电子测量与技术第四章 F T 测量

1、第四章第四章 频率与时间的测量频率与时间的测量 一、概述一、概述 二、电子计数器的基本原理二、电子计数器的基本原理 三、测量误差分析三、测量误差分析 四、标准计数器的使用四、标准计数器的使用 五、标准频率源的测量五、标准频率源的测量 一、概述一、概述 频率或时间的原始基准频率或时间的原始基准 1、采用天文观测方法，将一天分为、采用天文观测方法，将一天分为606024 得到的秒，经过校正，其稳定度为得到的秒，经过校正，其稳定度为 8 103 2、以、以1900回归年的回归年的1556925.9747分之一作为分之一作为 历书时的秒，其准确度可达历书时的秒，其准确度可达 9 101 3、引进微观计

2、时标准，采用铯、引进微观计时标准，采用铯133（Cs133）原子）原子 基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的 9192631770个周期的持续时间为一秒，其准确个周期的持续时间为一秒，其准确 度可达度可达10-13 。 第四章第四章 频率与时间的测量频率与时间的测量 在电子技术领域内，频率的测量精确度在电子技术领域内，频率的测量精确度 是最高的。是最高的。 频率是一个最基本的参数，与其他电参频率是一个最基本的参数，与其他电参 量的测量方案、测量结果有密切的关系。量的测量方案、测量结果有密切的关系。 用电子计数器测量频率精确度高、使用方便用电子计数器测量频率精

3、确度高、使用方便 测量迅速、便于实现测量过程自动化。测量迅速、便于实现测量过程自动化。 第四章第四章 频率与时间的测量频率与时间的测量 电子计数器一般具有测量频率和测量周期电子计数器一般具有测量频率和测量周期 等两种以上测量功能。等两种以上测量功能。 二、电子计数器基本原理二、电子计数器基本原理 计数器计数器 控制信号控制信号 被测信号被测信号 基准信号基准信号 （时标信号）（时标信号） 闸门时间信号闸门时间信号 被测信号被测信号 手控开关信号手控开关信号 遥控开关信号遥控开关信号 计数信号计数信号 f1 主门主门 f2 N=f1/f2 =f1*T2 组合为七种功能：组合为七种功能： 1、频率

4、测量、频率测量 2、周期测量、周期测量 3、频率比测量、频率比测量 4、自校功能、自校功能 5、时间间隔测量、时间间隔测量 分为内控、外控分为内控、外控 6、计时、计时 7、计数、计数 机内晶振频率机内晶振频率 达到测量的要达到测量的要 求时求时 当机内晶振精当机内晶振精 度达不到要求度达不到要求 时应外接晶振时应外接晶振 输入单元输入单元主门主门十进电子计数器十进电子计数器 门控门控 电路电路 逻辑逻辑 控制单元控制单元 A通道通道 A通道通道 fx 时标信号时标信号 石英石英 振荡器振荡器 1 10 1 10 1 10 分频器分频器 脉冲放大脉冲放大 1 10 1 10 1 10 1 10

5、 闸门时间闸门时间 1KHz 从上图可知，频率计数器由以下几部分组成：从上图可知，频率计数器由以下几部分组成： 1、输入单元：作用是将被测信号形成可以计数的方波、输入单元：作用是将被测信号形成可以计数的方波 如图如图 2、 十进电子计数器：是一个二十进电子计数器：是一个二-十进计数器十进计数器 3、时基信号产生与变换单元：通过、时基信号产生与变换单元：通过闸门时间闸门时间选择选择 开关开关S1选出时标信号，加到门控电路，形成不同的显示。选出时标信号，加到门控电路，形成不同的显示。 例如：例如： 时标信号时标信号闸门时间闸门时间显示显示 被测频率为被测频率为 100000Hz 1s1s 100.

6、 000kHz 0.1s 0.1s 100. 00kHz 输入单元输入单元主门主门十进电子计数器十进电子计数器 门控门控 电路电路 逻辑逻辑 控制单元控制单元 A通道通道 A通道通道 fx 时标信号时标信号 石英石英 振荡器振荡器 1 10 1 10 1 10 分频器分频器 脉冲放大脉冲放大 1 10 1 10 1 10 1 10 闸门时间闸门时间 1KHz 继续继续 4、逻辑控制单元：用来控制计数器的工作程序、逻辑控制单元：用来控制计数器的工作程序 准备准备 计数计数 显示显示 复零复零 准备下一次测量准备下一次测量 第四章第四章 频率与时间的测量频率与时间的测量 电子计数器测量周期方法电子

