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第四章(二)時(shí)間與頻率的測(cè)量4.1 概述4.2 標(biāo)準(zhǔn)頻率源4.3數(shù)字測(cè)量原理4.4 電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能4.5 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差4.6 時(shí)頻測(cè)量技術(shù)第四章(二)時(shí)間與頻率的測(cè)量4.1 概述4.1 概述4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念
1)時(shí)間和頻率的定義 2)時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn) 3)測(cè)量方法概述4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述
1)電子計(jì)數(shù)器的分類
2)主要技術(shù)指標(biāo) 3)電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展4.1 概述4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念
1)時(shí)間和頻率的定義◆時(shí)間有兩個(gè)含義:
“時(shí)刻”:即某個(gè)事件何時(shí)發(fā)生;
“時(shí)間間隔”:即某個(gè)時(shí)間相對(duì)于某一時(shí)刻持續(xù)了多久?!纛l率的定義:周期信號(hào)在單位時(shí)間(1s)內(nèi)的變化次數(shù)(周期數(shù))。如果在一定時(shí)間間隔T內(nèi)周期信號(hào)重復(fù)變化了N次,則頻率可表達(dá)為:f=N/T◆時(shí)間與頻率的關(guān)系:可以互相轉(zhuǎn)換。4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念1)時(shí)間和頻率的定義2)時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)◆最常見(jiàn)和最重要的測(cè)量 時(shí)間是7個(gè)基本國(guó)際單位之一,時(shí)間、頻率是極為重要的物理量,在通信、航空航天、武器裝備、科學(xué)試驗(yàn)、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化等民用和軍事方面都存在時(shí)頻測(cè)量?!魷y(cè)量準(zhǔn)確度高 時(shí)間頻率基準(zhǔn)具有最高準(zhǔn)確度(可達(dá)10-14),校準(zhǔn)(比對(duì))方便,因而數(shù)字化時(shí)頻測(cè)量可達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。因此,許多物理量的測(cè)量都轉(zhuǎn)換為時(shí)頻測(cè)量。◆自動(dòng)化程度高◆測(cè)量速度快4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念2)時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)◆最常見(jiàn)和最重要的測(cè)量4.1.1時(shí)間、3)測(cè)量方法概述◆頻率的測(cè)量方法可以分為:差頻法拍頻法示波法電橋法諧振法比較法直讀法李沙育圖形法測(cè)周期法模擬法頻率測(cè)量方法數(shù)字法電容充放電法電子計(jì)數(shù)器法數(shù)字化電子計(jì)數(shù)器法是時(shí)間、頻率測(cè)量的主要方法,目前,電子計(jì)數(shù)器幾乎取代了模擬式儀器。4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念3)測(cè)量方法概述◆頻率的測(cè)量方法可以分為:差頻法拍頻法示波法各種測(cè)量方法有著不同的實(shí)現(xiàn)原理,其復(fù)雜程度不同。各種測(cè)量方法有著不同的測(cè)量準(zhǔn)確度和適用的頻率范圍。數(shù)字化電子計(jì)數(shù)器法是時(shí)間、頻率測(cè)量的主要方法,是本章的重點(diǎn)。3)測(cè)量方法概述4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念各種測(cè)量方法有著不同的實(shí)現(xiàn)原理,其復(fù)雜程度不同。3)測(cè)量方法4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述1)電子計(jì)數(shù)器的分類◆按功能可以分為如下四類:
(1)通用計(jì)數(shù)器:可測(cè)量頻率、頻率比、周期、時(shí)間間隔、累加計(jì)數(shù)等。其測(cè)量功能可擴(kuò)展。
(2)頻率計(jì)數(shù)器:其功能限于測(cè)頻和計(jì)數(shù)。但測(cè)頻范圍往往很寬。
(3)時(shí)間計(jì)數(shù)器:以時(shí)間測(cè)量為基礎(chǔ),可測(cè)量周期、脈沖參數(shù)等,其測(cè)時(shí)分辨力和準(zhǔn)確度很高。
(4)特種計(jì)數(shù)器:具有特殊功能的計(jì)數(shù)器。包括可逆計(jì)數(shù)器、序列計(jì)數(shù)器、預(yù)置計(jì)數(shù)器等。用于工業(yè)測(cè)控。4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述1)電子計(jì)數(shù)器的分類1)電子計(jì)數(shù)器的分類按用途可分為:
測(cè)量用計(jì)數(shù)器和控制用計(jì)數(shù)器。按測(cè)量范圍可分為: (1)低速計(jì)數(shù)器(低于10MHz) (2)中速計(jì)數(shù)器(10~100MHz) (3)高速計(jì)數(shù)器(高于100MHz) (4)微波計(jì)數(shù)器(1~80GHz)
4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述1)電子計(jì)數(shù)器的分類按用途可分為:4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述2)主要技術(shù)指標(biāo)(1)測(cè)量范圍:毫赫~幾十GHz。(2)準(zhǔn)確度:可達(dá)10-9以上。(3)晶振頻率及穩(wěn)定度:晶體振蕩器是電子計(jì)數(shù)器的內(nèi)部基準(zhǔn),一般要求高于所要求的測(cè)量準(zhǔn)確度的一個(gè)數(shù)量級(jí)(10倍)。輸出頻率為1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等,普通晶振穩(wěn)定度為10-5,恒溫晶振達(dá)10-7~10-9。(4)輸入特性:包括耦合方式(DC、AC)、觸發(fā)電平(可調(diào))、靈敏度(10~100mV)、輸入阻抗(50Ω低阻和1MΩ//25pF高阻)等。(5)閘門時(shí)間(測(cè)頻):有1ms、10ms、100ms、1s、10s。(6)時(shí)標(biāo)(測(cè)周):有10ns、100ns、1ms、10ms。(7)顯示:包括顯示位數(shù)及顯示方式等。4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述2)主要技術(shù)指標(biāo)(1)測(cè)量范圍:毫赫~幾十GHz。4.1.23)電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展◆測(cè)量方法的不斷發(fā)展:模擬數(shù)字技術(shù)智能化?!魷y(cè)量準(zhǔn)確度和頻率上限是電子計(jì)數(shù)器的兩個(gè)重要指標(biāo),電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展體現(xiàn)了這兩個(gè)指標(biāo)的不斷提高及功能的擴(kuò)展和完善。◆例子:●通道:兩個(gè)225MHz通道,也可 選擇第三個(gè)12.4GHz通道?!衩棵?2位的頻率分辨率、150ps的時(shí)間間隔分辨率。●測(cè)量功能:包括頻率、頻率比、時(shí)間間隔、上升時(shí)間、下降時(shí)間、相位、占空比、正脈沖寬度、負(fù)脈沖寬度、總和、峰電壓、時(shí)間間隔平均和時(shí)間間隔延遲?!裉幚砉δ埽浩骄?、最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述3)電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展◆測(cè)量方法的不斷發(fā)展:模擬數(shù)字技術(shù)智4.2.1原子時(shí)標(biāo)的定義 1967年10月,第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過(guò)了秒的新定義:“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,770個(gè)周期的時(shí)間”。
1972年起實(shí)行,為全世界所接受。秒的定義由天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡到原子自然標(biāo)準(zhǔn),準(zhǔn)確度提高了4-5個(gè)量級(jí),達(dá)5×10-14(相當(dāng)于62萬(wàn)年±1秒),并仍在提高。4.2 標(biāo)準(zhǔn)頻率源4.2.1原子時(shí)標(biāo)的定義4.2 標(biāo)準(zhǔn)頻率源4.2.1原子時(shí)標(biāo)p136原子鐘原子時(shí)標(biāo)的實(shí)物儀器,可用于時(shí)間、頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和比對(duì)。銫原子鐘準(zhǔn)確度:10-13~10-14。大銫鐘,專用實(shí)驗(yàn)室高穩(wěn)定度頻率基準(zhǔn);小銫鐘,頻率工作基準(zhǔn)。銣原子鐘準(zhǔn)確度:10-11,體積小、重量輕,便于攜帶,可作為工作基準(zhǔn)。氫原子鐘短期穩(wěn)定度高:10-14~10-15,但準(zhǔn)確度較低(10-12)。4.2.1原子時(shí)標(biāo)p136原子鐘4.2.2石英晶體振蕩器電子計(jì)數(shù)器內(nèi)部時(shí)間、頻率基準(zhǔn)采用石英晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱“晶振”)為基準(zhǔn)信號(hào)源?;趬弘娦?yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫度影響(其頻率-溫度特性曲線有拐點(diǎn),在拐點(diǎn)處最平坦),普通晶體頻率準(zhǔn)確度為10-5。采用溫度補(bǔ)償或恒溫措施(恒定在拐點(diǎn)處的溫度)可得到高穩(wěn)定、高準(zhǔn)確的頻率輸出。恒溫晶振的組成4.2.2石英晶體振蕩器電子計(jì)數(shù)器內(nèi)部時(shí)間、頻率基準(zhǔn)采用石◆晶體振蕩器的主要指標(biāo)有:
輸出頻率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波動(dòng):2×10-10 ;日老化:1×10-10;秒穩(wěn):5×10-12。 輸出波形:正弦波;輸出幅度:0.5Vrms(負(fù)載50Ω)。◆幾種不同類型的晶體振蕩器指標(biāo)
晶振類型輸出頻率(MHz)日穩(wěn)定度準(zhǔn)確度普通1,1010-5~10-610-5溫度補(bǔ)償1,5,1010-6~10-710-6單恒溫槽1,2.5,5,1010-7~10-910-6~10-8雙恒溫槽2.5,5,1010-9~10-11優(yōu)于10-84.2.2
石英晶體振蕩器◆晶體振蕩器的主要指標(biāo)有:晶振類型輸出頻率(MHz)日穩(wěn)定度4.2.2
石英晶體振蕩器4.2.2石英晶體振蕩器4.3數(shù)字測(cè)量原理1)門控計(jì)數(shù)法測(cè)量原理◆時(shí)間、頻率量的特點(diǎn)
頻率是在時(shí)間軸上無(wú)限延伸的,因此,對(duì)頻率量的測(cè)量需確定一個(gè)取樣時(shí)間T,在該時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的周期累加計(jì)數(shù)(若計(jì)數(shù)值為N),根據(jù)fx=N/T得到頻率值。(P1374.4.2)
為實(shí)現(xiàn)時(shí)間(這里指時(shí)間間隔)的數(shù)字化測(cè)量,需將被測(cè)時(shí)間按盡可能小的時(shí)間單位(稱為時(shí)標(biāo))進(jìn)行量化,通過(guò)累計(jì)被測(cè)時(shí)間內(nèi)所包含的時(shí)間單位數(shù)(計(jì)數(shù))得到?!魷y(cè)量原理
