示波器的使用課件

第6章頻率（時(shí)間）與相位測(cè)量6.1時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)量方法6.2電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻率6.3電子計(jì)數(shù)器測(cè)時(shí)間6.4電子計(jì)數(shù)器測(cè)相位

自然界中，周期現(xiàn)象普遍。而頻率和周期是從不同兩個(gè)側(cè)面來(lái)描述周期現(xiàn)象的，二者互為倒數(shù)關(guān)系。周期實(shí)質(zhì)上是時(shí)間（即時(shí)間間隔），而時(shí)間是國(guó)際單位制中七個(gè)基本物理量之一，單位為秒，用s表示。相位與時(shí)間也是密切相關(guān)的，其關(guān)系表述為：式中的表示相位，f和T分別是頻率和周期。所以，f、T、三個(gè)量可歸結(jié)為一個(gè)量的測(cè)量問(wèn)題。在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，頻率是最基本的參數(shù)之一，它指單位時(shí)間內(nèi)周期變化或振蕩的次數(shù)，許多電參數(shù)的測(cè)量方案及結(jié)果都與之密切相關(guān)。故頻率測(cè)量十分重要，且目前頻率測(cè)量在電測(cè)量中精確度最高。6.1時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)量方法6.1.1頻段的劃分頻段劃分：

國(guó)際上規(guī)定30KHz以下為甚低頻、超低頻，30KHz以上每10倍依次劃分為低、中、高、甚高、特高、超高等頻段(微波技術(shù)按波長(zhǎng)劃分)。一般電子技術(shù)中，20Hz～20KHz內(nèi)稱(chēng)音頻，20Hz～10MHz內(nèi)稱(chēng)視頻，而30KHz～幾十GHz內(nèi)稱(chēng)射頻。電子測(cè)量技術(shù)也有按30KHz（或100KHz）為界來(lái)劃分，30KHz以下為低頻，30KHz以上為高頻。6.1.2頻率或時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)（續(xù)）微觀(guān)時(shí)標(biāo)：原子秒原子時(shí)（記作AT）：以原子或分子內(nèi)部能級(jí)躍遷所輻射或吸收的電磁波的頻率作為基準(zhǔn)。銫-133（）原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的9192631770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間為一秒，其準(zhǔn)確度可達(dá)量級(jí)。注意：①原子時(shí)穩(wěn)定，是由原子本身結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)的永恒性決定的。自1972年1月1日零時(shí)起，由天文秒改為原子秒，使時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)由實(shí)物基準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀换鶞?zhǔn)。

②電子儀器常采用石英頻率標(biāo)準(zhǔn)。原因在于：石英晶體的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性很高，振蕩頻率受外界因數(shù)的影響較小，因而較穩(wěn)定；石英頻標(biāo)發(fā)展快，六十年來(lái)將準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度提高了4個(gè)數(shù)量級(jí)；石英晶體振蕩器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維護(hù)、使用方便，且準(zhǔn)確度能滿(mǎn)足大多數(shù)測(cè)量要求。故，作為一種次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，已成為最常用的頻標(biāo)。（時(shí)標(biāo)就是頻標(biāo)）6.1.3頻率（時(shí)間）測(cè)量方法

1.直讀法

工程中，常用電動(dòng)系頻率表測(cè)量工頻信號(hào)的頻率，并用電動(dòng)系相位表測(cè)量相位。因指針式電工儀表的操作簡(jiǎn)便、成本低，能滿(mǎn)足工程測(cè)量的準(zhǔn)確度。

2.電路參數(shù)測(cè)量法

通過(guò)測(cè)電路參數(shù)來(lái)測(cè)頻。電橋法：把被測(cè)作交流電橋的電源，調(diào)節(jié)橋臂參數(shù)使電橋平衡，由平衡條件得被測(cè)頻率。此法誤差較大，已很少用。（見(jiàn)第二章）諧振法：將被測(cè)作諧振電路的電源，通過(guò)改變電路參數(shù)使電路諧振，由電路參數(shù)可得被測(cè)頻率。兩種方法都可在所調(diào)節(jié)的電路參數(shù)上直接按頻率刻度，測(cè)量時(shí)可直接讀出結(jié)果。6.1.3頻率（時(shí)間）測(cè)量方法（續(xù)）

