最新电子测量技术频率(时间)与相位测量

1、电子测量原理电子测量原理第1页第第6章章 频率（时间）与相位测量频率（时间）与相位测量 6.1 时频标准及测量方法时频标准及测量方法 6.2 电子计数器测频率电子计数器测频率 6.3 电子计数器测时间电子计数器测时间 6.4 电子计数器测量相位电子计数器测量相位 电子测量原理电子测量原理第2页 在自然界中，周期现象是极为普遍的，在电信号内（在自然界中，周期现象是极为普遍的，在电信号内（特别是电子技术中）也是常见的。而频率和周期是从不特别是电子技术中）也是常见的。而频率和周期是从不同同的两个侧面来描述周期现象的，二者互为倒数关系。周的两个侧面来描述周期现象的，二者互为倒数关系。周期期实质上是时间

2、（即时间间隔），而时间是国际单位制中实质上是时间（即时间间隔），而时间是国际单位制中七七个基本物理量之一，单位为秒，用个基本物理量之一，单位为秒，用s表示。相位与时间也表示。相位与时间也是密切相关的，其关系表述为：是密切相关的，其关系表述为： （6-1）式中的式中的表示相位，表示相位，f和和t分别是频率和周期。分别是频率和周期。fttt360360电子测量原理电子测量原理第3页 所以，频率、时间、相位三个量可归结为一个量的所以，频率、时间、相位三个量可归结为一个量的测量问题。在电子技术领域内，频率是最基本的参数之一测量问题。在电子技术领域内，频率是最基本的参数之一，它指单位时间内周期变化或振荡

3、的次数，许多电参数的，它指单位时间内周期变化或振荡的次数，许多电参数的测量方案及结果都与之密切相关。因此，频率的测量是十测量方案及结果都与之密切相关。因此，频率的测量是十分重要的，而且到目前为止频率的测量在电测量中精确度分重要的，而且到目前为止频率的测量在电测量中精确度是最高的。是最高的。电子测量原理电子测量原理第4页6.1 时频标准及测量方法时频标准及测量方法6.1.1 频段的划分频段的划分 频段的划分，方法很多。国际上规定频段的划分，方法很多。国际上规定30khz以下为甚以下为甚低频、超低频，低频、超低频，30khz以上每以上每10倍依次划分为低、中、高倍依次划分为低、中、高、甚高、特高、

4、超高等频段、甚高、特高、超高等频段(微波技术按波长划分微波技术按波长划分)。在一。在一般电子技术中，般电子技术中，20hz20khz内称音频，内称音频，20hz10mhz内称视频，而内称视频，而30khz几十几十ghz内称射频。当然，电子测内称射频。当然，电子测量技术也有按量技术也有按30khz（或（或100khz）为界来划分，）为界来划分，30khz以下为低频，以下为低频，30khz以上为高频。以上为高频。电子测量原理电子测量原理第5页6.1.2 频率或时间标准频率或时间标准 人们早期根据在地球上看到太阳的人们早期根据在地球上看到太阳的“运动运动”较为均匀较为均匀这这一现象建立了计时标准，把

5、太阳出现于天顶的平均周期（一现象建立了计时标准，把太阳出现于天顶的平均周期（即平均太阳日）的即平均太阳日）的86400分之一定为一秒，称零类世界时分之一定为一秒，称零类世界时（记作（记作uto），其准确度在），其准确度在10-6量级。考虑到地球受极运量级。考虑到地球受极运动（即极移引起的经度变化）的影响，可加以修正，修正动（即极移引起的经度变化）的影响，可加以修正，修正后称为第一世界时（记作后称为第一世界时（记作ut1）。此外，地球的自转不稳）。此外，地球的自转不稳定，进行季节性、年度性变化校正，引出第二世界时（记定，进行季节性、年度性变化校正，引出第二世界时（记作作ut2），其稳定度在），其

