電子測(cè)量技術(shù)高職高專(zhuān).ppt

1、書(shū)名：電子測(cè)量技術(shù) ISBN：7-111-15627-7 作者：孟鳳果 出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 本書(shū)配有電子課件,第5章 時(shí)間與頻率測(cè)量技術(shù),頻段的劃分及常用測(cè)頻方法 電子計(jì)數(shù)器的功能 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量原理 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差 電子計(jì)數(shù)器的應(yīng)用,國(guó)際上規(guī)定30kHz以下為甚低頻、超低頻段，30kHz以上每10倍頻程依次劃分為低、中、高、甚高、特高、超高等頻段。 音頻:20Hz20kHz 視頻:20Hz10MHz 射頻:30kHz幾十GHz 在電子測(cè)量技術(shù)中，常以30kHz為界，其以下稱(chēng)為低頻測(cè)量，其以上稱(chēng)為高頻測(cè)量；還有一種劃分方法是：以100kHz（或1MHz）為界，其以下稱(chēng)為低頻測(cè)量，其

2、以上稱(chēng)為高頻測(cè)量。一般，正弦波信號(hào)發(fā)生器是以后一種劃分的。,5.1頻段的劃分及常用測(cè)頻方法,無(wú)源測(cè)頻法 ：利用電路的頻率響應(yīng)特性來(lái)測(cè)量頻率的方法。 無(wú)源測(cè)頻法又分為諧振法和電橋法兩種。 諧振法用LC諧振回路，調(diào)節(jié)電容使其諧振頻率與被測(cè)信號(hào)頻率相同時(shí)，回路電流最大，通過(guò)電表指示其頻率值。這種方法多用于高頻頻段的測(cè)量。 電橋法因調(diào)節(jié)不便，誤差較大，已少使用。,測(cè)量頻率方法,有源比較測(cè)頻法 ：將被測(cè)頻率與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有源信號(hào)相比較的測(cè)量方法。 常用的有源比較測(cè)頻法有拍頻法、差頻法和示波器測(cè)量法。 示波器法有兩種測(cè)頻方法，李薩育圖形法和測(cè)周期法。前者當(dāng)頻率比較高時(shí)，示波器顯示的波形難以穩(wěn)定，所以該方法適用

3、于低頻測(cè)量。由于調(diào)節(jié)不便，已很少使用。用寬頻帶示波器通過(guò)測(cè)量周期的方法獲得被測(cè)信號(hào)的頻率值，雖然誤差較大，但對(duì)于要求不太高的場(chǎng)合是比較方便的。,計(jì)數(shù)法 ：利用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率的方法。 實(shí)質(zhì)上，這種方法仍然屬于有源比較測(cè)頻法，計(jì)數(shù)法中最常用、最廣泛使用的測(cè)頻方法是電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻法。 電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻法是利用電子計(jì)數(shù)器顯示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)被測(cè)信號(hào)的周期個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量，這是目前最好的測(cè)頻方法，本章重點(diǎn)介紹電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率和周期的方法。,5.2 電子計(jì)數(shù)器的功能,作用是接受被測(cè)信號(hào)，并對(duì)它進(jìn)行放大和整形，然后送入主門(mén)(閘門(mén))。整形常由施密特電路完成。A通道用于傳輸被計(jì)數(shù)的信號(hào)，B、C通道傳輸閘門(mén)

4、信號(hào)。,產(chǎn)生各種控制信號(hào)，用于控制電子計(jì)數(shù)器各單元電路的工作。控制電路由若干門(mén)電路和觸發(fā)器組成的時(shí)序邏輯電路構(gòu)成,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)由石英振蕩器提供，作為電子計(jì)數(shù)器的內(nèi)部時(shí)間基準(zhǔn)。,電子計(jì)數(shù)器的基本組成,測(cè)試性能 儀器所具備的測(cè)試功能，如測(cè)量頻率、周期等。 測(cè)量范圍 儀器在不同功能下的有效測(cè)量范圍。對(duì)于不同的功能，其含義是不同的。如測(cè)頻時(shí)，被測(cè)信號(hào)的頻率范圍，一般用頻率的上、下限值表示；而在測(cè)周時(shí)，測(cè)量范圍常用周期的最大、最小值表示。 輸入特性 電子計(jì)數(shù)器一般有23個(gè)輸入通道，測(cè)試不同參數(shù)時(shí)，被測(cè)信號(hào)要經(jīng)不同的通道輸入儀器。輸入特性表明電子計(jì)數(shù)器與被測(cè)信號(hào)源相連的一組特性參數(shù)，需分別指出各個(gè)通道的特

