測試功能的不同，電子計數(shù)器分為以下幾類：（1）通用電子計數(shù)器）通用電子計數(shù)器（2）頻率計數(shù)器）頻率計數(shù)器（3）計算計數(shù)器）計算計數(shù)器（4）特種計數(shù)器）特種計數(shù)器第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 107.2.2 基本組成基本組成：A輸入通道輸入通道閘門閘門十進制計數(shù)顯示十進制計數(shù)顯示門控電路門控電路邏輯控制電路邏輯控制電路B輸入通道輸入通道測頻測頻累加計數(shù)累加計數(shù)測時間測時間倍頻器倍頻器晶振晶振分頻器分頻器時標選擇時標選擇標準時間產(chǎn)生電路標準時間產(chǎn)生電路閘門時間選擇閘門時間選擇人工觸發(fā)人工觸發(fā)功能功能變

10、換變換圖圖7.5 通用電子計數(shù)器的組成框圖通用電子計數(shù)器的組成框圖第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 117.2.3 主要技術指標主要技術指標 1.測試功能測試功能 2.測量范圍測量范圍 3.輸入特性輸入特性（1）輸入耦合方式：有）輸入耦合方式：有AC和和DC兩種方式兩種方式（2）觸發(fā)電平及其可調范圍）觸發(fā)電平及其可調范圍（3）輸入靈敏度）輸入靈敏度（4）最高輸入電壓）最高輸入電壓（5）輸入阻抗（輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容）。）輸入阻抗（輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容）。4. 測量準確度測量準確度 第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 125.閘門時間和時標閘

11、門時間和時標閘門時間和時標由標準時間電路產(chǎn)生的信號決定。可以提閘門時間和時標由標準時間電路產(chǎn)生的信號決定?？梢蕴峁┑拈l門時間和時標信號有多種。供的閘門時間和時標信號有多種。6.顯示及工作方式顯示及工作方式（1）顯示位數(shù)）顯示位數(shù)（2）顯示時間）顯示時間（3）顯示器件）顯示器件（4）顯示方式）顯示方式7.輸出輸出輸出是指儀器可輸出的時標信號種類、輸出數(shù)碼輸出是指儀器可輸出的時標信號種類、輸出數(shù)碼的編碼方式及輸出電平。的編碼方式及輸出電平。第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 137.3 通用電子計數(shù)器通用電子計數(shù)器7.3.1 測量頻率測量頻率周期性信號在單位時間內(nèi)重復的次數(shù)稱為頻率

12、，即周期性信號在單位時間內(nèi)重復的次數(shù)稱為頻率，即f=N/T式中，式中，T為時間，單位為為時間，單位為“s”；N為在時間為在時間T內(nèi)周期性現(xiàn)象的重內(nèi)周期性現(xiàn)象的重復次數(shù)。復次數(shù)。電子計數(shù)器測頻原理框圖如圖電子計數(shù)器測頻原理框圖如圖7.6所示。被測信號經(jīng)過放所示。被測信號經(jīng)過放大整形，形成重復頻率為大整形，形成重復頻率為mfx的計數(shù)脈沖，作為閘門的輸入信的計數(shù)脈沖，作為閘門的輸入信號。門控電路的輸出信號稱為門控信號，控制著閘門的啟閉，號。門控電路的輸出信號稱為門控信號，控制著閘門的啟閉，閘門開啟時間等于分頻器輸出信號周期閘門開啟時間等于分頻器輸出信號周期KfTs。只有當閘門開啟。只有當閘門開啟（圖

13、中假設門控信號為高電平）時，計數(shù)脈沖才能通過閘門（圖中假設門控信號為高電平）時，計數(shù)脈沖才能通過閘門進入十進制計數(shù)器去計數(shù)，設計數(shù)結果為進入十進制計數(shù)器去計數(shù)，設計數(shù)結果為N。則存在關系：。則存在關系：第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 14 N=KfTsfxsfxxTKfNNTsfxTKNffs=1/Ts放大整放大整形電路形電路閘門閘門十進制十進制計數(shù)器計數(shù)器門控電路門控電路分頻器分頻器晶振晶振fxKfTsKfTs顯示器顯示器TsTxKfTsTx圖圖7.6 通用電子計數(shù)器測頻原理框圖通用電子計數(shù)器測頻原理框圖第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 15如果被測信號

14、經(jīng)過放大整形，再經(jīng)過如果被測信號經(jīng)過放大整形，再經(jīng)過m次倍頻，則滿足：次倍頻，則滿足： N=mKfTsfx式中，式中，N為閘門開啟期間十進制計數(shù)器計出的計數(shù)脈沖個數(shù)；為閘門開啟期間十進制計數(shù)器計出的計數(shù)脈沖個數(shù)；fx為被測信號頻率，其倒數(shù)為周期為被測信號頻率，其倒數(shù)為周期Tx；Ts為晶振信號周期；為晶振信號周期；m為倍頻次數(shù)；為倍頻次數(shù)；Kf為分頻次數(shù)，調節(jié)為分頻次數(shù)，調節(jié)Kf的旋鈕稱為的旋鈕稱為“閘門時間選閘門時間選擇擇”（或（或“時基選擇時基選擇”）開關，與）開關，與Ts的乘積等于閘門時間。的乘積等于閘門時間。為了使為了使N值能夠直接表示值能夠直接表示fx，常取，常取mKfTs=1ms、1