將需累加計(jì)數(shù)的信號(hào)(頻率測(cè)量時(shí)為被測(cè)信號(hào),時(shí)間測(cè)量時(shí)為時(shí)標(biāo)信號(hào)),由一個(gè)“閘門”(主門)控制,并由一個(gè)“門控”信號(hào)控制閘門的開啟(計(jì)數(shù)允許)與關(guān)閉(計(jì)數(shù)停止)。4.3數(shù)字測(cè)量原理1)門控計(jì)數(shù)法測(cè)量原理4.3數(shù)字測(cè)量原理
閘門可由一個(gè)與(或“或”)邏輯門電路實(shí)現(xiàn)。這種測(cè)量方法稱為門控計(jì)數(shù)法。其原理如下圖所示。 上圖為由“與”邏輯門作為閘門,其門控信號(hào)為‘1’時(shí)閘門開啟(允許計(jì)數(shù)),為‘0’時(shí)閘門關(guān)閉(停止計(jì)數(shù))?!魷y(cè)頻時(shí),閘門開啟時(shí)間(稱為“閘門時(shí)間”)即為采樣時(shí)間。
測(cè)時(shí)間(間隔)時(shí),閘門開啟時(shí)間即為被測(cè)時(shí)間。4.3數(shù)字測(cè)量原理 閘門可由一個(gè)與(或“或”)邏輯門電路實(shí)2)通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用電子計(jì)數(shù)器的組成框圖如下圖所示:4.3數(shù)字測(cè)量原理2)通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用電子計(jì)數(shù)器的組成框圖如下圖所示:2)通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用計(jì)數(shù)器包括如下幾個(gè)部分①輸入通道:通常有A、B、C多個(gè)通道,以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能。輸入通道電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、整形等(但保持頻率不變),得到適合計(jì)數(shù)的脈沖信號(hào)。 通過(guò)預(yù)定標(biāo)器還可擴(kuò)展頻率測(cè)量范圍。②主門電路:完成計(jì)數(shù)的閘門控制作用。③計(jì)數(shù)與顯示電路:計(jì)數(shù)電路是通用計(jì)數(shù)器的核心電路,完成脈沖計(jì)數(shù);顯示電路將計(jì)數(shù)結(jié)果(反映測(cè)量結(jié)果)以數(shù)字方式顯示出來(lái)。④時(shí)基產(chǎn)生電路:產(chǎn)生機(jī)內(nèi)時(shí)間、頻率測(cè)量的基準(zhǔn),即時(shí)間測(cè)量的時(shí)標(biāo)和頻率測(cè)量的閘門信號(hào)。⑤控制電路:控制協(xié)調(diào)整機(jī)工作,即準(zhǔn)備測(cè)量顯示。4.3數(shù)字測(cè)量原理2)通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用計(jì)數(shù)器包括如下幾個(gè)部分4.3數(shù)2)通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用計(jì)數(shù)器包括如下幾個(gè)部分①輸入通道:通常有A、B、C多個(gè)通道,以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能。輸入通道電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、整形等(但保持頻率不變),得到適合計(jì)數(shù)的脈沖信號(hào)。 通過(guò)預(yù)定標(biāo)器還可擴(kuò)展頻率測(cè)量范圍。②主門電路:完成計(jì)數(shù)的閘門控制作用。③計(jì)數(shù)與顯示電路:計(jì)數(shù)電路是通用計(jì)數(shù)器的核心電路,完成脈沖計(jì)數(shù);顯示電路將計(jì)數(shù)結(jié)果(反映測(cè)量結(jié)果)以數(shù)字方式顯示出來(lái)。④時(shí)基產(chǎn)生電路:產(chǎn)生機(jī)內(nèi)時(shí)間、頻率測(cè)量的基準(zhǔn),即時(shí)間測(cè)量的時(shí)標(biāo)和頻率測(cè)量的閘門信號(hào)。⑤控制電路:控制協(xié)調(diào)整機(jī)工作,即準(zhǔn)備測(cè)量顯示。4.3數(shù)字測(cè)量原理2)通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用計(jì)數(shù)器包括如下幾個(gè)部分4.3數(shù)4.4電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成
1)A、B輸入通道 2)主門電路 3)計(jì)數(shù)與顯示電路 4)時(shí)基產(chǎn)生電路 5)控制電路4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能
1)頻率測(cè)量
2)頻率比測(cè)量 3)周期測(cè)量 4)時(shí)間間隔測(cè)量 5)自檢4.4電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能4.4.1電子計(jì)數(shù)器NFC1000C多功能頻率計(jì)數(shù)器主要技術(shù)指標(biāo)功能測(cè)頻、測(cè)周、計(jì)數(shù)、自校頻率測(cè)量范圍0.1Hz-1000MHz周期測(cè)量范圍100ns-10s靈敏度30mv(rms)輸入阻抗1MΩ/35pf(A通道)50Ω(B通道)輸入方式AC/DC(A通道)AC(B通道)動(dòng)態(tài)范圍30mVrms-1Vrms(A通道)-17dBm-+6dBm(B通道)觸發(fā)電平±2V連續(xù)可調(diào)測(cè)量誤差±時(shí)基準(zhǔn)確度±觸發(fā)誤差×被測(cè)頻率(或被測(cè)周期)±LSD晶振穩(wěn)定度±2V連續(xù)可調(diào)
體積與重量240x220x80(mm)32.0KgNFC1000C多功能頻率計(jì)數(shù)器測(cè)頻、測(cè)周、計(jì)數(shù)、自校頻率4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成數(shù)字顯示器寄存器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器
A通道(放大、整形)B通道(放大、整形)主門功能開關(guān)閘門選擇、周期倍乘÷10÷10÷10÷1010s(×104)1s(×103)100ms(×102)10ms(×10)1ms(×1)
時(shí)標(biāo)選擇12345332112445時(shí)基部分×10×10÷10÷10÷101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制時(shí)序電路開門鎖存復(fù)位控制時(shí)序電路波形周期測(cè)量頻率測(cè)量組成原理框圖4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成數(shù)字顯示器寄存器十進(jìn)制A通1)A、B輸入通道◆作用:它們主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)(包括出發(fā)電平調(diào)節(jié))等單元電路構(gòu)成。其作用是對(duì)輸入信號(hào)處理以產(chǎn)生符合計(jì)數(shù)要求(波形、幅度)的脈沖信號(hào)。
通過(guò)預(yù)定標(biāo)器(外插件)還可擴(kuò)展頻率測(cè)量范圍?!羲姑芴赜|發(fā)電路:利用斯密特觸發(fā)器的回差特性,對(duì)輸入信號(hào)具有較好的抗干擾作用。4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成1)A、B輸入通道◆作用:它們主要由放大/衰減、濾波、整形、通道組合可完成不同的測(cè)量功能:被計(jì)數(shù)的信號(hào)(常從A通道輸入)稱為計(jì)數(shù)端;控制閘門開啟的信號(hào)通道(常從B、C通道輸入)稱為控制端。從計(jì)數(shù)端輸入的信號(hào)有:被測(cè)信號(hào)(fx);內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)等;從控制端輸入的信號(hào)有:閘門信號(hào);被測(cè)信號(hào)(Tx)等;序號(hào)計(jì)數(shù)端信號(hào)控制端信號(hào)測(cè)試功能計(jì)數(shù)結(jié)果1內(nèi)時(shí)鐘(T0)內(nèi)時(shí)鐘(T)自檢N=T/T02被測(cè)信號(hào)(fx)內(nèi)時(shí)鐘(T)測(cè)量頻率(A)fx=N/T3內(nèi)時(shí)鐘(T0)被測(cè)周期(Tx)測(cè)量周期(B)Tx=NT04被測(cè)信號(hào)(fA)被測(cè)信號(hào)(fB)測(cè)量頻率比(A/B)fA/fB=N5內(nèi)時(shí)鐘(T0)被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量時(shí)間間隔(A-B)tB-C=NT06外輸入(TA)被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量外控時(shí)間間隔B-CtB-C=NTA7外待測(cè)信號(hào)(Nx)手控或遙控累加計(jì)數(shù)(A)Nx=N8內(nèi)時(shí)鐘(秒信號(hào))手控或遙控計(jì)時(shí)N(秒)1)A、B輸入通道4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成通道組合可完成不同的測(cè)量功能:序號(hào)計(jì)數(shù)端信號(hào)控制端信號(hào)測(cè)試功2)主門電路◆功能:主門也稱為閘門,通過(guò)“門控信號(hào)”控制進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖,使計(jì)數(shù)器只對(duì)預(yù)定的“閘門時(shí)間”之內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)?!?/p>
電路:由“與門”或“或門”構(gòu)成。其原理如下圖:◆由“與門”構(gòu)成的主門,其“門控信號(hào)”為‘1’時(shí),允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò);由“或門”構(gòu)成的主門,其“門控信號(hào)”為‘0’時(shí),允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)?!簟伴T控信號(hào)”還可手動(dòng)操作得到,如實(shí)現(xiàn)手動(dòng)累加計(jì)數(shù)。4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成2)主門電路◆功能:主門也稱為閘門,通過(guò)“門控信號(hào)”控制進(jìn)入3)計(jì)數(shù)與顯示電路◆功能:計(jì)數(shù)電路對(duì)通過(guò)主門的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)(計(jì)數(shù)值代表了被測(cè)頻率或時(shí)間),并通過(guò)數(shù)碼顯示器將測(cè)量結(jié)果直觀地顯示出來(lái)。 為了便于觀察和讀數(shù),通常使用十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路?!粲?jì)數(shù)電路的重要指標(biāo):最高計(jì)數(shù)頻率。 計(jì)數(shù)電路一般由多級(jí)雙穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成,受內(nèi)部狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時(shí)間限制,使計(jì)數(shù)電路存在最高計(jì)數(shù)頻率的限制。而且對(duì)多位計(jì)數(shù)器,最高計(jì)數(shù)頻率主要由個(gè)位計(jì)數(shù)器決定?!舨煌娐肪哂胁煌墓ぷ魉俣龋喝?4LS(74HC)系列為30-40MHz;74S系列為100MHz;CMOS電路約5MHz;ECL電路可達(dá)600MHz。4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成3)計(jì)數(shù)與顯示電路◆功能:計(jì)數(shù)電路對(duì)通過(guò)主門的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)(3)計(jì)數(shù)與顯示電路類型:?jiǎn)纹膳c可編程計(jì)數(shù)器單片集成的中小規(guī)模IC如:74LS90(MC11C90)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器;74LS390、CD4018(MC14018)為雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器??删幊逃?jì)數(shù)器IC如:Intel8253/8254等。顯示器LED、LCD、熒光顯示屏(VFD)等。顯示電路:包括鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)電路。如74LS47、CD4511等。專用計(jì)數(shù)與顯示單元電路:如ICM7216D。4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成3)計(jì)數(shù)與顯示電路類型:?jiǎn)纹膳c可編程計(jì)數(shù)器4.4.1電4)時(shí)基產(chǎn)生電路◆功能:產(chǎn)生測(cè)頻時(shí)的“門控信號(hào)”(多檔閘門時(shí)間可選)及時(shí)間測(cè)量時(shí)的“時(shí)標(biāo)”信號(hào)(多檔可選)?!魧?shí)現(xiàn):由內(nèi)部晶體振蕩器(也可外接),通過(guò)倍頻或分頻得到。再通過(guò)門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門控信號(hào)”。