5、性。,電子計(jì)數(shù)器的主要技術(shù)指標(biāo),輸入耦合方式 有AC和DC兩種方式，在低頻和脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)宜采用DC耦合方式。 輸入靈敏度 指在儀器正常工作時(shí)輸入的最小電壓，如通用電子計(jì)數(shù)器，A輸入通道的靈敏度一般為10100mV。 最高輸入電壓 指儀器所能允許輸入的最大電壓。超過(guò)最高輸入電壓后儀器不能正常工作，甚至?xí)p壞。 輸入阻抗 包括輸入電阻和輸入電容。A輸入通道分為高阻(1M25pF)和低阻(50)兩種。,輸入特性,閘門(mén)時(shí)間和時(shí)標(biāo) 由機(jī)內(nèi)時(shí)標(biāo)信號(hào)源所能提供的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)決定。根據(jù)測(cè)頻和測(cè)周的范圍不同，可提供的閘門(mén)時(shí)間和時(shí)標(biāo)信號(hào)有多種。 顯示及工作方式 顯示位數(shù) 可顯示的數(shù)字位數(shù)。 顯示時(shí)間 兩次測(cè)量之

6、間顯示結(jié)果的時(shí)間，一般是可調(diào)的。 顯示器件 標(biāo)明所用顯示器的類(lèi)型。 顯示方式 有記憶和非記憶兩種顯示方式。記憶顯示方式只顯示最終計(jì)數(shù)的結(jié)果，不顯示正在計(jì)數(shù)的過(guò)程；非記憶顯示方式，能對(duì)計(jì)數(shù)過(guò)程的值逐個(gè)顯示出來(lái)。 輸出 儀器可輸出的時(shí)標(biāo)信號(hào)種類(lèi)、輸出數(shù)碼的編碼方式及輸出電平。,時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生與變換單元,晶體振蕩器產(chǎn)生 1 MHz的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)分頻、倍頻，形成從10 MHz到0.1 Hz以10為系列遞降的一系列不同頻率的機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。,時(shí)基電路示意圖,5.3 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量原理,電子計(jì)數(shù)器測(cè)量原理圖示,頻率：周期性信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)，即 T單位時(shí)間； N周期性現(xiàn)象的重復(fù)次數(shù)。

7、,5.3.1 測(cè)量頻率,被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大、整形后，形成重復(fù)頻率等于被測(cè)信號(hào)頻率 fx 的計(jì)數(shù)脈沖，把它加至閘門(mén)的一個(gè)輸人端。門(mén)控電路將時(shí)基信號(hào)變換為控制閘門(mén)的開(kāi)啟的門(mén)控信號(hào)。只有在閘門(mén)開(kāi)通時(shí)間T內(nèi)，被計(jì)數(shù)的脈沖才能通過(guò)閘門(mén)，并由十進(jìn)制電子計(jì)數(shù)器對(duì)計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值為N，則 。即被測(cè)信號(hào)的頻率為 T是門(mén)控時(shí)間（閘門(mén)時(shí)間），門(mén)控信號(hào)由晶振分頻而來(lái) Kf是分頻器的分頻系數(shù)； fs、Ts分別為晶振的頻率和周期。,電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻原理,將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（量化）時(shí)所產(chǎn)生的誤差叫量化誤差，也叫1誤差或1個(gè)字誤差。它是數(shù)字化儀器所特有的誤差。電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻率或時(shí)間，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)量化過(guò)程。量化誤差是由于門(mén)控