6、稳定度在310-8。而公转周期却相当稳定，。而公转周期却相当稳定，于是人们以于是人们以1900回归年的回归年的31556925.9747分之一作为历书时分之一作为历书时的秒（记作的秒（记作et），其标准度可达），其标准度可达110-9。电子测量原理电子测量原理第6页 上述为宏观记时标准，需要精密的天文观测，手续烦上述为宏观记时标准，需要精密的天文观测，手续烦杂，准确度有限，不便于作为测量过程的参照标准。而近杂，准确度有限，不便于作为测量过程的参照标准。而近几十年来引进了微观计时标准，即原子钟，它以原子或分几十年来引进了微观计时标准，即原子钟，它以原子或分子内部能级跃迁所辐射或吸收的电磁波的频率

7、作为基准来子内部能级跃迁所辐射或吸收的电磁波的频率作为基准来计量时间。铯计量时间。铯-133（cs133）原子基态的两个超精细能级）原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的之间跃迁所对应的9192631770个周期的持续时间为一秒，个周期的持续时间为一秒，以此定出的时间标准称为原子时（记作以此定出的时间标准称为原子时（记作at），其准确度可），其准确度可达达10-13量级。量级。 原子时比天文时和石英标准都稳定，这是由原子本身原子时比天文时和石英标准都稳定，这是由原子本身结构及其运动的永恒性决定的。自结构及其运动的永恒性决定的。自1972年年1月月1日零时起，日零时起，时间单位秒由天文秒改为原

8、子秒，使时间标准由实物基准时间单位秒由天文秒改为原子秒，使时间标准由实物基准电子测量原理电子测量原理第7页转变为自然基准。转变为自然基准。 需要指出的是，在电子仪器中常采用石英频率标准。需要指出的是，在电子仪器中常采用石英频率标准。其原因在于：其一，石英晶体的机械稳定性和热稳定性很其原因在于：其一，石英晶体的机械稳定性和热稳定性很高，它的振荡频率受外界因数的影响较小，因而比较稳定高，它的振荡频率受外界因数的影响较小，因而比较稳定；其二，石英频率标准发展快，六十年来将准确度和稳定；其二，石英频率标准发展快，六十年来将准确度和稳定度提高了度提高了4个数量级；其三，石英晶体振荡器结构简单，个数量级；

9、其三，石英晶体振荡器结构简单，制造、维护、使用均方便，而且准确度能满足大多数测量制造、维护、使用均方便，而且准确度能满足大多数测量的需要。因此，石英频率作为一种次级标准，已成为最常的需要。因此，石英频率作为一种次级标准，已成为最常用的频率标准。用的频率标准。 最后还要指出，时间标准就是频率标准，这是因为频最后还要指出，时间标准就是频率标准，这是因为频率与时间互为倒数。率与时间互为倒数。电子测量原理电子测量原理第8页6.1.3 频率（时间）测量方法频率（时间）测量方法 1.直读法直读法 在工程中，工频信号的频率常用电动系频率表进行测在工程中，工频信号的频率常用电动系频率表进行测量，并用电动系相位

10、表测量相位，因为这种指针式电工仪量，并用电动系相位表测量相位，因为这种指针式电工仪表的操作简便、成本低，在工程测量中能满足其测量准确表的操作简便、成本低，在工程测量中能满足其测量准确度。这种电动系频率表和相位表，可见本书第二章。度。这种电动系频率表和相位表，可见本书第二章。 2.电路参数测量法电路参数测量法 通过测量电路参数达到测量频率目的的方法有两种。通过测量电路参数达到测量频率目的的方法有两种。首先是电桥法，把被测信号作为交流电桥的电源，调节桥首先是电桥法，把被测信号作为交流电桥的电源，调节桥臂参数使电桥平衡，由平衡条件可得出被测频率的结果。臂参数使电桥平衡，由平衡条件可得出被测频率的结果

11、。 电子测量原理电子测量原理第9页这种方法误差较大，目前已很少用。（参见本书第二章）这种方法误差较大，目前已很少用。（参见本书第二章） 其次是谐振法，将被测信号作用为谐振电路的电源，其次是谐振法，将被测信号作用为谐振电路的电源，通过改变电路参数使电路谐振，然后由电路参数可得被测通过改变电路参数使电路谐振，然后由电路参数可得被测频率。这两种方法都可在所调节的电路参数上直接按频率频率。这两种方法都可在所调节的电路参数上直接按频率刻度，测量时可直接读出结果。刻度，测量时可直接读出结果。 3.示波器法示波器法 用示波器来进行测量是非常直观的，下面介绍几种常用示波器来进行测量是非常直观的，下面介绍几种常