如,若fc=1MHz,經(jīng) 106分頻后,可得到 fs=1Hz(周期Ts=1s) 的時(shí)基信號(hào),經(jīng)過(guò) 門控雙穩(wěn)態(tài)電路得 到寬度為Ts=1s的 門控信號(hào)。4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成4)時(shí)基產(chǎn)生電路◆功能:產(chǎn)生測(cè)頻時(shí)的“門控信號(hào)”(多檔閘門時(shí)4)時(shí)基產(chǎn)生電路◆要求:標(biāo)準(zhǔn)性:“門控信號(hào)”和“時(shí)標(biāo)”作為計(jì)數(shù)器頻率和時(shí)間測(cè)量的本地工作基準(zhǔn),應(yīng)當(dāng)具有高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度。多值性:為了適應(yīng)計(jì)數(shù)器較寬的測(cè)量范圍,要求“閘門時(shí)間”和“時(shí)標(biāo)”可多檔選擇。常用“閘門時(shí)間”有:1ms、10ms、100ms、1s、10s。常用的“時(shí)標(biāo)”有:10ns、100ns、1us、10us、100us、1ms。4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成4)時(shí)基產(chǎn)生電路◆要求:4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成5)控制電路◆功能:產(chǎn)生各種控制信號(hào),控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作,使整機(jī)按“復(fù)零-測(cè)量-顯示”的工作程序完成自動(dòng)測(cè)量的任務(wù)。如下圖所示:準(zhǔn)備期(復(fù)零,等待)
測(cè)量期(開門,計(jì)數(shù))
顯示期(關(guān)門,停止計(jì)數(shù))4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成5)控制電路◆功能:產(chǎn)生各種控制信號(hào),控制、協(xié)調(diào)各電路單元的4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能1)頻率測(cè)量(p138)
◆原理:計(jì)數(shù)器嚴(yán)格按照的定義實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。 根據(jù)上式的頻率定義,T為采樣時(shí)間,N為T內(nèi)的周期數(shù)。采樣時(shí)間T預(yù)先由閘門時(shí)間Ts確定(時(shí)基頻率為fs)。則或 該式表明,在數(shù)字化頻率測(cè)量中,可用計(jì)數(shù)值N表示fx?!衾纾洪l門時(shí)間Ts=1s,若計(jì)數(shù)值N=10000,則顯示的fx為“10000”Hz,或“10.000”kHz。如閘門時(shí)間Ts=0.1s,則計(jì)數(shù)值N=1000,則顯示的fx為“10.00”kHz。請(qǐng)注意:顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義,它表示了頻率測(cè)量的分辨力(應(yīng)等于時(shí)基頻率fs)。4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能1)頻率測(cè)量(p138) 1)頻率測(cè)量(續(xù))原理框圖和工作波形圖(fx由A通道輸入,內(nèi)部時(shí)基)為便于測(cè)量和顯示,計(jì)數(shù)器通常為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,多檔閘門時(shí)間設(shè)定為10的冪次方,這樣可直接顯示計(jì)數(shù)結(jié)果,并通過(guò)移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)和單位的配合,就可得到被測(cè)頻率。測(cè)量速度與分辨力:閘門時(shí)間Ts為頻率測(cè)量的采樣時(shí)間,Ts愈大,則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng),但計(jì)數(shù)值N愈大,分辨力愈高。TB放大、整形閘門門控電路計(jì)數(shù)顯示Afx分頻電路時(shí)基Ts4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能1)頻率測(cè)量(續(xù))原理框圖和工作波形圖(fx由A通道輸入,內(nèi)4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能2)頻率比的測(cè)量(p141)◆原理:實(shí)際上,前述頻率測(cè)量的比較測(cè)量原理就是一種頻率比的測(cè)量:fx對(duì)fs的頻率比。 據(jù)此,若要測(cè)量fA對(duì)fB的頻率比(假設(shè)fA>fB),只要用fB的周期TB作為閘門,在TB時(shí)間內(nèi)對(duì)fA作周期計(jì)數(shù)即可?!舴椒ǎ篺A對(duì)fB分別由A、B兩通道輸入,如下圖。
4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能2)頻率比的測(cè)量(p141)◆注意:頻率較高者由A通道輸入,頻率較低者由B通道輸入?!籼岣哳l率比的測(cè)量精度:
擴(kuò)展B通道信號(hào)的周期個(gè)數(shù)。
例如:以B通道信號(hào)的10個(gè)周期作為閘門信號(hào),則計(jì)數(shù)值為:,即計(jì)數(shù)值擴(kuò)大了10倍,相應(yīng)的測(cè)量精度也就提高了10倍。為得到真實(shí)結(jié)果,需將計(jì)數(shù)值N縮小10倍(小數(shù)點(diǎn)左移1位),即◆應(yīng)用:可方便地測(cè)得電路的分頻或倍頻系數(shù)。2)頻率比的測(cè)量(續(xù))4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能◆注意:頻率較高者由A通道輸入,頻率較低者由B通道輸入。2)3)周期的測(cè)量(p143)◆原理:“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)法”周期測(cè)量。 對(duì)被測(cè)周期Tx,用已知的較小單位時(shí)間刻度T0(“時(shí)標(biāo)”)去量化,由Tx所包含的“時(shí)標(biāo)”數(shù)N即可得到Tx。即 該式表明,“時(shí)標(biāo)”的計(jì)數(shù)值N可表示周期Tx。也體現(xiàn)了時(shí)間間隔(周期)的比較測(cè)量原理?!魧?shí)現(xiàn):由Tx得到閘門;在Tx內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)。 ——Tx由B通道輸入,內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)由A通道輸入(A通道外部輸入斷開)。4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能3)周期的測(cè)量(p143)4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能◆原理框圖:◆例如:時(shí)標(biāo)T0=1us,若計(jì)數(shù)值N=10000,則顯示的Tx為“10000”us,或“10.000”ms。如時(shí)標(biāo)T0=10us,則計(jì)數(shù)值N=1000,顯示的Tx為“10.00”ms。請(qǐng)注意:顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義,它表示了周期測(cè)量的分辨力(應(yīng)等于時(shí)標(biāo)T0)。為便于顯示,多檔時(shí)標(biāo)設(shè)定為10的冪次方。◆測(cè)量速度與分辨力:一次測(cè)量時(shí)間即為一個(gè)周期Tx,Tx愈大(頻率愈低)則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng);計(jì)數(shù)值N與時(shí)標(biāo)有關(guān),時(shí)標(biāo)愈小分辨力愈高。3)周期的測(cè)量(續(xù))圖4.5.14.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能◆原理框圖:3)周期的測(cè)量(續(xù))圖4.5.14.4.2電4)時(shí)間間隔的測(cè)量(p145)◆時(shí)間間隔:指兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)之間的時(shí)間段。在測(cè)量技術(shù)中,兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)通常由兩個(gè)事件確定。如,一個(gè)周期信號(hào)的兩個(gè)同相位點(diǎn)(如過(guò)零點(diǎn))所確定的時(shí)間間隔即為周期?!魞蓚€(gè)事件的例子及測(cè)量參數(shù)還有:
同一信號(hào)波形上兩個(gè)不同點(diǎn)之間脈沖信號(hào)參數(shù);
兩個(gè)信號(hào)波形上,兩點(diǎn)之間相位差的測(cè)量; 手動(dòng)觸發(fā)定時(shí)、累加計(jì)數(shù)?!?/p>
測(cè)量方法:由兩個(gè)事件觸發(fā)得到起始信號(hào)和終止信號(hào),經(jīng)過(guò)門控雙穩(wěn)態(tài)電路得到“門控信號(hào)”,門控時(shí)間即為被測(cè)的時(shí)間間隔。在門控時(shí)間內(nèi),仍采用“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)”方法測(cè)量(即所測(cè)時(shí)間間隔由“時(shí)標(biāo)”量化)。
4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能4)時(shí)間間隔的測(cè)量(p145)4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功4)時(shí)間間隔的測(cè)量(續(xù))原理框圖 欲測(cè)量時(shí)間間隔的起始、終止信號(hào)分別由B、C通道輸入。時(shí)標(biāo)由機(jī)內(nèi)提供。如下圖。4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能4)時(shí)間間隔的測(cè)量(續(xù))原理框圖4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量5)相位的測(cè)量(p146)相位差的測(cè)量(脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)相位)利用時(shí)間間隔的測(cè)量,可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻率的信號(hào)之間的相位差。兩個(gè)信號(hào)分別由B、C通道輸入,并選擇相同的觸發(fā)極性和觸發(fā)電平。測(cè)量原理如下圖:4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能使輸出電壓與兩個(gè)輸入信號(hào)之間相位差有確定關(guān)系的電路5)相位的測(cè)量(p146)相位差的測(cè)量(脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)相位)45)相位的測(cè)量(p146)4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能將相位差為&的兩個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定時(shí)間間隔的起始和終止脈沖時(shí)標(biāo)周期T0門控信號(hào)脈沖鑒相器取時(shí)標(biāo)頻率f0為360度5)相位的測(cè)量(p146)4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能將4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能5)自檢(自校)◆功能:檢驗(yàn)儀器內(nèi)部電路及邏輯關(guān)系是否正常?!魧?shí)現(xiàn)方法:為判斷自檢結(jié)果是否正確,該結(jié)果應(yīng)該在自檢實(shí)施前即是已知的。為此,用機(jī)內(nèi)的時(shí)基Ts(閘門信號(hào))對(duì)時(shí)標(biāo)T0計(jì)數(shù),則計(jì)數(shù)結(jié)果應(yīng)為:◆自檢的方框圖:◆ 例如:若選擇Ts=10ms, T0=1us,則自檢顯示應(yīng) 穩(wěn)定在N=10000。◆自檢不能檢測(cè)內(nèi)部基準(zhǔn)源。放大、整形晶振放大、整形閘門計(jì)數(shù)器顯示門控電路分頻電路T0Tx4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能5)自檢(自校)放大、整形晶4.5電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源