3.示波器法

（1）直接測(cè)量法方法：掃描微調(diào)置“校正”位，調(diào)“時(shí)基開(kāi)關(guān)”（即掃描速度），使屏上顯示適中穩(wěn)定的波形，由屏上讀得的一個(gè)周期的距離（單位cm）和時(shí)基開(kāi)關(guān)檔位（單位s/cm）可得：式中T為被測(cè)周期（單位s），S為掃描速度（單位s/cm）。若使用“X擴(kuò)展”，則應(yīng)除以擴(kuò)展系數(shù)。被測(cè)信號(hào)頻率為：（6-3）6.1.3頻率（時(shí)間）測(cè)量方法（續(xù)）

（4）相位測(cè)量

a.單蹤示波器法將被測(cè)二信號(hào)先后接入Y輸入進(jìn)行顯示，記住第一個(gè)輸入信號(hào)顯示時(shí)的位置，則顯示第二個(gè)輸入信號(hào)時(shí)就可讀出相位差對(duì)應(yīng)的距離，同時(shí)再讀出信號(hào)一個(gè)周期的距離，則被測(cè)結(jié)果為：此法可測(cè)三相交流信號(hào)的相序。此法較為費(fèi)時(shí)，操作也相對(duì)復(fù)雜。

b.雙蹤示波器法雙蹤或雙線(xiàn)示波器測(cè)信號(hào)的相位差非常方便（見(jiàn)第四章）。

c.李沙育圖形法示波器工作在“X－Y”方式，據(jù)屏上顯示的橢圓度來(lái)求二信號(hào)的相位差。6.1.3頻率（時(shí)間）測(cè)量方法（續(xù)）4.F/V變換測(cè)量法

方法：將被測(cè)f經(jīng)“F/V”變換成電壓，然后用電壓表測(cè)量電壓值來(lái)反映被測(cè)頻率。（也有“F/I”轉(zhuǎn)換成電流的）優(yōu)點(diǎn)：在于可連續(xù)監(jiān)測(cè)被測(cè)頻率的變化。采用“F/V”集成電路做成的測(cè)頻儀，最高可測(cè)幾兆赫的頻率。（可采用“T/V”變換來(lái)測(cè)信號(hào)的周期，再得頻率）

5.比較法

將被測(cè)頻率與標(biāo)準(zhǔn)已知頻率進(jìn)行比較來(lái)得測(cè)量結(jié)果。

（1）拍頻法原理電路（見(jiàn)右）6.1.3頻率（時(shí)間）測(cè)量方法（續(xù)）將被測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)通過(guò)線(xiàn)性電路進(jìn)行迭加，然后把迭加結(jié)果在示波器上觀(guān)察波形（或者送入耳機(jī)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)）。當(dāng)fx＝fs時(shí)，線(xiàn)性迭加的振幅恒定；若fx≠fs，迭加的振幅是變化的。適于測(cè)低頻，且被測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)波形應(yīng)相同，目前很少應(yīng)用。