8、信號(hào)起始時(shí)間與被測(cè)脈沖列之間相位關(guān)系的隨機(jī)性而引起的。量化的最小單位是數(shù)碼的一個(gè)字，即量化的結(jié)果只能取整數(shù)，其尾數(shù)或者被抹去，或者湊整為1，因此計(jì)數(shù)值也必然是整數(shù)。,5.3.2 量化誤差,1誤差的形成,5.3.3 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)周功能,測(cè)量周期的原理方框圖,當(dāng)fx較低時(shí)，利用計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻，l 誤差將會(huì)大到不可允許的程度。所以，為了提高測(cè)量低頻時(shí)的準(zhǔn)確度，可改成先測(cè)量周期，然后計(jì)算fx =1/Tx。,被測(cè)信號(hào)經(jīng)B輸入通道整形，使其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的矩形波，加到門(mén)控電路，控制主門(mén)的開(kāi)閉，主門(mén)導(dǎo)通的時(shí)間就正好等于被測(cè)信號(hào)的周期。晶振經(jīng)分頻后產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)脈沖同時(shí)送至主門(mén)的另一輸入端，在主門(mén)開(kāi)啟的時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入

9、的時(shí)標(biāo)脈沖計(jì)數(shù)，若計(jì)數(shù)值為N，測(cè)被測(cè)信號(hào)周期Tx（TxTs）為 Ts是時(shí)標(biāo)脈沖的周期，它由晶振分頻而得到。 例如，當(dāng)Tx=10 ms時(shí)，則主門(mén)打開(kāi)10 ms；若選擇時(shí)標(biāo)為T(mén)s=1us，則計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N=10 000個(gè)；若以ms為單位,則計(jì)數(shù)器顯示器上可讀得10.000（ms）。,通用電子計(jì)數(shù)器還可測(cè)量?jī)蓚€(gè)被測(cè)信號(hào)頻率的比值。測(cè)量時(shí)，兩個(gè)被比較的信號(hào)（設(shè)fAfB）分別加至 A、B輸入通道。頻率較低的信號(hào)fB加至B輸入通道，經(jīng)放大、整形后用作門(mén)控電路的觸發(fā)信號(hào)，頻率較高的fA加至A輸入通道，經(jīng)整形后變成重復(fù)頻率與fA相等的計(jì)數(shù)脈沖。主門(mén)的開(kāi)通時(shí)間為T(mén)B=1/fb， 在該時(shí)間內(nèi)對(duì)頻率為fa的信

10、號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，可得,5.3.4 電子計(jì)數(shù)器的其他功能,頻率比測(cè)量,頻率比測(cè)量原理圖,為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，還可將頻率較低的信號(hào)的周期擴(kuò)大，即將信號(hào)經(jīng)分頻器后再加至門(mén)控電路。當(dāng)主門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間增大后，計(jì)數(shù)值隨之增大，但由于顯示器可進(jìn)行小數(shù)點(diǎn)自動(dòng)移位，顯示的比值N不變。,累加計(jì)數(shù),累加計(jì)數(shù)是指在限定的時(shí)間內(nèi)，對(duì)輸入的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行累加。測(cè)量原理和測(cè)量頻率是相同的，不過(guò)這時(shí)門(mén)控電路改為人工控制。待計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)A通道輸入，這時(shí)計(jì)數(shù)值就是累加計(jì)數(shù)。,累加計(jì)數(shù)的方框圖,量化誤差 由于用于計(jì)數(shù)的時(shí)標(biāo)脈沖與控制主門(mén)的被測(cè)周期不同步所引起的誤差。 觸發(fā)誤差 測(cè)周期時(shí)，被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大、整形，轉(zhuǎn)換為門(mén)控信號(hào)。轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在著

11、各種干擾和噪聲的影響，以及利用施密特電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，觸發(fā)電平本身也可能產(chǎn)生抖動(dòng)，從而引入的誤差 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 晶體振蕩器不穩(wěn)定將引起的誤差,5.4 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差,5.4.1 電子計(jì)數(shù)器測(cè)量誤差的分類(lèi),干擾信號(hào)的信噪比較高時(shí)，觸發(fā)誤差忽略不計(jì),干擾較大，而產(chǎn)生額外觸發(fā)情況,頻率測(cè)量在正常測(cè)量時(shí)觸發(fā)誤差可不考慮，因此頻率測(cè)量誤差可認(rèn)為是由量化誤差和晶振誤差兩個(gè)因素引起 。 根據(jù)誤差的合成公式，可求得測(cè)頻誤差fx為,5.4.2 測(cè)量頻率誤差分析,誤差的計(jì)算,由于門(mén)控信號(hào)是由晶振分頻得到的，與晶振的頻率穩(wěn)定度直接相關(guān)?？紤]到門(mén)控信號(hào)寬度 T=kfTs，Ts=1/f，則上式可改寫(xiě)為 通常，要求標(biāo)