1)量化誤差;2)觸發(fā)誤差;3)標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析
1)誤差表達(dá)式;2)量化誤差的影響; 3)實(shí)例分析4.5.3周期測(cè)量的誤差分析
1)誤差表達(dá)式;2)量化誤差的影響; 3)觸發(fā)誤差
4.5電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源1)量化誤差(p141)◆量化誤差:由前述頻率測(cè)量fx=N/Ts=Nfs和周期測(cè)量Tx=NT0,可見(jiàn),由于計(jì)數(shù)值N為整數(shù),fx和Tx必然產(chǎn)生“截?cái)嗾`差”,該誤差即為“量化誤差”。也稱為“±1誤差”,它是所有數(shù)字化儀器都存在的誤差?!舢a(chǎn)生原因:量化誤差并非由于計(jì)數(shù)值N的不準(zhǔn)確(也并非標(biāo)準(zhǔn)頻率源fs或時(shí)標(biāo)T0的不準(zhǔn)確)造成。而是由于閘門開啟和關(guān)閉的時(shí)間與被測(cè)信號(hào)不同步引起(亦即開門和關(guān)門時(shí)刻與被測(cè)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻是隨機(jī)的),使得在閘門開始和結(jié)束時(shí)刻有一部分時(shí)間零頭沒(méi)有被計(jì)算在內(nèi)而造成的測(cè)量誤差?!粝聢D為頻率測(cè)量時(shí)量化誤差的示意圖。4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源1)量化誤差(p141)1)量化誤差(續(xù))如圖,對(duì)同一被測(cè)信號(hào),在相同的閘門時(shí)間內(nèi),計(jì)數(shù)結(jié)果不同。根據(jù)頻率定義,準(zhǔn)確的fx應(yīng)為 式中, 即,或 因此,量化誤差的影響相當(dāng)于計(jì)數(shù)值N的“±”個(gè)字。真實(shí)值4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源1)量化誤差(續(xù))如圖,對(duì)同一被測(cè)信號(hào),在相同的閘門時(shí)間內(nèi),4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源1)量化誤差(續(xù))4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源1)量化誤差(續(xù))4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源2)觸發(fā)誤差◆什么是觸發(fā)誤差:輸入信號(hào)都需經(jīng)過(guò)通道電路放大、整形等,得到脈沖信號(hào),即輸入信號(hào)(轉(zhuǎn)換為)脈沖信號(hào)。 這種轉(zhuǎn)換要求只對(duì)信號(hào)幅值和波形變換,不能改變其頻率。但是,若輸入被測(cè)信號(hào)疊加有干擾信號(hào),則信號(hào)的頻率(周期)及相對(duì)閘門信號(hào)的觸發(fā)點(diǎn)就可能變化。由此產(chǎn)生的測(cè)量誤差稱為“觸發(fā)誤差”,也稱為“轉(zhuǎn)換誤差”。◆如圖。周期為Tx的輸 入信號(hào),觸發(fā)電平在 A1點(diǎn),但在A1’點(diǎn)上有 干擾信號(hào)(幅度Vn)。 提前觸發(fā),周期TxTx’。4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源2)觸發(fā)誤差4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源3)標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差(P142)
機(jī)內(nèi)時(shí)基(閘門時(shí)間)和時(shí)標(biāo)是頻率和時(shí)間間隔測(cè)量的參考基準(zhǔn),它們由內(nèi)部晶體振蕩器(標(biāo)準(zhǔn)頻率源)分頻或倍頻后產(chǎn)生。因此,其準(zhǔn)確度和測(cè)量時(shí)間之內(nèi)的短期穩(wěn)定度將直接影響測(cè)量結(jié)果。
通常,要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差小于測(cè)量誤差的一個(gè)數(shù)量級(jí)。 因此,內(nèi)部晶振要求較高穩(wěn)定性。若不能滿足測(cè)量要求,還可外接更高準(zhǔn)確度的外部基準(zhǔn)源。4.5.1測(cè)量誤差的來(lái)源3)標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差(P142)4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析1)誤差表達(dá)式(p141)◆由頻率測(cè)量表達(dá)式:fx=N/Ts=Nfs,計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻的誤差主要由兩項(xiàng)組成:即量化誤差(±1誤差)和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差??傉`差采用分項(xiàng)誤差絕對(duì)值合成,即:
式中,
即為±1誤差,其最大值為,而 由于fs由晶振(fc)分頻得到,設(shè)fs=fc/k,則 于是,頻率測(cè)量的誤差表達(dá)式可寫成:4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析1)誤差表達(dá)式(p141)1)誤差表達(dá)式誤差曲線P143圖4.4.9更正錯(cuò)誤:縱坐標(biāo)負(fù)指數(shù)分析:誤差曲線直觀地表示了測(cè)頻誤差與被測(cè)頻率fx和閘門時(shí)間Ts的關(guān)系。fx愈大則誤差愈小,閘門時(shí)間愈大誤差也愈小,并且,測(cè)頻誤差以標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為極限。1)誤差表達(dá)式誤差曲線分析:誤差曲線直觀地表示了測(cè)頻誤差與被4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析2)量化誤差的影響◆從頻率測(cè)量的誤差表達(dá)式:
可知,量化誤差為
它是頻率測(cè)量的主要誤差(標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差一般可忽略)。
為減小量化誤差,需增大計(jì)數(shù)值N:增大閘門時(shí)間Ts或在相同的閘門時(shí)間內(nèi)測(cè)量較高的頻率可得到較大的N?!舻枳⒁猓涸龃箝l門時(shí)間將降低測(cè)量速度,并且計(jì)數(shù)值的增加不應(yīng)超過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量,否則將產(chǎn)生溢出(高位無(wú)法顯示)。
例如:一個(gè)6位的計(jì)數(shù)器,最大顯示為999999,當(dāng)用Ts=10s的閘門測(cè)量fx=1MHz時(shí),應(yīng)顯示“1000000.0”Hz或1.0000000”MHz,顯然溢出。4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析2)量化誤差的影響4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析3)實(shí)例分析[例]被測(cè)頻率fx=1MHz,選擇閘門時(shí)間Ts=1s,則由±1誤差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差(不考慮標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差)為:
若Ts增加為10s,則計(jì)數(shù)值增加10倍,相應(yīng)的測(cè)頻誤差也降低10倍,為±1×10-7,但測(cè)量時(shí)間將延長(zhǎng)10倍。注意:該例中,當(dāng)選擇閘門時(shí)間Ts=1s時(shí),要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差優(yōu)于±1×10-7(即比量化誤差高一個(gè)數(shù)量級(jí)),否則,標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差在總測(cè)量誤差中不能忽略。4.5.2頻率測(cè)量的誤差分析3)實(shí)例分析4.5.3周期測(cè)量的誤差分析(P144)1)誤差表達(dá)式◆由測(cè)周的基本表達(dá)式:
根據(jù)誤差合成公式,可得:
式中,和分別為量化誤差和時(shí)標(biāo)周期誤差。由(Tc為晶振周期,k為倍頻或分頻比),有:而計(jì)數(shù)值N為:
所以,4.5.3周期測(cè)量的誤差分析(P144)1)誤差表達(dá)式4.5.3周期測(cè)量的誤差分析2)誤差的影響◆由測(cè)周的誤差表達(dá)式: 其中,第一項(xiàng)即為量化誤差。它表示Tx愈大(被測(cè)信號(hào)的頻率愈低),則量化誤差愈小,其意義為Tx愈大則計(jì)入的時(shí)標(biāo)周期數(shù)N愈大。另外,晶振的分頻系數(shù)k愈小,則時(shí)標(biāo)周期愈小,在相同的Tx內(nèi)計(jì)數(shù)值愈大。 此外,第二項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差,通常也要求小于測(cè)量誤差的一個(gè)數(shù)量級(jí),這時(shí)就可作為微小誤差不予考慮?!魹闇p小量化誤差,應(yīng)增加計(jì)數(shù)值N,但也需注意不可使其溢出。
例如:一個(gè)6位的計(jì)數(shù)器,最大顯示為999999,當(dāng)用T0=1us的時(shí)標(biāo)測(cè)量Tx=10s(fx=0.1Hz)時(shí),應(yīng)顯示“10000000”us或“10.000000”s,顯然溢出。4.5.3周期測(cè)量的誤差分析2)誤差的影響4.5.3周期測(cè)量的誤差分析3)觸發(fā)誤差◆頻率測(cè)量時(shí)觸發(fā)誤差的影響 ●尖峰脈沖的干擾
如圖,尖峰脈沖只 引起觸發(fā)點(diǎn)的改變, 對(duì)測(cè)頻影響不大。
●高頻疊加干擾
如圖,產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。 ●措施
增大觸發(fā)窗或減小信號(hào)幅度;
輸入濾波。
高頻干擾下多次觸發(fā)4.5.3周期測(cè)量的誤差分析3)觸發(fā)誤差高頻干擾下多次觸發(fā)◆周期測(cè)量時(shí)觸發(fā)誤差的影響●尖峰脈沖
周期測(cè)量時(shí),尖峰脈沖的干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常嚴(yán)重。如圖,測(cè)量誤差為:●分析
設(shè)輸入為正弦波:,干擾幅度為Vn。對(duì)觸發(fā)點(diǎn)A1作切線ab,其斜率為
則,