(2)差頻法原理電路：將被測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入非線(xiàn)性電路進(jìn)行混頻，然后再用示波器等來(lái)監(jiān)測(cè)。混頻結(jié)果中有fo＝fx－fs，若fx＝fs，則fo＝0，輸出直流，示波器易觀(guān)測(cè)。6.2電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻率電子計(jì)數(shù)器不但能測(cè)頻率，還能測(cè)周期、相位差等，故稱(chēng)為“通用計(jì)數(shù)器”。6.2.1測(cè)頻基本原理頻率的定義：周期性信號(hào)在一秒鐘內(nèi)變化的周期。如果在一定的時(shí)間間隔Ts內(nèi)計(jì)有周期信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則頻率可寫(xiě)為：這就是電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻的基本原理。原理框圖：6.2.2電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻的組成框圖組成框圖：各電路：放大整形：放大是對(duì)小信號(hào)，整形是將各種被測(cè)波形整形成脈沖（如采用施密特電路）。晶振：石英晶體振蕩器，產(chǎn)生頻率非常穩(wěn)定的脈沖信號(hào)。通常是1MHz或5MHz，穩(wěn)定度達(dá)～數(shù)量量級(jí)。6.2.2電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻的組成框圖（續(xù)）分頻器：即為計(jì)數(shù)器，每輸入十個(gè)脈沖才輸出一個(gè)脈沖。多次分頻可獲得不同的時(shí)間基準(zhǔn)（或時(shí)標(biāo)信號(hào)）。門(mén)控：雙穩(wěn)電路，提高分頻信號(hào)的前沿陡度，使時(shí)基準(zhǔn)確。主閘門(mén)：有與門(mén)電路一樣的功能，只有在門(mén)控信號(hào)作用下才能開(kāi)啟，即在門(mén)控信號(hào)高電平期間脈沖通過(guò)閘門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)器被計(jì)數(shù)。此外，還有計(jì)數(shù)、譯碼、顯示等電路。6.2.3頻率測(cè)量原理工作過(guò)程：被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后送入閘門(mén)；晶振信號(hào)經(jīng)分頻得時(shí)間基準(zhǔn)送門(mén)控電路，門(mén)控電路在所選時(shí)間基準(zhǔn)內(nèi)輸出高電平，從而打開(kāi)主閘門(mén)；在主閘門(mén)打開(kāi)期間，被測(cè)信號(hào)整形后的脈沖通過(guò)主閘門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)器被計(jì)數(shù)；然后再譯碼和顯示。6.2.4誤差分析

據(jù)誤差傳遞公式，測(cè)頻的誤差為最大誤差

誤差有兩部分，第一項(xiàng)是計(jì)數(shù)相對(duì)誤差；第二項(xiàng)是主閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間誤差，取決于晶振的準(zhǔn)確度。

1.計(jì)數(shù)誤差計(jì)數(shù)誤差也叫量化誤差或±1個(gè)字誤差，是電子計(jì)數(shù)器的固有誤差，也是數(shù)字儀表特有的誤差。6.2.4誤差分析（續(xù)）產(chǎn)生原因：由被測(cè)信號(hào)和門(mén)控信號(hào)之間不同步及周期關(guān)系任意性引起的。被測(cè)信號(hào)與門(mén)控信號(hào)間沒(méi)有同步鎖定關(guān)系，門(mén)控信號(hào)的起始點(diǎn)隨開(kāi)機(jī)時(shí)刻而隨機(jī)；被測(cè)信號(hào)周期是任意的，而門(mén)控信號(hào)周期是一定的。當(dāng)Ts與被測(cè)Tx的整數(shù)倍相當(dāng)時(shí)，產(chǎn)生±1誤差更為典型。波形圖中，Ts與8Tx相當(dāng)，無(wú)論t1時(shí)刻是提前還是推遲均計(jì)數(shù)脈沖N=8。對(duì)圖示t1時(shí)刻，若Ts約小于8Tx，則計(jì)數(shù)脈沖N=7（即前后兩個(gè)脈沖不被計(jì)入）；若Ts約大于8Tx，則計(jì)數(shù)脈沖N=9（即前后兩個(gè)脈沖被計(jì)入）。所以，dN=±1，量化誤差的相對(duì)誤差為6.2.4誤差分析（續(xù)）注意：①與fxTs成反比。②當(dāng)被測(cè)fx一定，閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間Ts越大，±1量化誤差對(duì)測(cè)頻誤差影響越?。划?dāng)閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間Ts一定，被測(cè)頻率fx越高，±1量化誤差對(duì)測(cè)頻誤差影響越小。故，電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻適于測(cè)高頻頻率。