12、用方法。用方法。 (1)直接测量法测频率直接测量法测频率 用示波器直接测量频率已在第三章中讨论过，这里再用示波器直接测量频率已在第三章中讨论过，这里再简要介绍一下。简要介绍一下。 电子测量原理电子测量原理第10页 扫描微调应置扫描微调应置“校正校正”位，调节位，调节“时基开关时基开关”（即扫（即扫描速描速度），使选择的扫描恰当，屏上显示适中稳定的波形，则度），使选择的扫描恰当，屏上显示适中稳定的波形，则由屏上读得的一个周期的距离（单位由屏上读得的一个周期的距离（单位cm）和时基开关档位）和时基开关档位（单位（单位s/cm）可得：）可得： （6-2）式中：式中：t为被测周期（单位为被测周期（单位

13、s），），s为扫描速度（单位为扫描速度（单位s/cm）。若使用了）。若使用了“x扩展扩展”，则应除以扩展系数。，则应除以扩展系数。被测信号频率为：被测信号频率为： （6-3）txxxst xxtf1电子测量原理电子测量原理第11页 (2)时标法测频率时标法测频率 直接测量法中，除需对扫描速度校准外，其准确度还直接测量法中，除需对扫描速度校准外，其准确度还与示波器分辨率和扫描线性及放大器增益稳定性有关。然与示波器分辨率和扫描线性及放大器增益稳定性有关。然而，时标法可克服扫描非线性所引起的误差。而，时标法可克服扫描非线性所引起的误差。 时标法的原理是：在扫描发生器控制下，扫描正程期时标法的原理是：

14、在扫描发生器控制下，扫描正程期间时标发生器工作，产生方波（或正弦波）时标信号间时标发生器工作，产生方波（或正弦波）时标信号 ，此，此信号加在示波管的控制栅极和阴极之间进行辉度调节。时信号加在示波管的控制栅极和阴极之间进行辉度调节。时标信号周期远小于被测信号周期，则屏上显示的被测信号标信号周期远小于被测信号周期，则屏上显示的被测信号波形明暗相间，这一明一暗正好是时标信号周期，从而被波形明暗相间，这一明一暗正好是时标信号周期，从而被测信号周期为：测信号周期为： （6-4）0nttx电子测量原理电子测量原理第12页式中：式中：to为时标信号周期；为时标信号周期； n为为t内的标记数。内的标记数。 (

15、3)李沙育图形法测频率李沙育图形法测频率 李沙育图形法测频率在第四章中已介绍。应注意的是李沙育图形法测频率在第四章中已介绍。应注意的是在在y和和x输入中必有一个标准频率信号，同时对输入中必有一个标准频率信号，同时对y和和x输入输入信号的波形、幅值、频率都有一定要求，而且测量的频率信号的波形、幅值、频率都有一定要求，而且测量的频率范围不宽。此外，测量时应使屏上显示的图形要明了直观范围不宽。此外，测量时应使屏上显示的图形要明了直观. (4)相位测量相位测量 示波器测量相位差有下述测量方法示波器测量相位差有下述测量方法: a.单踪示波器法单踪示波器法 将被测二信号先后接入将被测二信号先后接入y输入进

16、行显示，记住第一个输入进行显示，记住第一个电子测量原理电子测量原理第13页输入信号显示时的位置，则显示第二个输入信号时就可读输入信号显示时的位置，则显示第二个输入信号时就可读出相位差对应的距离，同时再读出信号一个周期的距离，出相位差对应的距离，同时再读出信号一个周期的距离，则被测结果为：则被测结果为： （6-5） 利用这种方法还可以测试出三相交流信号的相序。不利用这种方法还可以测试出三相交流信号的相序。不管是测相位差还是测三相电的相序，这种方法较为费时，管是测相位差还是测三相电的相序，这种方法较为费时，操作也相对复杂些。操作也相对复杂些。 b.双踪示波器法双踪示波器法利用双踪示波器或双线示波器