可見(jiàn),愈小,即觸發(fā)點(diǎn)愈陡峭,誤差愈小。4.5.3周期測(cè)量的誤差分析◆周期測(cè)量時(shí)觸發(fā)誤差的影響4.5.3周期測(cè)量的誤差分析進(jìn)一步推導(dǎo)觸發(fā)點(diǎn)的斜率,如下:實(shí)際中,對(duì)正弦輸入信號(hào),常選擇過(guò)零點(diǎn)為觸發(fā)點(diǎn)(具有最陡峭的斜率),則觸發(fā)點(diǎn)電壓VB滿足:于是,有:若考慮在一個(gè)周期開始和結(jié)束時(shí)可能都存在觸發(fā)誤差,分別用表示,并按隨機(jī)誤差的均方根合成,得到:●結(jié)論:測(cè)周時(shí)為減小觸發(fā)誤差,應(yīng)提高信噪比。4.5.3周期測(cè)量的誤差分析進(jìn)一步推導(dǎo)觸發(fā)點(diǎn)的斜率,如下:4.5.3周期測(cè)量的誤差分析4.6時(shí)頻測(cè)量技術(shù)4.6.1調(diào)制域測(cè)量 1)調(diào)制域測(cè)量 2)調(diào)制域測(cè)量的意義4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理 1)瞬時(shí)頻率測(cè)量原理 2)無(wú)間隔計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)3)提高測(cè)量速度與分辨力的方法4)調(diào)制域分析的應(yīng)用5)發(fā)展動(dòng)態(tài)4.6時(shí)頻測(cè)量技術(shù)4.6.1調(diào)制域測(cè)量4.6.1調(diào)制域測(cè)量(P270)1)調(diào)制域測(cè)量◆時(shí)域與頻域分析的局限性 一個(gè)實(shí)際的信號(hào)可以從時(shí)域和頻域進(jìn)行描述和分析,時(shí)域分析可以了解信號(hào)波形(幅值)隨時(shí)間的直觀變化;頻域分析則可以了解信號(hào)中所含頻譜分量,但是,卻不能把握各頻譜分量在何時(shí)出現(xiàn)?!粽{(diào)制域概念 在通信等領(lǐng)域中,各種復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)越來(lái)越多地被人們使用,因而,常常需要了解信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化,以便對(duì)調(diào)制信號(hào)等進(jìn)行有效分析——即調(diào)制域分析。
調(diào)制域即指由頻率軸(F)和時(shí)間軸(T)共同構(gòu)成的平面域。4.6.1調(diào)制域測(cè)量(P270)1)調(diào)制域測(cè)量4.6.1調(diào)制域測(cè)量(P270)下圖所示描述了同一信號(hào)在時(shí)域(V-T)、頻域(V-F)、調(diào)制域(F-T)的特性。(P272)◆調(diào)制域分析儀能夠完成調(diào)制域分析的測(cè)量?jī)x器稱為調(diào)制域分析儀。調(diào)制域測(cè)量技術(shù)是對(duì)時(shí)域和頻域測(cè)量技術(shù)的補(bǔ)充和完善。4.6.1調(diào)制域測(cè)量(P270)下圖所示描述了同一信號(hào)在時(shí)4.6.1調(diào)制域測(cè)量(P270)2)調(diào)制域測(cè)量的意義
調(diào)制域描繪出了頻率、時(shí)間間隔或相位等隨時(shí)間的變化曲線。
方便地表達(dá)出頻域和時(shí)域中難以描述的信號(hào)參數(shù)和信號(hào)特性。為人們對(duì)復(fù)雜信號(hào)的測(cè)試和分析提供了方便直觀的方法,解決了一些難以用傳統(tǒng)方法或不可能用傳統(tǒng)方法解決的難題。
4.6.1調(diào)制域測(cè)量(P270)2)調(diào)制域測(cè)量的意義汽車遙控鑰匙的頻譜與ASK調(diào)制波形實(shí)例,ASK信號(hào)的基帶、時(shí)鐘、射頻調(diào)制波形與頻譜之間的關(guān)系。
遙控玩具車的控制信號(hào)幅移鍵控信號(hào)汽車遙控鑰匙的頻譜與ASK調(diào)制波形實(shí)例,ASK信號(hào)的基帶FSK數(shù)字碼無(wú)線抄表測(cè)試實(shí)例在測(cè)試射頻信號(hào)的頻譜的同時(shí),測(cè)試了FSK碼流變化
胎壓監(jiān)測(cè)實(shí)例,圖中下半部分為FSK頻譜顯示,上半部分橙色曲線為射頻信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的曲線,該曲線可以清晰地顯現(xiàn)FSK的數(shù)字碼
FSK數(shù)字碼無(wú)線抄表測(cè)試實(shí)例在測(cè)試射頻信號(hào)的頻譜的同時(shí),測(cè)試4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理1)瞬時(shí)頻率測(cè)量原理◆瞬時(shí)頻率的概念 信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化,可將頻率量視為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù),用f(t)表示。f(t)也代表了時(shí)間t時(shí)的瞬時(shí)頻率?!羝骄l率 實(shí)際上,由于測(cè)量上的困難,瞬時(shí)頻率只是一種理論上的概念。因?yàn)樗袦y(cè)量都需要一定的采樣時(shí)間(閘門時(shí)間),測(cè)量結(jié)果則為該采樣時(shí)間內(nèi)的平均頻率?!粲闷骄l率逼近瞬時(shí)頻率 在時(shí)間軸上以某個(gè)時(shí)刻t0為起始點(diǎn),連續(xù)地對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣,則:4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理1)瞬時(shí)頻率測(cè)量原理各采樣計(jì)數(shù)值Mi與相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)ti相對(duì)應(yīng)。則可得到采樣時(shí)間內(nèi)的平均頻率值。當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)限小時(shí)即可得到各時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)頻率值。如下圖所示,采樣點(diǎn)A作為時(shí)間起始點(diǎn)t0,則:在采樣點(diǎn)B得到事件周期值M1和時(shí)間標(biāo)記:(T0為時(shí)標(biāo))在采樣點(diǎn)C得到事件周期值M2和時(shí)間標(biāo)記:于是,B點(diǎn)的頻率為:同理,C點(diǎn)的頻率為如此連續(xù)不斷地測(cè)量下去就得到了時(shí)頻曲線。4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理各采樣計(jì)數(shù)值Mi與相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)ti相對(duì)應(yīng)。則可得到采樣時(shí)間內(nèi)的4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理2)無(wú)間隙計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)(P274)◆無(wú)間隙計(jì)數(shù)器通用計(jì)數(shù)器的頻率測(cè)量,其前后兩次閘門之間必然存在一段間隙時(shí)間(顯示、存儲(chǔ)、下一次測(cè)量準(zhǔn)備),使有用信息被丟失,導(dǎo)致時(shí)間軸上的不連續(xù)性。為此,就要使用無(wú)間隙計(jì)數(shù)器方案?!魧?shí)現(xiàn)原理
使用兩組計(jì)數(shù)器交替工作,每一組都包括時(shí)間計(jì)數(shù)器(對(duì)時(shí)標(biāo)T0)和事件計(jì)數(shù)器。當(dāng)一組計(jì)數(shù)器工作時(shí),另一組計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示等工作。如此往復(fù)交替,完成時(shí)間軸上無(wú)間隙的測(cè)量。
4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理2)無(wú)間隙計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)(P274)4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理工作原理波形圖4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理工作原理波形圖◆原理框圖4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理◆原理框圖4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理3)提高測(cè)量速度與分辨力的方法◆采用同步和內(nèi)插技術(shù)提高分辨力兩組基本計(jì)數(shù)器均采用雙計(jì)數(shù)器(事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器)且閘門由輸入信號(hào)同步,同時(shí)采用內(nèi)插技術(shù)進(jìn)一步提高分辨力?!糇钚〔蓸訒r(shí)間兩組計(jì)數(shù)器交替計(jì)數(shù),即當(dāng)一組計(jì)數(shù)器在采樣計(jì)數(shù)時(shí),另一組基本計(jì)數(shù)器正在進(jìn)行內(nèi)插、讀數(shù)、清零等操作,因此最小采樣時(shí)間滿足下式:該式中,后3項(xiàng)取決于器件速度(一般選用高速器件),因此應(yīng)設(shè)法減小內(nèi)插時(shí)間以提高測(cè)量速度。4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理3)提高測(cè)量速度與分辨力的方法◆內(nèi)插時(shí)間
在使用模擬內(nèi)插法時(shí),設(shè)開門和關(guān)門脈沖的最大寬度為Tm(兩個(gè)零頭時(shí)間),放大倍數(shù)為K,則內(nèi)插時(shí)間為:KTm。為減小內(nèi)插時(shí)間,可提高時(shí)基頻率(如采用更高頻率的晶振)以減小Tm的值。但時(shí)基頻率的提高將給器件的選擇和電路設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。減小內(nèi)插時(shí)間還可減小內(nèi)插系數(shù)K,但K值太小測(cè)時(shí)分辨力降低,為適應(yīng)某些高測(cè)時(shí)分辨力要求,必須協(xié)調(diào)好采樣速度和高測(cè)時(shí)分辨力的矛盾。4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理由于T1和T2均很?。ㄐ∮跁r(shí)標(biāo)),采用普通的“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)法”難以實(shí)現(xiàn)(需要非常小的時(shí)標(biāo))。其實(shí)現(xiàn)的基本思路是:對(duì)T1和T2作時(shí)間擴(kuò)展(放大)后測(cè)量◆內(nèi)插時(shí)間 4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理由于T1和T2均很?。ㄐ 舨捎昧魉鳂I(yè)法提高測(cè)量速度流水作業(yè)法:即用幾套相同的硬件順序、連貫地工作,從而提高整體的采樣速率。工作時(shí)序如下圖所示。圖中,T為一套硬件的最小采樣時(shí)間,當(dāng)采用4套硬件時(shí),整機(jī)工作速度將提高4倍。但是,其速度的提高以硬件的復(fù)雜性和成本的提高為代價(jià)。TLine21Line11Line31Line41Line114.6.2時(shí)頻測(cè)量原理◆采用流水作業(yè)法提高測(cè)量速度TLine21Line11Lin4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理4)調(diào)制域分析的應(yīng)用◆典型應(yīng)用——調(diào)制參數(shù)的測(cè)試:頻率調(diào)制是通信系統(tǒng)所用的很多調(diào)制電路的基礎(chǔ)。通過(guò)調(diào)制域分析,可立即顯示調(diào)制波形,提供載波頻率、峰-峰值頻偏、調(diào)制率等關(guān)鍵參數(shù)。如下圖。4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理4)調(diào)制域分析的應(yīng)用4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理5)發(fā)展動(dòng)態(tài)隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展,調(diào)制域分析技術(shù)和儀器產(chǎn)品在高新技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并發(fā)揮重要作用。國(guó)外從80年代起開始調(diào)制域分析儀研制(如HP5371A、5373A)。目前已有HP5372A、HP5373A、HP53310A及VXI模塊HPE1740A、HPE1725A等。國(guó)際先進(jìn)水平的調(diào)制域分析儀達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)為:直接測(cè)量頻率:10Hz~500MHz;測(cè)時(shí)分辨率:200ps;連續(xù)采樣速率:10MHz。4.6.2時(shí)頻測(cè)量原理5)發(fā)展動(dòng)態(tài)一、填空題1、測(cè)量頻率時(shí),通用計(jì)數(shù)器采用的閘門時(shí)間越