2.標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差閘門(mén)時(shí)間不準(zhǔn)引起閘門(mén)時(shí)間相對(duì)誤差。產(chǎn)生原因：主要是晶振頻率準(zhǔn)確度，而整形電路、分頻電路、閘門(mén)的開(kāi)關(guān)速度等因素也產(chǎn)生影響。設(shè)晶振頻率fc，分頻系數(shù)為K，則Ts=KTc=K/fc，其誤差為：6.2.5頻率比測(cè)量指測(cè)量?jī)蓚€(gè)被測(cè)信號(hào)頻率的比。原理框圖：與測(cè)頻率框圖比，除晶振電路被另一輸入電路所代替外，其余均相同。工作原理：類(lèi)似測(cè)頻，只是控制閘門(mén)的不是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，而是被測(cè)信號(hào)而已。當(dāng)K置“1T”時(shí)，若計(jì)數(shù)器計(jì)N個(gè)A信號(hào)脈沖，則有TB=NTA，即當(dāng)K置其它位(設(shè)周期倍率為m)，則同理有mTB=NTA，即注意：當(dāng)fA/fB不變，則倍率m大，計(jì)數(shù)N值也大，其±1量化誤差影響減小。應(yīng)用，調(diào)試數(shù)字電路（如計(jì)數(shù)器、分頻器、倍頻器等）。6.2.6脈沖累計(jì)測(cè)量指在一較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖次數(shù)的累計(jì)，具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的測(cè)量。原理框圖：注意：類(lèi)似測(cè)頻，只是閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間較長(zhǎng)，由人工手動(dòng)使門(mén)控翻轉(zhuǎn)來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉閘門(mén)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

綜上三種測(cè)量，原理類(lèi)似，只是門(mén)控輸入信號(hào)不同：測(cè)頻是石英晶體振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)作時(shí)標(biāo)，測(cè)頻率比是以被信號(hào)之一作時(shí)標(biāo)，脈沖累計(jì)是人工給時(shí)標(biāo)。6.3電子計(jì)數(shù)器測(cè)時(shí)間

時(shí)間測(cè)量在科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域中十分重要。時(shí)間測(cè)量主要指周期、上升時(shí)間、時(shí)間間隔等的測(cè)量。6.3.1電子計(jì)數(shù)器測(cè)周期的基本原理

1.原理框圖

T與f互為倒數(shù)，則將測(cè)頻的被測(cè)通道與標(biāo)準(zhǔn)通道對(duì)調(diào)即可。原路框圖：6.3.1電子計(jì)數(shù)器測(cè)周期的基本原理（續(xù)）注意：采用周期倍率是為了增大主閘門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間，使N′值大，減小量化誤差影響。因?yàn)轱@示數(shù)字位數(shù)是一定的，則被測(cè)周期?。l率高）時(shí)，周期倍率就要選大，而時(shí)標(biāo)就要選小；相反，被測(cè)周期大（頻率低），周期倍率就要選小，而時(shí)標(biāo)就要選大一些?？梢?jiàn)，采用周期倍率和時(shí)標(biāo)，是為了擴(kuò)展測(cè)量范圍的。6.3.2誤差分析類(lèi)似測(cè)頻的誤差分析。據(jù)誤差傳遞公式，由Tx=NTs可得寫(xiě)成增量形式

1.量化誤差因△N＝±1，而N＝Txfs，有注意：量化誤差的影響在被測(cè)周期Tx?。搭l率高）時(shí)大，這與測(cè)頻時(shí)剛好相反。2.晶振誤差同測(cè)頻，為

6.3.2誤差分析（續(xù)）注意：晶振準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的影響與測(cè)頻相同。則總誤差為