17、来测量信号的相位差非常方利用双踪示波器或双线示波器来测量信号的相位差非常方便，第四章已作介绍，不再重述。便，第四章已作介绍，不再重述。360txx电子测量原理电子测量原理第14页 c.李沙育图形法李沙育图形法 第四章对此也作了介绍，示波器工作在第四章对此也作了介绍，示波器工作在 “xy方式方式”，通过屏上显示的椭圆程度来判断二信号的相位差。，通过屏上显示的椭圆程度来判断二信号的相位差。 对三相交流对称电路相位的测量，可用两块功率表进对三相交流对称电路相位的测量，可用两块功率表进行测量，见第七章内容。行测量，见第七章内容。 4.f/v变换测量法变换测量法 这种方法是将被测频率这种方法是将被测频率

18、f经经“f/v”变换环节变换成电压变换环节变换成电压，然后用电压表对电压进行测量，通过电压反映被测频率，然后用电压表对电压进行测量，通过电压反映被测频率。也有按。也有按“f/i”转换将频率转换成电流，通过测电流来反转换将频率转换成电流，通过测电流来反映映被测频率的。采用被测频率的。采用“f/v”集成电路做成的测频仪器，最高集成电路做成的测频仪器，最高可测几兆赫的频率。可测几兆赫的频率。“f/v”变换法测频的优点，在于可连变换法测频的优点，在于可连电子测量原理电子测量原理第15页续监测被测频率的变化。续监测被测频率的变化。 当然，也可采用当然，也可采用“t/v”t/v”变换来测信号的周期，由周期

19、变换来测信号的周期，由周期得得被测频率。被测频率。 5.5.比较法比较法 比较法是将被测频率与标准已知频率进行比较来得到比较法是将被测频率与标准已知频率进行比较来得到测量结果。常用方法有下述两种：测量结果。常用方法有下述两种： (1).(1).拍频法拍频法 原理电路见图原理电路见图6-16-1所示。它将所示。它将 被测频率信号与标准频率信被测频率信号与标准频率信 号通过线性电路进行迭加，然号通过线性电路进行迭加，然 后把迭加结果在示波器上后把迭加结果在示波器上观察观察 电子测量原理电子测量原理第16页波形，或者送入耳机进行监听。当波形，或者送入耳机进行监听。当ffs时，线性迭加结果时，线性迭加

20、结果振幅恒定；若振幅恒定；若ffs，线性迭加结果振幅是变化的。这种方，线性迭加结果振幅是变化的。这种方法适于测低频，且被测与标准信号波形应相同，目前很少法适于测低频，且被测与标准信号波形应相同，目前很少应用。应用。 (2)差频法差频法 原理电路见图原理电路见图6-2所示。所示。 被测与标准信号送入非线被测与标准信号送入非线 性电路进行混频，然后再性电路进行混频，然后再 用示波器等来监测。混频用示波器等来监测。混频 结果中有结果中有foffs，若，若f fs，则，则fo0，输出直流，输出直流 图 6-2 差频法测频率电子测量原理电子测量原理第17页 6.计算法计算法 以上各测量方法都有它的局限性

21、，特别是在测量范围以上各测量方法都有它的局限性，特别是在测量范围和准确性方面有不足之处。目前，由于数字电路的飞速发和准确性方面有不足之处。目前，由于数字电路的飞速发展和数字集成电路的普及，电子计数器的应用已十分普遍展和数字集成电路的普及，电子计数器的应用已十分普遍，利用电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量，利用电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速以及便于实现测量的自动化等突出优点，故已成为近迅速以及便于实现测量的自动化等突出优点，故已成为近代频率测量的重要手段。所以，本章对电子计数器测量频代频率测量的重要手段。所以，本章对电子计数器测量频率等加以重点介绍。率等加以重点介绍。