12、準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度比量化誤差的影響小一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，晶振頻率準(zhǔn)確度的影響可以忽略掉，即,例 若被測(cè)信號(hào)頻率=1 MHz，計(jì)算當(dāng)閘門(mén)時(shí)間T= l ms和1s時(shí)，由正負(fù)1誤差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差。 解：當(dāng)T = 1 ms時(shí)： 同理，當(dāng)T = 1 s時(shí)：,測(cè)頻時(shí)，絕對(duì)誤差只與量化單位有關(guān)，而與被測(cè)頻率無(wú)關(guān)。為了減小量化誤差，應(yīng)增加計(jì)數(shù)時(shí)間T?？赏ㄟ^(guò)增加晶振的分頻系數(shù)kf的方法來(lái)增大計(jì)數(shù)時(shí)間T。但是，測(cè)頻的相對(duì)誤差與被測(cè)頻率的大小有關(guān),T一定， kf越大時(shí)，計(jì)數(shù)值N越大，誤差就越小。對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率倍頻m倍，計(jì)數(shù)值可增大m倍。因此，要提高測(cè)頻的準(zhǔn)確度，應(yīng)減小量化單位，并增加被測(cè)頻率的大小。,減小誤差的方法,結(jié)合

13、誤差合成公式，可求得測(cè)周的誤差為 當(dāng)不考慮晶振的影響時(shí)，則有 當(dāng)僅考慮計(jì)數(shù)器本身的測(cè)量誤差時(shí)，如果較低，應(yīng)采用測(cè)周法；較高時(shí)，應(yīng)采用測(cè)頻法。,5.4.3 測(cè)量周期的誤差分析,對(duì)于同一被測(cè)頻率，直接利用電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻功能和測(cè)周功能分別測(cè)量時(shí)，都存在量化誤差，而且，當(dāng)頻率較高時(shí)宜用測(cè)頻功能，當(dāng)頻率較低是宜用測(cè)周功能。顯然，存在著某一個(gè)頻率，它使測(cè)頻和測(cè)周的誤差相等，這個(gè)頻率就是中界頻率，記為fz。在不考慮觸發(fā)誤差的條件下，則有 若將測(cè)頻時(shí)的閘門(mén)時(shí)間擴(kuò)大n倍，測(cè)周時(shí)的被測(cè)周期擴(kuò)大m倍，則,5.5.4 中界頻率的確定,5.5 電子計(jì)數(shù)器的應(yīng)用,5.5.1 提高測(cè)頻性能的方法,多周期同步測(cè)量法,取樣門(mén)控

14、時(shí)間是由計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)生，在其控制下，同時(shí)打開(kāi)主門(mén)A和主門(mén)B，使計(jì)數(shù)器A、B工作。實(shí)際計(jì)數(shù)的時(shí)間由同步門(mén)控決定，它是被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍。計(jì)數(shù)器A計(jì)得被測(cè)信號(hào)周期Na，計(jì)數(shù)器B計(jì)得時(shí)標(biāo)信號(hào)周期個(gè)數(shù)Nb，經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，得到被測(cè)頻率在采樣時(shí)間內(nèi)的平均值，在顯示器上顯示,E434BI是一種采用大規(guī)模集成電路的電子計(jì)數(shù)式測(cè)量?jī)x器，能在預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)，累計(jì)待測(cè)輸入信號(hào)來(lái)進(jìn)行頻率測(cè)量，靈敏度高能夠檢測(cè)微弱信號(hào)，有九位高亮度LED記憶顯示，讀數(shù)方便、清晰，小數(shù)點(diǎn)自動(dòng)定位。,5.5.2 E434BI 型頻率計(jì)數(shù)器簡(jiǎn)介,E434BI型頻率計(jì)數(shù)器原理方框圖,主機(jī)測(cè)量單元直接計(jì)數(shù)頻率為10MHz，輸入信號(hào)頻率大于1