,測(cè)量準(zhǔn)確度越高。2、在用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率時(shí),為了減小誤差,對(duì)于低頻被測(cè)信號(hào)應(yīng)采用
法測(cè)量頻率。3、電子計(jì)數(shù)器的基本測(cè)量功能是測(cè)量
和測(cè)量時(shí)間(周期)。二、選擇題1.用計(jì)數(shù)器測(cè)頻的誤差主要包括
A.量化誤差、觸發(fā)誤差 B.量化誤差、轉(zhuǎn)換誤差C.觸發(fā)誤差、標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差D.量化誤差、標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差2.采用電子計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻,不管計(jì)數(shù)值N為何值,最大的量化絕對(duì)誤差總是等于
A.+1個(gè)計(jì)數(shù)單位 B.-1個(gè)計(jì)數(shù)單位C.1個(gè)計(jì)數(shù)單位 D.N個(gè)計(jì)數(shù)單位3.在用計(jì)數(shù)器式頻率計(jì)測(cè)量頻率比時(shí),選用的門控信號(hào)由
產(chǎn)生A.fB信號(hào)放大整形后的信號(hào) B.fA信號(hào)放大整形后的信號(hào)C.晶體振蕩器產(chǎn)生的信號(hào) D.晶體振蕩器產(chǎn)生后的信號(hào)分頻后的信號(hào)習(xí)題課一、填空題習(xí)題課習(xí)題課三、是非題1.測(cè)量高頻信號(hào)的頻率不宜采用直接測(cè)頻法()2.計(jì)時(shí)器測(cè)頻法的誤差包括三項(xiàng):量化誤差、標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差和觸發(fā)誤差。四、簡(jiǎn)答題、計(jì)算題1、電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻原理圖如下,簡(jiǎn)述電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻法的原理。2、測(cè)量一個(gè)頻率為200HZ的信號(hào)頻率,采用測(cè)頻法(閘門時(shí)間T=1S)和測(cè)周法(時(shí)標(biāo)信號(hào)周期Ts=0.1ms)兩種方法,分別計(jì)算由1誤差引起的測(cè)量誤差習(xí)題課三、是非題TT第四章(二)時(shí)間與頻率的測(cè)量4.1 概述4.2 標(biāo)準(zhǔn)頻率源4.3數(shù)字測(cè)量原理4.4 電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能4.5 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差4.6 時(shí)頻測(cè)量技術(shù)第四章(二)時(shí)間與頻率的測(cè)量4.1 概述4.1 概述4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念
1)時(shí)間和頻率的定義 2)時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn) 3)測(cè)量方法概述4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述
1)電子計(jì)數(shù)器的分類
2)主要技術(shù)指標(biāo) 3)電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展4.1 概述4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念
1)時(shí)間和頻率的定義◆時(shí)間有兩個(gè)含義:
“時(shí)刻”:即某個(gè)事件何時(shí)發(fā)生;
“時(shí)間間隔”:即某個(gè)時(shí)間相對(duì)于某一時(shí)刻持續(xù)了多久。◆頻率的定義:周期信號(hào)在單位時(shí)間(1s)內(nèi)的變化次數(shù)(周期數(shù))。如果在一定時(shí)間間隔T內(nèi)周期信號(hào)重復(fù)變化了N次,則頻率可表達(dá)為:f=N/T◆時(shí)間與頻率的關(guān)系:可以互相轉(zhuǎn)換。4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念1)時(shí)間和頻率的定義2)時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)◆最常見(jiàn)和最重要的測(cè)量 時(shí)間是7個(gè)基本國(guó)際單位之一,時(shí)間、頻率是極為重要的物理量,在通信、航空航天、武器裝備、科學(xué)試驗(yàn)、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化等民用和軍事方面都存在時(shí)頻測(cè)量?!魷y(cè)量準(zhǔn)確度高 時(shí)間頻率基準(zhǔn)具有最高準(zhǔn)確度(可達(dá)10-14),校準(zhǔn)(比對(duì))方便,因而數(shù)字化時(shí)頻測(cè)量可達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。因此,許多物理量的測(cè)量都轉(zhuǎn)換為時(shí)頻測(cè)量?!糇詣?dòng)化程度高◆測(cè)量速度快4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念2)時(shí)頻測(cè)量的特點(diǎn)◆最常見(jiàn)和最重要的測(cè)量4.1.1時(shí)間、3)測(cè)量方法概述◆頻率的測(cè)量方法可以分為:差頻法拍頻法示波法電橋法諧振法比較法直讀法李沙育圖形法測(cè)周期法模擬法頻率測(cè)量方法數(shù)字法電容充放電法電子計(jì)數(shù)器法數(shù)字化電子計(jì)數(shù)器法是時(shí)間、頻率測(cè)量的主要方法,目前,電子計(jì)數(shù)器幾乎取代了模擬式儀器。4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念3)測(cè)量方法概述◆頻率的測(cè)量方法可以分為:差頻法拍頻法示波法各種測(cè)量方法有著不同的實(shí)現(xiàn)原理,其復(fù)雜程度不同。各種測(cè)量方法有著不同的測(cè)量準(zhǔn)確度和適用的頻率范圍。數(shù)字化電子計(jì)數(shù)器法是時(shí)間、頻率測(cè)量的主要方法,是本章的重點(diǎn)。3)測(cè)量方法概述4.1.1時(shí)間、頻率的基本概念各種測(cè)量方法有著不同的實(shí)現(xiàn)原理,其復(fù)雜程度不同。3)測(cè)量方法4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述1)電子計(jì)數(shù)器的分類◆按功能可以分為如下四類:
(1)通用計(jì)數(shù)器:可測(cè)量頻率、頻率比、周期、時(shí)間間隔、累加計(jì)數(shù)等。其測(cè)量功能可擴(kuò)展。
(2)頻率計(jì)數(shù)器:其功能限于測(cè)頻和計(jì)數(shù)。但測(cè)頻范圍往往很寬。
(3)時(shí)間計(jì)數(shù)器:以時(shí)間測(cè)量為基礎(chǔ),可測(cè)量周期、脈沖參數(shù)等,其測(cè)時(shí)分辨力和準(zhǔn)確度很高。
(4)特種計(jì)數(shù)器:具有特殊功能的計(jì)數(shù)器。包括可逆計(jì)數(shù)器、序列計(jì)數(shù)器、預(yù)置計(jì)數(shù)器等。用于工業(yè)測(cè)控。4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述1)電子計(jì)數(shù)器的分類1)電子計(jì)數(shù)器的分類按用途可分為:
測(cè)量用計(jì)數(shù)器和控制用計(jì)數(shù)器。按測(cè)量范圍可分為: (1)低速計(jì)數(shù)器(低于10MHz) (2)中速計(jì)數(shù)器(10~100MHz) (3)高速計(jì)數(shù)器(高于100MHz) (4)微波計(jì)數(shù)器(1~80GHz)
4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述1)電子計(jì)數(shù)器的分類按用途可分為:4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述2)主要技術(shù)指標(biāo)(1)測(cè)量范圍:毫赫~幾十GHz。(2)準(zhǔn)確度:可達(dá)10-9以上。(3)晶振頻率及穩(wěn)定度:晶體振蕩器是電子計(jì)數(shù)器的內(nèi)部基準(zhǔn),一般要求高于所要求的測(cè)量準(zhǔn)確度的一個(gè)數(shù)量級(jí)(10倍)。輸出頻率為1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等,普通晶振穩(wěn)定度為10-5,恒溫晶振達(dá)10-7~10-9。(4)輸入特性:包括耦合方式(DC、AC)、觸發(fā)電平(可調(diào))、靈敏度(10~100mV)、輸入阻抗(50Ω低阻和1MΩ//25pF高阻)等。(5)閘門時(shí)間(測(cè)頻):有1ms、10ms、100ms、1s、10s。(6)時(shí)標(biāo)(測(cè)周):有10ns、100ns、1ms、10ms。(7)顯示:包括顯示位數(shù)及顯示方式等。4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述2)主要技術(shù)指標(biāo)(1)測(cè)量范圍:毫赫~幾十GHz。4.1.23)電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展◆測(cè)量方法的不斷發(fā)展:模擬數(shù)字技術(shù)智能化。◆測(cè)量準(zhǔn)確度和頻率上限是電子計(jì)數(shù)器的兩個(gè)重要指標(biāo),電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展體現(xiàn)了這兩個(gè)指標(biāo)的不斷提高及功能的擴(kuò)展和完善?!衾樱骸裢ǖ溃簝蓚€(gè)225MHz通道,也可 選擇第三個(gè)12.4GHz通道?!衩棵?2位的頻率分辨率、150ps的時(shí)間間隔分辨率。●測(cè)量功能:包括頻率、頻率比、時(shí)間間隔、上升時(shí)間、下降時(shí)間、相位、占空比、正脈沖寬度、負(fù)脈沖寬度、總和、峰電壓、時(shí)間間隔平均和時(shí)間間隔延遲?!裉幚砉δ埽浩骄怠⒆钚≈?、最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。4.1.2電子計(jì)數(shù)器概述3)電子計(jì)數(shù)器的發(fā)展◆測(cè)量方法的不斷發(fā)展:模擬數(shù)字技術(shù)智4.2.1原子時(shí)標(biāo)的定義 1967年10月,第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過(guò)了秒的新定義:“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,770個(gè)周期的時(shí)間”。
1972年起實(shí)行,為全世界所接受。秒的定義由天文實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡到原子自然標(biāo)準(zhǔn),準(zhǔn)確度提高了4-5個(gè)量級(jí),達(dá)5×10-14(相當(dāng)于62萬(wàn)年±1秒),并仍在提高。4.2 標(biāo)準(zhǔn)頻率源4.2.1原子時(shí)標(biāo)的定義4.2 標(biāo)準(zhǔn)頻率源4.2.1原子時(shí)標(biāo)p136原子鐘原子時(shí)標(biāo)的實(shí)物儀器,可用于時(shí)間、頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和比對(duì)。銫原子鐘準(zhǔn)確度:10-13~10-14。大銫鐘,專用實(shí)驗(yàn)室高穩(wěn)定度頻率基準(zhǔn);小銫鐘,頻率工作基準(zhǔn)。銣原子鐘準(zhǔn)確度:10-11,體積小、重量輕,便于攜帶,可作為工作基準(zhǔn)。氫原子鐘短期穩(wěn)定度高:10-14~10-15,但準(zhǔn)確度較低(10-12)。4.2.1原子時(shí)標(biāo)p136原子鐘4.2.2石英晶體振蕩器電子計(jì)數(shù)器內(nèi)部時(shí)間、頻率基準(zhǔn)采用石英晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱“晶振”)為基準(zhǔn)信號(hào)源?;趬弘娦?yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫度影響(其頻率-溫度特性曲線有拐點(diǎn),在拐點(diǎn)處最平坦),普通晶體頻率準(zhǔn)確度為10-5。采用溫度補(bǔ)償或恒溫措施(恒定在拐點(diǎn)處的溫度)可得到高穩(wěn)定、高準(zhǔn)確的頻率輸出。恒溫晶振的組成4.2.2石英晶體振蕩器電子計(jì)數(shù)器內(nèi)部時(shí)間、頻率基準(zhǔn)采用石◆晶體振蕩器的主要指標(biāo)有:
輸出頻率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波動(dòng):2×10-10 ;日老化:1×10-10;秒穩(wěn):5×10-12。 輸出波形:正弦波;輸出幅度:0.5Vrms(負(fù)載50Ω)?!魩追N不同類型的晶體振蕩器指標(biāo)
晶振類型輸出頻率(MHz)日穩(wěn)定度準(zhǔn)確度普通1,1010-5~10-610-5溫度補(bǔ)償1,5,1010-6~10-710-6單恒溫槽1,2.5,5,1010-7~10-910-6~10-8雙恒溫槽2.5,5,1010-9~10-11優(yōu)于10-84.2.2
石英晶體振蕩器◆晶體振蕩器的主要指標(biāo)有:晶振類型輸出頻率(MHz)日穩(wěn)定度4.2.2
石英晶體振蕩器4.2.2石英晶體振蕩器4.3數(shù)字測(cè)量原理1)門控計(jì)數(shù)法測(cè)量原理◆時(shí)間、頻率量的特點(diǎn)
頻率是在時(shí)間軸上無(wú)限延伸的,因此,對(duì)頻率量的測(cè)量需確定一個(gè)取樣時(shí)間T,在該時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的周期累加計(jì)數(shù)(若計(jì)數(shù)值為N),根據(jù)fx=N/T得到頻率值。(P1374.4.2)
為實(shí)現(xiàn)時(shí)間(這里指時(shí)間間隔)的數(shù)字化測(cè)量,需將被測(cè)時(shí)間按盡可能小的時(shí)間單位(稱為時(shí)標(biāo))進(jìn)行量化,通過(guò)累計(jì)被測(cè)時(shí)間內(nèi)所包含的時(shí)間單位數(shù)(計(jì)數(shù))得到?!魷y(cè)量原理
將需累加計(jì)數(shù)的信號(hào)(頻率測(cè)量時(shí)為被測(cè)信號(hào),時(shí)間測(cè)量時(shí)為時(shí)標(biāo)信號(hào)),由一個(gè)“閘門”(主門)控制,并由一個(gè)“門控”信號(hào)控制閘門的開啟(計(jì)數(shù)允許)與關(guān)閉(計(jì)數(shù)停止)。4.3數(shù)字測(cè)量原理1)門控計(jì)數(shù)法測(cè)量原理4.3數(shù)字測(cè)量原理
閘門可由一個(gè)與(或“或”)邏輯門電路實(shí)現(xiàn)。這種測(cè)量方法稱為門控計(jì)數(shù)法。其原理如下圖所示。 上圖為由“與”邏輯門作為閘門,其門控信號(hào)為‘1’時(shí)閘門開啟(允許計(jì)數(shù)),為‘0’時(shí)閘門關(guān)閉(停止計(jì)數(shù))。◆測(cè)頻時(shí),閘門開啟時(shí)間(稱為“閘門時(shí)間”)即為采樣時(shí)間。
測(cè)時(shí)間(間隔)時(shí),閘門開啟時(shí)間即為被測(cè)時(shí)間。4.3數(shù)字測(cè)量原理 閘門可由一個(gè)與(或“或”)邏輯門電路實(shí)2)通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用電子計(jì)數(shù)器的組成框圖如下圖所示:4.3數(shù)字測(cè)量原理2)通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用電子計(jì)數(shù)器的組成框圖如下圖所示:2)通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用計(jì)數(shù)器包括如下幾個(gè)部分①輸入通道:通常有A、B、C多個(gè)通道,以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能。輸入通道電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、整形等(但保持頻率不變),得到適合計(jì)數(shù)的脈沖信號(hào)。 通過(guò)預(yù)定標(biāo)器還可擴(kuò)展頻率測(cè)量范圍。②主門電路:完成計(jì)數(shù)的閘門控制作用。③計(jì)數(shù)與顯示電路:計(jì)數(shù)電路是通用計(jì)數(shù)器的核心電路,完成脈沖計(jì)數(shù);顯示電路將計(jì)數(shù)結(jié)果(反映測(cè)量結(jié)果)以數(shù)字方式顯示出來(lái)。④時(shí)基產(chǎn)生電路:產(chǎn)生機(jī)內(nèi)時(shí)間、頻率測(cè)量的基準(zhǔn),即時(shí)間測(cè)量的時(shí)標(biāo)和頻率測(cè)量的閘門信號(hào)。⑤控制電路:控制協(xié)調(diào)整機(jī)工作,即準(zhǔn)備測(cè)量顯示。4.3數(shù)字測(cè)量原理2)通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用計(jì)數(shù)器包括如下幾個(gè)部分4.3數(shù)2)通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用計(jì)數(shù)器包括如下幾個(gè)部分①輸入通道:通常有A、B、C多個(gè)通道,以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能。輸入通道電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、整形等(但保持頻率不變),得到適合計(jì)數(shù)的脈沖信號(hào)。 通過(guò)預(yù)定標(biāo)器還可擴(kuò)展頻率測(cè)量范圍。②主門電路:完成計(jì)數(shù)的閘門控制作用。③計(jì)數(shù)與顯示電路:計(jì)數(shù)電路是通用計(jì)數(shù)器的核心電路,完成脈沖計(jì)數(shù);顯示電路將計(jì)數(shù)結(jié)果(反映測(cè)量結(jié)果)以數(shù)字方式顯示出來(lái)。④時(shí)基產(chǎn)生電路:產(chǎn)生機(jī)內(nèi)時(shí)間、頻率測(cè)量的基準(zhǔn),即時(shí)間測(cè)量的時(shí)標(biāo)和頻率測(cè)量的閘門信號(hào)。⑤控制電路:控制協(xié)調(diào)整機(jī)工作,即準(zhǔn)備測(cè)量顯示。4.3數(shù)字測(cè)量原理2)通用計(jì)數(shù)器的基本組成通用計(jì)數(shù)器包括如下幾個(gè)部分4.3數(shù)4.4電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成
1)A、B輸入通道 2)主門電路 3)計(jì)數(shù)與顯示電路 4)時(shí)基產(chǎn)生電路 5)控制電路4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能
1)頻率測(cè)量
2)頻率比測(cè)量 3)周期測(cè)量 4)時(shí)間間隔測(cè)量 5)自檢4.4電子計(jì)數(shù)器的組成原理和測(cè)量功能4.4.1電子計(jì)數(shù)器NFC1000C多功能頻率計(jì)數(shù)器主要技術(shù)指標(biāo)功能測(cè)頻、測(cè)周、計(jì)數(shù)、自校頻率測(cè)量范圍0.1Hz-1000MHz周期測(cè)量范圍100ns-10s靈敏度30mv(rms)輸入阻抗1MΩ/35pf(A通道)50Ω(B通道)輸入方式AC/DC(A通道)AC(B通道)動(dòng)態(tài)范圍30mVrms-1Vrms(A通道)-17dBm-+6dBm(B通道)觸發(fā)電平±2V連續(xù)可調(diào)測(cè)量誤差±時(shí)基準(zhǔn)確度±觸發(fā)誤差×被測(cè)頻率(或被測(cè)周期)±LSD晶振穩(wěn)定度±2V連續(xù)可調(diào)
體積與重量240x220x80(mm)32.0KgNFC1000C多功能頻率計(jì)數(shù)器測(cè)頻、測(cè)周、計(jì)數(shù)、自校頻率4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成數(shù)字顯示器寄存器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器
A通道(放大、整形)B通道(放大、整形)主門功能開關(guān)閘門選擇、周期倍乘÷10÷10÷10÷1010s(×104)1s(×103)100ms(×102)10ms(×10)1ms(×1)
時(shí)標(biāo)選擇12345332112445時(shí)基部分×10×10÷10÷10÷101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制時(shí)序電路開門鎖存復(fù)位控制時(shí)序電路波形周期測(cè)量頻率測(cè)量組成原理框圖4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成數(shù)字顯示器寄存器十進(jìn)制A通1)A、B輸入通道◆作用:它們主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)(包括出發(fā)電平調(diào)節(jié))等單元電路構(gòu)成。其作用是對(duì)輸入信號(hào)處理以產(chǎn)生符合計(jì)數(shù)要求(波形、幅度)的脈沖信號(hào)。
通過(guò)預(yù)定標(biāo)器(外插件)還可擴(kuò)展頻率測(cè)量范圍?!羲姑芴赜|發(fā)電路:利用斯密特觸發(fā)器的回差特性,對(duì)輸入信號(hào)具有較好的抗干擾作用。4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成1)A、B輸入通道◆作用:它們主要由放大/衰減、濾波、整形、通道組合可完成不同的測(cè)量功能:被計(jì)數(shù)的信號(hào)(常從A通道輸入)稱為計(jì)數(shù)端;控制閘門開啟的信號(hào)通道(常從B、C通道輸入)稱為控制端。從計(jì)數(shù)端輸入的信號(hào)有:被測(cè)信號(hào)(fx);內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)等;從控制端輸入的信號(hào)有:閘門信號(hào);被測(cè)信號(hào)(Tx)等;序號(hào)計(jì)數(shù)端信號(hào)控制端信號(hào)測(cè)試功能計(jì)數(shù)結(jié)果1內(nèi)時(shí)鐘(T0)內(nèi)時(shí)鐘(T)自檢N=T/T02被測(cè)信號(hào)(fx)內(nèi)時(shí)鐘(T)測(cè)量頻率(A)fx=N/T3內(nèi)時(shí)鐘(T0)被測(cè)周期(Tx)測(cè)量周期(B)Tx=NT04被測(cè)信號(hào)(fA)被測(cè)信號(hào)(fB)測(cè)量頻率比(A/B)fA/fB=N5內(nèi)時(shí)鐘(T0)被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量時(shí)間間隔(A-B)tB-C=NT06外輸入(TA)被測(cè)信號(hào)相應(yīng)間隔tB-C測(cè)量外控時(shí)間間隔B-CtB-C=NTA7外待測(cè)信號(hào)(Nx)手控或遙控累加計(jì)數(shù)(A)Nx=N8內(nèi)時(shí)鐘(秒信號(hào))手控或遙控計(jì)時(shí)N(秒)1)A、B輸入通道4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成通道組合可完成不同的測(cè)量功能:序號(hào)計(jì)數(shù)端信號(hào)控制端信號(hào)測(cè)試功2)主門電路◆功能:主門也稱為閘門,通過(guò)“門控信號(hào)”控制進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖,使計(jì)數(shù)器只對(duì)預(yù)定的“閘門時(shí)間”之內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)。◆