3.轉(zhuǎn)換誤差（或觸發(fā)誤差）被測(cè)信號(hào)受干擾時(shí)（如尖脈沖Un），門(mén)控電路提前在A′觸發(fā)，使門(mén)控輸出開(kāi)啟閘門(mén)信號(hào)時(shí)間為T(mén)x′，產(chǎn)生ΔT1轉(zhuǎn)換誤差。近似分析，利用（b）圖來(lái)計(jì)算ΔT1。圖中ab為正弦波上A點(diǎn)的切線(xiàn)，其斜率為：6.3.2誤差分析（續(xù)）于是轉(zhuǎn)換誤差為

4.總誤差將量化誤差、晶振準(zhǔn)確度影響、觸發(fā)誤差按絕對(duì)值公式合成總誤差：誤差曲線(xiàn)：左圖所示。其中10Tx和100Tx兩條為采用多周測(cè)量的誤差曲線(xiàn)。6.3.2誤差分析（續(xù)）注意：利用電子計(jì)數(shù)器測(cè)周①適于低頻（因Tx大，±1誤差影響小）；②時(shí)標(biāo)要?。╢s大，±1誤差影響?。?；③采用多周期測(cè)量。可減小±1誤差影響，還可減小觸發(fā)誤差的影響。對(duì)前者，計(jì)數(shù)N大，±1誤差影響就??；對(duì)后者，因一個(gè)△Tn對(duì)應(yīng)門(mén)控輸出的一次開(kāi)啟時(shí)間，若10個(gè)周期則有(△Tn)/10，即有誤差（△Tn/10）/Tx，影響就小10倍。此外，提高信噪比（即增大Um/Un），也能減少觸發(fā)誤差的影響。6.3.3時(shí)間間隔的測(cè)量我們講的時(shí)間間隔，指交流信號(hào)上任意兩點(diǎn)間距離代表的時(shí)間。對(duì)脈沖波，主要有上升時(shí)間、脈寬等。交流信號(hào)的周期，實(shí)際上也是時(shí)間間隔，只是為兩周波形上同電位點(diǎn)間的時(shí)間間離。原理框圖：

B1、B2：兩個(gè)同特性的獨(dú)立通道，各自均有觸發(fā)性極選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)。K：開(kāi)關(guān)，用于選擇兩個(gè)通道輸入信號(hào)的種類(lèi)，當(dāng)K閉合時(shí)兩個(gè)通道輸入同一信號(hào)。6.3.3時(shí)間間隔的測(cè)量（續(xù)）工作原理：K閉合：B1、B2輸入同一信號(hào)。若B1、B2選同極性觸發(fā)，但觸發(fā)電平選得不同，則可測(cè)上升時(shí)間，如（c）圖所示；若B1、B2選擇同觸發(fā)電平，但觸發(fā)極性選得不同，則可測(cè)脈沖寬度，如（d）圖所示。K斷開(kāi)：B1、B2分別輸入兩個(gè)信號(hào)。調(diào)各自的觸發(fā)極性和電平，可測(cè)兩個(gè)信號(hào)上升沿間的時(shí)間間隔，如（b）圖所示.6.4電子計(jì)數(shù)器測(cè)量相位

相位差的測(cè)量，前述示波器測(cè)量法，雖直觀(guān)方便，但準(zhǔn)確度較低；電子計(jì)數(shù)器測(cè)量法，則準(zhǔn)確度較高。6.4.1電路組成原理框圖：通道1、通道2：特性類(lèi)似過(guò)零比較器，在被測(cè)信號(hào)由負(fù)向正通過(guò)零點(diǎn)或由正向負(fù)通過(guò)零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生脈沖，加到門(mén)控電路。6.4.1電路組成（續(xù)）門(mén)控：如“R-S”觸發(fā)器電路，一個(gè)通道來(lái)的脈沖使門(mén)控輸出高電平，而另一通道來(lái)的脈沖使之輸出低電平。時(shí)標(biāo)信號(hào)：包括晶振、分頻電路。門(mén)控輸出高電平期間閘門(mén)開(kāi)啟，時(shí)標(biāo)信號(hào)通過(guò)