22、电子测量原理电子测量原理第18页6.2 电子计数器测频率电子计数器测频率 广为应用的电子计数器不但能测频率，还能测周期、广为应用的电子计数器不但能测频率，还能测周期、相位差等，故称为相位差等，故称为“通用计数器通用计数器”。6.2.1 测频基本原理测频基本原理 频率的定义，是指周期性信号在一秒钟内变化的周期频率的定义，是指周期性信号在一秒钟内变化的周期。如果在一定的时间间隔。如果在一定的时间间隔ts内计有周期信号的重复变化次内计有周期信号的重复变化次数数n，则频率可写为：，则频率可写为： （6-6）sxtnf电子测量原理电子测量原理第19页 电子计数器就是严格按照式（电子计数器就是严格按照式（

23、6-6）进行测频的，原理）进行测频的，原理框图见图框图见图6-3所示。被测信号通过脉冲形成电路转变成脉冲所示。被测信号通过脉冲形成电路转变成脉冲信号送入闸门，在门控信号作用时间内闸门打开，脉冲通信号送入闸门，在门控信号作用时间内闸门打开，脉冲通过闸门进入计数器计数。若闸门在控制信号作用下开启时过闸门进入计数器计数。若闸门在控制信号作用下开启时间为间为1s，则计数器所计的数即为被测频率值。，则计数器所计的数即为被测频率值。 电子测量原理电子测量原理第20页6.2.2 电子计数器测频的组成框图电子计数器测频的组成框图 电子计数器的组成框图见图电子计数器的组成框图见图6-4所示所示 图中各电路的作用

24、如下：图中各电路的作用如下： 放大整形：放大是对小信号而言，整形是将各种被测放大整形：放大是对小信号而言，整形是将各种被测波形整形成脉冲（如采用施密特电路）。波形整形成脉冲（如采用施密特电路）。 晶振：石英晶体振荡器，产生频率非常稳定的脉冲信晶振：石英晶体振荡器，产生频率非常稳定的脉冲信电子测量原理电子测量原理第21页号。通常是号。通常是1mhz或或5mhz，稳定度达，稳定度达1010数量量级。数量量级。 分频器：实为计数器，每输入十个脉冲才输出一个脉分频器：实为计数器，每输入十个脉冲才输出一个脉冲。通过多次分频可获得不同的时间基准（或时标信号）冲。通过多次分频可获得不同的时间基准（或时标信号

25、）. 门控：是双稳电路，提高分频信号的前沿陡度，使时门控：是双稳电路，提高分频信号的前沿陡度，使时基准确。基准确。 主闸门：具有与门电路一样的功能，只有在门控信号主闸门：具有与门电路一样的功能，只有在门控信号作用下才能开启，即在门控信号高电平期间脉冲通过闸门作用下才能开启，即在门控信号高电平期间脉冲通过闸门进入计数器被计数。进入计数器被计数。 此外，计数、译码、显示等电路是数字仪表所共性此外，计数、译码、显示等电路是数字仪表所共性的，这里不多述。的，这里不多述。电子测量原理电子测量原理第22页6.2.3 频率测量原理频率测量原理 被测信号经放大整形后送入闸门。晶振信号经分频得被测信号经放大整形

26、后送入闸门。晶振信号经分频得到的时间基准信号送入门控电路，门控电路在所选的时间到的时间基准信号送入门控电路，门控电路在所选的时间基准内输出高电平，从而打开主闸门。在主闸门打开期间基准内输出高电平，从而打开主闸门。在主闸门打开期间，被测信号整形后的脉冲通过主闸门进入计数器被计数，被测信号整形后的脉冲通过主闸门进入计数器被计数，然后再译码和显示。显示按式（然后再译码和显示。显示按式（6-6）所示关系进行。）所示关系进行。 闸门的开启时间是可以改变的。如闸门的开启时间是可以改变的。如8位显示电子计数器位显示电子计数器式频率计，取显示单位为式频率计，取显示单位为khz，设被测，设被测f=10mhz，若

27、选闸，若选闸门时间门时间t=1s，则显示，则显示10000.000khz；若选；若选t=0.1s，因闸门，因闸门开启时间小开启时间小10倍，所计脉冲数也小倍，所计脉冲数也小10倍，则小数点右移一倍，则小数点右移一电子测量原理电子测量原理第23页位，显示位，显示010000.00khz，如此类推。可见，选择闸门时间，如此类推。可见，选择闸门时间t大一些，数据有效位多，因而测量准确度高。大一些，数据有效位多，因而测量准确度高。 图图6-4中各处信号的波形关系，可见图中各处信号的波形关系，可见图6-5 所示。图中所示。图中的被测信号为正弦波形，整形后只是在过零变正的瞬间产的被测信号为正弦波形，整形后