電路:由“與門”或“或門”構(gòu)成。其原理如下圖:◆由“與門”構(gòu)成的主門,其“門控信號(hào)”為‘1’時(shí),允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò);由“或門”構(gòu)成的主門,其“門控信號(hào)”為‘0’時(shí),允許計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)。◆“門控信號(hào)”還可手動(dòng)操作得到,如實(shí)現(xiàn)手動(dòng)累加計(jì)數(shù)。4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成2)主門電路◆功能:主門也稱為閘門,通過(guò)“門控信號(hào)”控制進(jìn)入3)計(jì)數(shù)與顯示電路◆功能:計(jì)數(shù)電路對(duì)通過(guò)主門的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)(計(jì)數(shù)值代表了被測(cè)頻率或時(shí)間),并通過(guò)數(shù)碼顯示器將測(cè)量結(jié)果直觀地顯示出來(lái)。 為了便于觀察和讀數(shù),通常使用十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路?!粲?jì)數(shù)電路的重要指標(biāo):最高計(jì)數(shù)頻率。 計(jì)數(shù)電路一般由多級(jí)雙穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成,受內(nèi)部狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時(shí)間限制,使計(jì)數(shù)電路存在最高計(jì)數(shù)頻率的限制。而且對(duì)多位計(jì)數(shù)器,最高計(jì)數(shù)頻率主要由個(gè)位計(jì)數(shù)器決定。◆不同電路具有不同的工作速度:如74LS(74HC)系列為30-40MHz;74S系列為100MHz;CMOS電路約5MHz;ECL電路可達(dá)600MHz。4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成3)計(jì)數(shù)與顯示電路◆功能:計(jì)數(shù)電路對(duì)通過(guò)主門的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)(3)計(jì)數(shù)與顯示電路類型:?jiǎn)纹膳c可編程計(jì)數(shù)器單片集成的中小規(guī)模IC如:74LS90(MC11C90)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器;74LS390、CD4018(MC14018)為雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器??删幊逃?jì)數(shù)器IC如:Intel8253/8254等。顯示器LED、LCD、熒光顯示屏(VFD)等。顯示電路:包括鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)電路。如74LS47、CD4511等。專用計(jì)數(shù)與顯示單元電路:如ICM7216D。4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成3)計(jì)數(shù)與顯示電路類型:?jiǎn)纹膳c可編程計(jì)數(shù)器4.4.1電4)時(shí)基產(chǎn)生電路◆功能:產(chǎn)生測(cè)頻時(shí)的“門控信號(hào)”(多檔閘門時(shí)間可選)及時(shí)間測(cè)量時(shí)的“時(shí)標(biāo)”信號(hào)(多檔可選)。◆實(shí)現(xiàn):由內(nèi)部晶體振蕩器(也可外接),通過(guò)倍頻或分頻得到。再通過(guò)門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門控信號(hào)”。
如,若fc=1MHz,經(jīng) 106分頻后,可得到 fs=1Hz(周期Ts=1s) 的時(shí)基信號(hào),經(jīng)過(guò) 門控雙穩(wěn)態(tài)電路得 到寬度為Ts=1s的 門控信號(hào)。4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成4)時(shí)基產(chǎn)生電路◆功能:產(chǎn)生測(cè)頻時(shí)的“門控信號(hào)”(多檔閘門時(shí)4)時(shí)基產(chǎn)生電路◆要求:標(biāo)準(zhǔn)性:“門控信號(hào)”和“時(shí)標(biāo)”作為計(jì)數(shù)器頻率和時(shí)間測(cè)量的本地工作基準(zhǔn),應(yīng)當(dāng)具有高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度。多值性:為了適應(yīng)計(jì)數(shù)器較寬的測(cè)量范圍,要求“閘門時(shí)間”和“時(shí)標(biāo)”可多檔選擇。常用“閘門時(shí)間”有:1ms、10ms、100ms、1s、10s。常用的“時(shí)標(biāo)”有:10ns、100ns、1us、10us、100us、1ms。4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成4)時(shí)基產(chǎn)生電路◆要求:4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成5)控制電路◆功能:產(chǎn)生各種控制信號(hào),控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作,使整機(jī)按“復(fù)零-測(cè)量-顯示”的工作程序完成自動(dòng)測(cè)量的任務(wù)。如下圖所示:準(zhǔn)備期(復(fù)零,等待)
測(cè)量期(開門,計(jì)數(shù))
顯示期(關(guān)門,停止計(jì)數(shù))4.4.1電子計(jì)數(shù)器的組成5)控制電路◆功能:產(chǎn)生各種控制信號(hào),控制、協(xié)調(diào)各電路單元的4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能1)頻率測(cè)量(p138)
◆原理:計(jì)數(shù)器嚴(yán)格按照的定義實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。 根據(jù)上式的頻率定義,T為采樣時(shí)間,N為T內(nèi)的周期數(shù)。采樣時(shí)間T預(yù)先由閘門時(shí)間Ts確定(時(shí)基頻率為fs)。則或 該式表明,在數(shù)字化頻率測(cè)量中,可用計(jì)數(shù)值N表示fx。◆例如:閘門時(shí)間Ts=1s,若計(jì)數(shù)值N=10000,則顯示的fx為“10000”Hz,或“10.000”kHz。如閘門時(shí)間Ts=0.1s,則計(jì)數(shù)值N=1000,則顯示的fx為“10.00”kHz。請(qǐng)注意:顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義,它表示了頻率測(cè)量的分辨力(應(yīng)等于時(shí)基頻率fs)。4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能1)頻率測(cè)量(p138) 1)頻率測(cè)量(續(xù))原理框圖和工作波形圖(fx由A通道輸入,內(nèi)部時(shí)基)為便于測(cè)量和顯示,計(jì)數(shù)器通常為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,多檔閘門時(shí)間設(shè)定為10的冪次方,這樣可直接顯示計(jì)數(shù)結(jié)果,并通過(guò)移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)和單位的配合,就可得到被測(cè)頻率。測(cè)量速度與分辨力:閘門時(shí)間Ts為頻率測(cè)量的采樣時(shí)間,Ts愈大,則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng),但計(jì)數(shù)值N愈大,分辨力愈高。TB放大、整形閘門門控電路計(jì)數(shù)顯示Afx分頻電路時(shí)基Ts4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能1)頻率測(cè)量(續(xù))原理框圖和工作波形圖(fx由A通道輸入,內(nèi)4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能2)頻率比的測(cè)量(p141)◆原理:實(shí)際上,前述頻率測(cè)量的比較測(cè)量原理就是一種頻率比的測(cè)量:fx對(duì)fs的頻率比。 據(jù)此,若要測(cè)量fA對(duì)fB的頻率比(假設(shè)fA>fB),只要用fB的周期TB作為閘門,在TB時(shí)間內(nèi)對(duì)fA作周期計(jì)數(shù)即可?!舴椒ǎ篺A對(duì)fB分別由A、B兩通道輸入,如下圖。
4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能2)頻率比的測(cè)量(p141)◆注意:頻率較高者由A通道輸入,頻率較低者由B通道輸入。◆提高頻率比的測(cè)量精度:
擴(kuò)展B通道信號(hào)的周期個(gè)數(shù)。
例如:以B通道信號(hào)的10個(gè)周期作為閘門信號(hào),則計(jì)數(shù)值為:,即計(jì)數(shù)值擴(kuò)大了10倍,相應(yīng)的測(cè)量精度也就提高了10倍。為得到真實(shí)結(jié)果,需將計(jì)數(shù)值N縮小10倍(小數(shù)點(diǎn)左移1位),即◆應(yīng)用:可方便地測(cè)得電路的分頻或倍頻系數(shù)。2)頻率比的測(cè)量(續(xù))4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能◆注意:頻率較高者由A通道輸入,頻率較低者由B通道輸入。2)3)周期的測(cè)量(p143)◆原理:“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)法”周期測(cè)量。 對(duì)被測(cè)周期Tx,用已知的較小單位時(shí)間刻度T0(“時(shí)標(biāo)”)去量化,由Tx所包含的“時(shí)標(biāo)”數(shù)N即可得到Tx。即 該式表明,“時(shí)標(biāo)”的計(jì)數(shù)值N可表示周期Tx。也體現(xiàn)了時(shí)間間隔(周期)的比較測(cè)量原理?!魧?shí)現(xiàn):由Tx得到閘門;在Tx內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)。 ——Tx由B通道輸入,內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)由A通道輸入(A通道外部輸入斷開)。4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能3)周期的測(cè)量(p143)4.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能◆原理框圖:◆例如:時(shí)標(biāo)T0=1us,若計(jì)數(shù)值N=10000,則顯示的Tx為“10000”us,或“10.000”ms。如時(shí)標(biāo)T0=10us,則計(jì)數(shù)值N=1000,顯示的Tx為“10.00”ms。請(qǐng)注意:顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義,它表示了周期測(cè)量的分辨力(應(yīng)等于時(shí)標(biāo)T0)。為便于顯示,多檔時(shí)標(biāo)設(shè)定為10的冪次方。◆測(cè)量速度與分辨力:一次測(cè)量時(shí)間即為一個(gè)周期Tx,Tx愈大(頻率愈低)則測(cè)量時(shí)間愈長(zhǎng);計(jì)數(shù)值N與時(shí)標(biāo)有關(guān),時(shí)標(biāo)愈小分辨力愈高。3)周期的測(cè)量(續(xù))圖4.5.14.4.2電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量功能◆原理框圖:3)周期的測(cè)量(續(xù))圖4.5.14.4.2電4)時(shí)間間隔的測(cè)量(p145)◆時(shí)間間隔:指兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)之間的時(shí)間段。在測(cè)量技術(shù)中,兩個(gè)時(shí)刻點(diǎn)通常由兩個(gè)事件確定。如,一個(gè)周期信號(hào)的兩個(gè)同相位點(diǎn)(如過(guò)零點(diǎn))所確定的時(shí)間間隔即為周期。◆兩個(gè)事件的例子及測(cè)量參數(shù)還有:
同一信號(hào)波形上兩個(gè)不同點(diǎn)之間脈沖信號(hào)參數(shù);
兩個(gè)信號(hào)波形上,兩點(diǎn)之間
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