7、计数器测量周期方法 引入目的引入目的：当被测频率较低时，计数器直接测频，：当被测频率较低时，计数器直接测频， 由由 1误差引起的测频误差将会太大，所误差引起的测频误差将会太大，所 以引入计数器测周方法。以引入计数器测周方法。 基本原理基本原理：由被测信号控制主门开门，用时标脉冲由被测信号控制主门开门，用时标脉冲 进行计数，属于比较测量方法。进行计数，属于比较测量方法。 此原理与测频的基本原理刚好相反。此原理与测频的基本原理刚好相反。 第四章第四章 频率与时间的测量频率与时间的测量 测量周期的原理方框图：测量周期的原理方框图： 石英石英 振荡器振荡器 K 1 主门主门十进计数器十进计数器 1MH

8、z Ts 脉冲脉冲 形成电路形成电路 门控门控 电路电路 门控信号门控信号 Tx B通道通道 B输入输入 Tx 被测信号被测信号 Tx 时间间隔的测量时间间隔的测量 信号波形上两个点之间的时间间隔的测量。信号波形上两个点之间的时间间隔的测量。 分为分为：周期测量和同一信号波形上两个不同点之间：周期测量和同一信号波形上两个不同点之间 的时间间隔的测量。的时间间隔的测量。 基本模式基本模式：设置两个独立的通道，分别设置触发电平 设置两个独立的通道，分别设置触发电平 和触发极性；一个作为起始通道开通主门和触发极性；一个作为起始通道开通主门 一个是终止信号通道用来关闭主门。一个是终止信号通道用来关闭主

9、门。 第四章第四章 频率与时间的测量频率与时间的测量 时间间隔测量原理框图：时间间隔测量原理框图： 触发器触发器 触发器触发器 起始起始 触发器触发器 终止终止 触发器触发器 1MHz石英石英 振荡器振荡器 门控门控 电路电路 主门主门 时基分频器时基分频器 十进计数器十进计数器 输入输入B 输入C 触发沿选择触发沿选择 1 s 10 s 10s + + S 时间间隔测量模式工作波形图：时间间隔测量模式工作波形图： 输入输入B起始起始 输入输入C终止终止 门控信号门控信号 时标时标 被计时标数被计时标数 三、测量误差分析三、测量误差分析 介绍误差分析的思路：介绍误差分析的思路： 误差传递公式误

10、差传递公式 函数的表达式函数的表达式 （一）、测频模式时的误差（一）、测频模式时的误差 1误差误差 标准频率误差标准频率误差 固有误差固有误差 T N f T T N N f f x x 误差传递公式误差传递公式 j m j j x x f y 1 1误差误差 标准频率标准频率 误差误差 1、测量原理、测量原理 2、误差分析：、误差分析： 多一个或少一个脉冲另 相对误差由两部分组成 1N c c x x f f N N f f c c x x x cc c c c x f df N dN f df f NdfdNfdf f fN T N f 得同时除以 两边同时求偏差： 为标准频率源 x 1误

11、差：误差： t tx t t0 Tx N Tx 0 tTx a b t 对于对于 a图，计得图，计得5个数个数; 对于对于 b图，当图，当 t趋向趋向0时，有两种可能的计数结果：时，有两种可能的计数结果： 1、当第一个脉冲和第六个脉冲都能通过主门，则可、当第一个脉冲和第六个脉冲都能通过主门，则可 计得计得6个数。个数。 第四章第四章 频率与时间的测量频率与时间的测量 2、当第一个和第六个脉冲都没有通过主门，则可计、当第一个和第六个脉冲都没有通过主门，则可计 得得4个数。个数。 所以，最大误差总是所以，最大误差总是1个计数单位，故称为个计数单位，故称为“1误差误差”。 x TfNN N11 标准

12、频率误差：标准频率误差： 决定于由石英振荡器提供的标准频率的准确度。决定于由石英振荡器提供的标准频率的准确度。 第四章第四章 频率与时间的测量频率与时间的测量 表达式：表达式： ) 1 ( c c xx x f f Tff f 测频模式时的测频模式时的总误差总误差可采用可采用分项误差绝对值合成分项误差绝对值合成， 表达式如下：表达式如下： 第四章第四章 频率与时间的测量频率与时间的测量 被测频率越低，误差越大；被测频率越低，误差越大； 闸门时间越大，误差越小。闸门时间越大，误差越小。 结论：结论： 测量总误差不可能优于标准频率误差测量总误差不可能优于标准频率误差 （二）、测周模式时的误差（二）