15、0ms、0.1s、1s、10s等幾種閘門時間。即當閘門時間為等幾種閘門時間。即當閘門時間為110ns(n為為整數(shù)整數(shù))，并且使閘門開啟時間的改變與計數(shù)器顯示屏上小數(shù)點，并且使閘門開啟時間的改變與計數(shù)器顯示屏上小數(shù)點位置的移動同步進行時，無需對計數(shù)結果進行換算，就可直位置的移動同步進行時，無需對計數(shù)結果進行換算，就可直接讀出測量結果。接讀出測量結果。 sfxxTKmfNmTNsfxTmKNf第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 167.3.2 測量周期測量周期頻率的倒數(shù)就是周期，電子計數(shù)器測量周期的原理與測頻率的倒數(shù)就是周期，電子計數(shù)器測量周期的原理與測頻原理相似，其原理框圖如圖頻

16、原理相似，其原理框圖如圖7.7所示。所示。KfTx放大整放大整形電路形電路閘門閘門計數(shù)顯示計數(shù)顯示門控電路門控電路倍頻器倍頻器(m)晶振晶振TxTxfs=1/Ts分頻器分頻器(1/Kf)KfTx圖圖7.7 通用電子計數(shù)器測周原理框圖通用電子計數(shù)器測周原理框圖Ts/mKfTxTs/m第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 17門控電路由經(jīng)放大整形、分頻后的被測信號控制，計數(shù)門控電路由經(jīng)放大整形、分頻后的被測信號控制，計數(shù)脈沖是晶振信號經(jīng)倍頻后的時間標準信號（即時標信號）。脈沖是晶振信號經(jīng)倍頻后的時間標準信號（即時標信號）。存在關系：存在關系：N=mKfTx/Ts式中，式中，Tx與與K

17、f的乘積等于閘門時間；的乘積等于閘門時間；Kf為分頻器分頻次數(shù)，調為分頻器分頻次數(shù)，調節(jié)的節(jié)的Kf旋鈕稱為旋鈕稱為“周期倍乘選擇周期倍乘選擇”開關，通常選用開關，通常選用10n，如，如1、10、102、103等，該方法稱為多周期測量法；等，該方法稱為多周期測量法；Ts為晶振為晶振信號周期，信號周期，fs為晶振信號頻率；為晶振信號頻率；Ts/m通常選用通常選用1ms、1s、0.1s、10ns等，改變等，改變Ts/m大小的旋鈕稱為大小的旋鈕稱為“時標選擇時標選擇”開關開關。ssxf1mfNmTNTKfssfx1mKNTfmKNT第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 18由上述分析得知

18、，通用電子計數(shù)器無論是測頻還由上述分析得知，通用電子計數(shù)器無論是測頻還是測周，其測量方法是依據(jù)閘門時間等于計數(shù)脈沖周是測周，其測量方法是依據(jù)閘門時間等于計數(shù)脈沖周期與閘門開啟時通過的計數(shù)脈沖個數(shù)之積，然后根據(jù)期與閘門開啟時通過的計數(shù)脈沖個數(shù)之積，然后根據(jù)被測量的定義進行推導計算而得出被測量。同樣道理，被測量的定義進行推導計算而得出被測量。同樣道理，也可以據(jù)此來測量頻率比、時間間隔、累加計數(shù)等。也可以據(jù)此來測量頻率比、時間間隔、累加計數(shù)等。第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 197.3.3 測量頻率比測量頻率比頻率比即兩個信號的頻率之比，電子計數(shù)器測量頻率比頻率比即兩個信號的頻率

19、之比，電子計數(shù)器測量頻率比的原理框圖如圖的原理框圖如圖7.8所示。其測量原理與測量頻率的原理所示。其測量原理與測量頻率的原理相似。不過此時有兩個輸入信號加到電子計數(shù)器輸入端，相似。不過此時有兩個輸入信號加到電子計數(shù)器輸入端，如果如果fAfB，就將頻率為，就將頻率為fB的信號經(jīng)的信號經(jīng)B通道輸入，去控制通道輸入，去控制閘門的啟閉，假設該信號未經(jīng)分頻器分頻，則閘門開啟閘門的啟閉，假設該信號未經(jīng)分頻器分頻，則閘門開啟時間等于時間等于TB(=1/fB)；而把頻率為；而把頻率為fA的信號從的信號從A通道輸入，通道輸入，假設該信號未經(jīng)過倍頻，設十進制計數(shù)器計數(shù)值為假設該信號未經(jīng)過倍頻，設十進制計數(shù)器計數(shù)值