28、只是在过零变正的瞬间产生脉冲，而且一个周期只产生一个脉冲。生脉冲，而且一个周期只产生一个脉冲。电子测量原理电子测量原理第24页6.2.4 误差分析误差分析 由式（由式（6-6）可得：）可得： （6-7） 最大误差：最大误差： （6-8） 可见误差有两部分，第一项是计数相对误差；第二项可见误差有两部分，第一项是计数相对误差；第二项是主闸门开启时间误差，它决定于石英振荡器所提供的标是主闸门开启时间误差，它决定于石英振荡器所提供的标准频率的准确度。准频率的准确度。 1.计数误差计数误差 计数误差也叫量化误差或计数误差也叫量化误差或1个字误差，它是电子计个字误差，它是电子计数器的固有误差，也是数字仪表

29、特有的误差。数器的固有误差，也是数字仪表特有的误差。 sstdtndnfdfxx|)|(|)(dmaxtnssxxtdtndnff电子测量原理电子测量原理第25页 产生计数误差的原因，是由被测信号和门控信号之间产生计数误差的原因，是由被测信号和门控信号之间不同步及周期关系任意性引起的。因被测信号与门控信号不同步及周期关系任意性引起的。因被测信号与门控信号之间没有同步锁定关系，门控信号的起始点随开机时刻完之间没有同步锁定关系，门控信号的起始点随开机时刻完全是随机的；而且被测信号周期是任意的，而门控信号周全是随机的；而且被测信号周期是任意的，而门控信号周期是一定的。当闸门开启时间期是一定的。当闸门

30、开启时间ts与被测信号周期与被测信号周期t的整数的整数倍相当时，产生倍相当时，产生1误差更为典型。在图误差更为典型。在图6-5中，中，ts与与8 t相相当，无论当，无论t时刻是提前还是推迟均计数脉冲时刻是提前还是推迟均计数脉冲n =8。对图示。对图示t时刻，若时刻，若ts约小于约小于8 t，则计数脉冲，则计数脉冲n =7（即前后两个脉（即前后两个脉冲不被计入）；若冲不被计入）；若ts约大于约大于8 t，则计数脉冲，则计数脉冲n =9（即前（即前后两个脉冲被计入）。后两个脉冲被计入）。电子测量原理电子测量原理第26页 因此，因此，dn=1，由式（，由式（6-8）和式（）和式（6-6）可得：）可得

31、： （6-9） 可见，与可见，与fts成反比。也就是说，当被测成反比。也就是说，当被测f一定，闸门一定，闸门开启时间开启时间ts越大，越大，1量化误差对测频误差影响越小；当量化误差对测频误差影响越小；当 闸门开启时间闸门开启时间ts一定，被测一定，被测 频率越高，频率越高，1量化误差对测量化误差对测 频误差影响越小。从这点频误差影响越小。从这点 讲，电子计数器测频适于测讲，电子计数器测频适于测 高频频率。高频频率。sxntfnndn11电子测量原理电子测量原理第27页 2.标准频率误差标准频率误差 闸门时间不准引起闸门时间相对误差，是晶振频率准闸门时间不准引起闸门时间相对误差，是晶振频率准确度

32、和整形电路、分频电路、闸门的开关速度等因素影响确度和整形电路、分频电路、闸门的开关速度等因素影响的结果，但主要决定于晶振频率的准确度。设晶振频率的结果，但主要决定于晶振频率的准确度。设晶振频率fc，分频系数为，分频系数为k，则，则ts=ktc=k/fc，其误差为：，其误差为： （6-10） 可见闸门时间的准确度在数值上等于晶振可见闸门时间的准确度在数值上等于晶振 (标准频率标准频率)的准确度，而符号相反。的准确度，而符号相反。 综上，将式（综上，将式（6-9）、（）、（6-10）代入式（）代入式（6-8），得电子），得电子计数器测频的最大误差为计数器测频的最大误差为:ccsssstfftttd