13、、测周模式时的误差 量化误差（量化误差（1误差）误差） 标准频率误差标准频率误差 转换误差（触发误差）转换误差（触发误差） s s x x T T N N T T csx fNTNT/ c c n cXc c cX c c X X c c x x c cc x f f fT K f f fT f f NT T f df N dN T dT f NdfdNf dT 10 1 1 2 石英石英 振荡器振荡器 K 1 主门主门十进计数器十进计数器 1MHz Ts 脉冲脉冲 形成电路形成电路 门控门控 电路电路 门控信号门控信号 Tx B通道通道 B输入输入 Tx 如上图所示，如上图所示， k fT

14、kT T T T NkTT n cx c n x s n x cs 101010 , 1 N 一般情况下，周期测量法多采用多周期测量可以减少一般情况下，周期测量法多采用多周期测量可以减少 转换误差对测周的影响。转换误差对测周的影响。 那么，什么是转换误差呢？那么，什么是转换误差呢？ 当被测信号受干扰时可能会提前触发门控信号，当被测信号受干扰时可能会提前触发门控信号， 造成误差，称为造成误差，称为转换误差转换误差或或触发误差触发误差。 m n x n V V T T 2 1 干扰或噪声的幅度干扰或噪声的幅度 信号的振幅信号的振幅 电网电源在逆变器开关时有很多毛刺，使门控信号由电网电源在逆变器开关

15、时有很多毛刺，使门控信号由T- T产生产生T1、 T2误差，称为转换误差。误差，称为转换误差。 近似分析：近似分析： a,b为比较点正弦波切线，为比较点正弦波切线， Vn为噪声幅度为噪声幅度 m n m n 2 2 2 1 x 1 X m V2 1 V2 2 2 T 2 0 V VT TTT V VT T V V V VT tg v T V tgvvv X m nx m n m nXn mBB 转换误差： 因为是随机误差 同理： 信号电压 噪声电压 远小于或取一般 加屏蔽合理接地可以降低加屏蔽合理接地可以降低Vn。 2 2 x 1 1 2 sin1cos sin m B m x Bxmxxmx

16、 xm Bx x n v v V T tVtVtg tVV vv dt dv tg tg V T 设 表达式：表达式： c c m n n cx n x x f f V V fT k T T 102 1 10 在考虑了以上三项误差的情况下，采用多周期测量在考虑了以上三项误差的情况下，采用多周期测量 的方法，其合成误差如下式所示：的方法，其合成误差如下式所示： 结论：结论： 1、测周误差主要有：量化误差、转换误差、测周误差主要有：量化误差、转换误差、 标准频率误差。标准频率误差。 2、采用多周期测量可提高测量准确度。、采用多周期测量可提高测量准确度。 3、选用小时标（小、选用小时标（小k）可提高

17、测周分辨力。）可提高测周分辨力。 4、测量过程中应尽可能提高信噪比。、测量过程中应尽可能提高信噪比。 四、标准计数器的使用：四、标准计数器的使用： 1、工作特性：、工作特性： 输入特性输入特性 计数频率计数频率 标准频率源标准频率源 显示位数显示位数 显示方式显示方式 记忆能力记忆能力 2、正确使用：、正确使用： （1）、晶振预热：只有在恒定温度条件下工作，才能达）、晶振预热：只有在恒定温度条件下工作，才能达 到指标内的准确度和稳定度。一般预热两小时以上。到指标内的准确度和稳定度。一般预热两小时以上。 （2）、标准频率的选择：）、标准频率的选择： 作为基准的标准频率的准确度比被测频率至少要高作

18、为基准的标准频率的准确度比被测频率至少要高 一个数量级。一个数量级。 如果内部晶振量级不够，可外接标准频率源。如果内部晶振量级不够，可外接标准频率源。 测量（比对）设备即电子计数器的测量准确度（主要测量（比对）设备即电子计数器的测量准确度（主要 指指1误差）至少比被测频率准确度高三倍。误差）至少比被测频率准确度高三倍。 （3）、闸门时间的选择：）、闸门时间的选择： 正确选择闸门、时标可把量化误差降为最小。正确选择闸门、时标可把量化误差降为最小。 （4）、关于输入信号：）、关于输入信号： 测量时被测信号的幅度应足够大，以保证有关电路测量时被测信号的幅度应足够大，以保证有关电路 的正常工作，否则会导致读数不稳定。的正常工作，否则会导致读数不稳定。 （5）、关于自校）、关于自校 在进行各种测量前应进行自校