15、0MHz時(shí)，機(jī)內(nèi)的自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路將被測(cè)信號(hào)經(jīng)預(yù)定標(biāo)分頻器除10后送入主機(jī)測(cè)量，此時(shí)主機(jī)采取了右移小數(shù)點(diǎn)的方法，以保證讀數(shù)與實(shí)際頻率一致。 輸入通道對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大整形，輸出ECL電平直接與預(yù)定標(biāo)分頻器配接。 輸入頻率范圍1Hz100MHz。 主機(jī)測(cè)量單元由計(jì)數(shù)器、寄存器、時(shí)基電路、邏輯控制等組成。顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路直接驅(qū)動(dòng)LED顯示數(shù)碼管，以?huà)呙璺绞斤@示測(cè)量結(jié)果。 由小型溫補(bǔ)晶振器產(chǎn)生10MHz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。,工作原理, 測(cè)頻范圍 1Hz100MHz。 輸入方式 AC。 波形方式 正弦波、脈沖波。 測(cè)量單位 kHz。 靈敏度 30mV（Urms=10mV）。 衰減范圍 1、20。 閘門(mén)時(shí)間0.1

16、s、1s、10s。 晶體振蕩器的標(biāo)準(zhǔn)頻率10MHz。,技術(shù)指標(biāo), 開(kāi)啟電源 按鍵開(kāi)關(guān)掀下為機(jī)內(nèi)直流電接通，儀器即可正常工作。 選擇閘門(mén)時(shí)間 0.1s：瞬時(shí)頻率；1s：1s內(nèi)平均頻率；10s：10s內(nèi)平均頻率。 濾波器選擇鍵：當(dāng)被測(cè)頻率 100MHz時(shí)，被測(cè)信號(hào)功率大、噪聲大，可將此鍵按下；釋放時(shí)為正常測(cè)試。 衰減選擇鍵 1：不衰減;20：被測(cè)信號(hào)衰減 20倍。 LED數(shù)碼顯示 九位LED數(shù)碼管顯示測(cè)試結(jié)果，小數(shù)點(diǎn)自動(dòng)定位，顯示單位為kHz。,使用方法,在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)頻率和周期是周期性信號(hào)最基本的參數(shù)，頻率測(cè)量的準(zhǔn)確度也最高。按信號(hào)不同頻率值可進(jìn)行不同頻段的劃分。 常用的測(cè)頻方法有：無(wú)源測(cè)頻法

17、，有源測(cè)頻法和計(jì)數(shù)測(cè)頻法。但最常用的是計(jì)數(shù)法。 電子計(jì)數(shù)器主要技術(shù)指標(biāo)有：測(cè)試性能、測(cè)量范圍、輸入特性、輸入靈敏度、閘門(mén)時(shí)間和時(shí)標(biāo)等。,本章小結(jié),電子計(jì)數(shù)器具有多種測(cè)量功能：測(cè)頻、測(cè)周和測(cè)頻比等等。 電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差有：量化誤差、觸發(fā)誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。減小它們的方法分別是增大計(jì)數(shù)值、提高信噪比和選用高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率。使測(cè)頻和測(cè)量誤差相等的那個(gè)頻率叫中界頻率。 應(yīng)用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量時(shí)，選用合適的測(cè)量功能，采用多周期測(cè)量法，可以提高測(cè)量的精度。,1. 為什么說(shuō)電子計(jì)數(shù)器是一切數(shù)字式儀器的基礎(chǔ)？ 2. 用7位電子計(jì)數(shù)器測(cè)量fx=5MHZ的信號(hào)頻率。當(dāng)閘門(mén)時(shí)間置于1s、0.1s、10ms時(shí)，試分別計(jì)算由于誤差而引起的測(cè)頻誤差？ 3. 某電子計(jì)數(shù)器晶振頻率誤差為，若后利用該計(jì)數(shù)器將10MHz晶振校準(zhǔn)到，問(wèn)閘門(mén)時(shí)間應(yīng)選為多少方能滿(mǎn)足要求？,練習(xí)題,4. 用計(jì)數(shù)器測(cè)頻率，已知閘門(mén)時(shí)間和計(jì)數(shù)值N如下表所示，求各種情況下的fx=？ 5. 用多周期法測(cè)周期。已知被測(cè)信號(hào)重復(fù)周期為50s時(shí)，計(jì)數(shù)值為 100 000，內(nèi)部時(shí)標(biāo)信號(hào)頻率為1MHz。若采用同一周期倍乘和同一時(shí)標(biāo)信號(hào)去測(cè)量另一未知信號(hào)，