33、t电子测量原理电子测量原理第28页 （6-11） 图图6-6给出了给出了f/ f与与ts、f及及fc/fc的关系曲线。由图的关系曲线。由图可见，可见，f一定时，一定时，ts选得越大，测量的准确度就越高；而选得越大，测量的准确度就越高；而ts一定时，一定时，f越高，测量的准确度就越高。但是随着量化误越高，测量的准确度就越高。但是随着量化误差（差（1）影响的减小，标准频率误差）影响的减小，标准频率误差fc/fc对测量结果的对测量结果的影响逐渐增大，并以影响逐渐增大，并以fc/fc（图中以其绝对值（图中以其绝对值510为例）为例）为极限，即测频准确度不可能优于为极限，即测频准确度不可能优于fc/fc

34、。通常，要求。通常，要求fc/fc比比n/n高一个数量级。需要再次强调的是，电子高一个数量级。需要再次强调的是，电子计数器测频不适于测低频。计数器测频不适于测低频。 )1(ccsxxxxxfftffdfff电子测量原理电子测量原理第29页6.2.5 频率比测量频率比测量 频率比测量指测量两个被测信号频率的比。电子计数频率比测量指测量两个被测信号频率的比。电子计数器测频率比的原理框图见图器测频率比的原理框图见图6-7。 由图可知，测频率比的框由图可知，测频率比的框 图与测频率的框图比，除图与测频率的框图比，除 晶振电路被另一路输入电晶振电路被另一路输入电 路所代替外，其余均相路所代替外，其余均相

35、 同。因此，原理也是相同同。因此，原理也是相同 的，只是控制闸门的信号的，只是控制闸门的信号 不是标准信号，而是被测不是标准信号，而是被测 信号而已。接信号而已。接a、b输入信输入信 图6-7 电子计数器测频率比框图电子测量原理电子测量原理第30页号时，要求号时，要求ff。 当当k打在打在“1t”位时，若计数器累计了位时，若计数器累计了n个个a信号的脉信号的脉冲，则有冲，则有 tb=nt，即：，即： （6-12） 当当k打在其它位打在其它位(设周期倍率为设周期倍率为 m)，则同理有，则同理有m tb=nt，即：，即： （6-13）式式(6-13)表明，当表明，当fa/fb的比值不变，则倍率的比

36、值不变，则倍率m值大，计的值大，计的n值也大，其值也大，其1量化误差影响减小。量化误差影响减小。 电子计数器的这种测量功能，在调试数字电路电子计数器的这种测量功能，在调试数字电路(如计数如计数器、分频器、倍频器等器、分频器、倍频器等)时会用到，以测量输入输出信号间时会用到，以测量输入输出信号间的频率关系。的频率关系。nffbamnffba/电子测量原理电子测量原理第31页6.2.6 6.2.6 脉冲累计测量脉冲累计测量 脉冲累计是指在一较长时间内对脉冲次数的累计，是脉冲累计是指在一较长时间内对脉冲次数的累计，是具有统计性质的测量。原理框图见图具有统计性质的测量。原理框图见图6-86-8所示。所

37、示。 原理与频率测量相同，只是原理与频率测量相同，只是 需要闸门开启的时间较长，需要闸门开启的时间较长， 是由人工手动使门控翻转来是由人工手动使门控翻转来 打开和关闭闸门进行计数打开和关闭闸门进行计数 的。的。 图6-8 电子计数器累计脉冲 电子测量原理电子测量原理第32页 综上三种测量，其原理都基本相同，不同的是综上三种测量，其原理都基本相同，不同的是门控输入信号不同：测频率是石英晶体振荡器产门控输入信号不同：测频率是石英晶体振荡器产生的标准作时标，测频率比是以被信号之一作时生的标准作时标，测频率比是以被信号之一作时标，脉冲累计是人工给时标。标，脉冲累计是人工给时标。 电子测量原理电子测量原