20、為N，則，則存在關系：存在關系： TB=NTA N=TB/TA=fA/fB 第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 20TB=1/fB放大整形放大整形電路電路B閘門閘門計數(shù)顯示計數(shù)顯示門控電路門控電路放大整形放大整形電路電路AfA=1/TATB圖圖7.8 通用電子計數(shù)器測量頻率比原理框圖通用電子計數(shù)器測量頻率比原理框圖 TATBTAfA（B通道）通道）（A通道）通道）fB第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 21為了提高測量準確度，可以采用類似多周期測量的方法，在為了提高測量準確度，可以采用類似多周期測量的方法，在B通道增加分頻器，對通道增加分頻器，對fB進行進行Kf

21、次分頻，使閘門開啟時間擴展次分頻，使閘門開啟時間擴展Kf倍。則有：倍。則有： KfTB=NTAfA/fB=TB/TA=N/Kf當對當對fA進行進行m次倍頻，用次倍頻，用mfA作為時標信號時，存在關系：作為時標信號時，存在關系：KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 227.3.4 累加計數(shù)累加計數(shù)累加計數(shù)是指在限定時間內(nèi)，對輸入信號重復次數(shù)累加計數(shù)是指在限定時間內(nèi)，對輸入信號重復次數(shù)（即放大整形后的計數(shù)脈沖個數(shù)）進行累加。其測量原理（即放大整形后的計數(shù)脈沖個數(shù)）進行累加。其測量原理與測量頻率是相似的，不過此時門控電路改由人工控制。與測量

22、頻率是相似的，不過此時門控電路改由人工控制。其電路原理框圖如圖其電路原理框圖如圖7.9所示，當開關所示，當開關S打在打在“啟動啟動”位置時，位置時，閘門開啟，計數(shù)脈沖進入計數(shù)器計數(shù)，當開關閘門開啟，計數(shù)脈沖進入計數(shù)器計數(shù)，當開關S打在打在“終止終止”位置時，閘門關閉，終止計數(shù)，累加計數(shù)結果由顯示電路位置時，閘門關閉，終止計數(shù)，累加計數(shù)結果由顯示電路顯示。顯示。 第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 23啟動啟動閘門閘門計數(shù)顯計數(shù)顯示示門控電路門控電路放大整形放大整形電路電路A圖圖7.9 通用電子計數(shù)器累加計數(shù)原理框圖通用電子計數(shù)器累加計數(shù)原理框圖TATA輸入信號輸入信號A終止終止

23、（A通道）通道）啟動啟動終止終止S第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 247.3.5 測量時間間隔測量時間間隔圖圖7.10所示為測量時間間隔的原理框圖，其測量原理與所示為測量時間間隔的原理框圖，其測量原理與測量周期原理相似，不過控制閘門啟閉的是兩個（或單個）輸測量周期原理相似，不過控制閘門啟閉的是兩個（或單個）輸入信號在不同點產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生由觸發(fā)器的入信號在不同點產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生由觸發(fā)器的觸發(fā)電平與觸發(fā)極性選擇開關來決定觸發(fā)電平與觸發(fā)極性選擇開關來決定當測量兩個信號的時間間隔時，開關當測量兩個信號的時間間隔時，開關S1處于處于“單獨單獨”位置，測量

24、位置，測量原理如圖原理如圖7.11所示。所示。A輸入輸入(設時間超前設時間超前)產(chǎn)生起始觸發(fā)脈沖用于產(chǎn)生起始觸發(fā)脈沖用于開啟閘門，使十進制計數(shù)器開始對時標信號進行計數(shù)；開啟閘門，使十進制計數(shù)器開始對時標信號進行計數(shù)；B輸入輸入（設時間滯后）則產(chǎn)生終止觸發(fā)脈沖以關閉閘門，停止計數(shù)。（設時間滯后）則產(chǎn)生終止觸發(fā)脈沖以關閉閘門，停止計數(shù)。假設起始脈沖和終止脈沖分別選擇輸入假設起始脈沖和終止脈沖分別選擇輸入A、B正極性（即開關正極性（即開關S2、S3置于置于“+”處）、處）、50%電平處產(chǎn)生，計數(shù)值為電平處產(chǎn)生，計數(shù)值為N，則時間間隔，則時間間隔TAB存在以下關系：存在以下關系： 第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 25+觸發(fā)觸發(fā)器器1閘門閘門計數(shù)顯示計數(shù)顯示門控電路門控電路倍頻器倍頻器(m)(m)TsTAB圖圖7.10 通用電子計數(shù)器測量時間間隔原理框圖通用電子計數(shù)器測量時間間隔原理框圖Ts/mTABTs/m晶振晶振TA起始觸發(fā)器起始觸發(fā)器終止觸發(fā)器終止觸發(fā)器觸發(fā)觸發(fā)器器2-+-單獨公共TBS1S2S3觸發(fā)極性第 7 章 頻 率 和 時 間 測 量 及 儀 器 26當測量脈沖信號的時間間隔當測量脈沖信號的時間間隔如脈沖前沿如脈沖前沿tr、脈寬、脈寬等參數(shù)時，等參數(shù)時，將開關將開關S1置于置于“公共公共”位置，根據(jù)位置，根據(jù)被測量的定義，調節(jié)觸