38、理第33页6.3 电子计数器测时间电子计数器测时间 时间的测量在科学技术各个领域中是十分重要的。我时间的测量在科学技术各个领域中是十分重要的。我们讲的时间测量主要指周期、上升时间、时间间隔等的测们讲的时间测量主要指周期、上升时间、时间间隔等的测量。本节我们重点介绍周期的测量。量。本节我们重点介绍周期的测量。 在前一节中，我们已经知道频率测量在低频时有较大在前一节中，我们已经知道频率测量在低频时有较大的误差，甚至到不可允许的程度。所以，为了提高测量低的误差，甚至到不可允许的程度。所以，为了提高测量低频时的准确度，就必须采用测量周期的方法频时的准确度，就必须采用测量周期的方法 。电子测量原理电子测

39、量原理第34页6.3.1 电子计数器测周期的基本原理电子计数器测周期的基本原理 电子计数器测周期的原理框图如图电子计数器测周期的原理框图如图6-9所示。所示。 由图可知，它将被测信号经分频后作为门控信号去控由图可知，它将被测信号经分频后作为门控信号去控制主闸门开启与关闭，而将晶振的标准信号经分频后通过制主闸门开启与关闭，而将晶振的标准信号经分频后通过主闸门进入计数器计数。主闸门进入计数器计数。电子测量原理电子测量原理第35页由于周期是频率的倒数，测周的原理框图（图由于周期是频率的倒数，测周的原理框图（图6-9）是将测）是将测频原理框图（图频原理框图（图6-4）中的被测通道与标准信号通道对调而）

40、中的被测通道与标准信号通道对调而来。显然，这种测量方法是将被测周期来。显然，这种测量方法是将被测周期t与标准周期与标准周期ts进进行比较，若在行比较，若在t内对标准脉冲计数值为内对标准脉冲计数值为n，则：，则： （6-14）式中的式中的ts是晶振信号经分频后的脉冲周期。它的大小由是晶振信号经分频后的脉冲周期。它的大小由“时标选择时标选择”开关来选择。开关来选择。若使用若使用“周期倍率周期倍率”时（倍率系数为时（倍率系数为m)，则有：，则有： 即：即： （6-15）sxntt sxtnmt/sxtmnt/电子测量原理电子测量原理第36页 式中式中n是计数值。采用周期倍率是为了增大主闸门的是计数值

41、。采用周期倍率是为了增大主闸门的开启时间，使开启时间，使n 值大，减少量化误差影响。因为显示数字值大，减少量化误差影响。因为显示数字位数是一定的，则被测周期小（频率高）时，周期倍率就位数是一定的，则被测周期小（频率高）时，周期倍率就要选大，而时标就要选小；相反，被测周期大（频率低要选大，而时标就要选小；相反，被测周期大（频率低），周期倍率就要选小，而时标就要选大一些。可见，采），周期倍率就要选小，而时标就要选大一些。可见，采用周期倍率和时标，是为了扩展测量范围的。用周期倍率和时标，是为了扩展测量范围的。电子测量原理电子测量原理第37页6.3.2 误差分析误差分析 与分析电子计数器测频时的误差类

42、似，根据误差传递与分析电子计数器测频时的误差类似，根据误差传递公式，由式（公式，由式（6-14）可得：）可得： （6-16）写成增量形式：写成增量形式：代入由式（代入由式（6-14）得到的）得到的ntxfs及及n1和和，有：，有：（6-17） 可见，量化误差的影响在被测周期可见，量化误差的影响在被测周期t小（即频率高）小（即频率高）时大，这与测频时刚好相反。时大，这与测频时刚好相反。 ssxxtdtndntdtssxxttnnttccssfftt)1(ccsxxxfffttt电子测量原理电子测量原理第38页 另外，晶振的准确度和稳定性也对测量准确度有影响另外，晶振的准确度和稳定性也对测量准确度

43、有影响（见式（见式（6-17）的第二项），这与测频时一样。）的第二项），这与测频时一样。 当被测信号受干扰时，如图当被测信号受干扰时，如图6-10中尖脉冲中尖脉冲un，则施密，则施密特电路提前在特电路提前在a触发，使门控输出开启闸门信号时间为触发，使门控输出开启闸门信号时间为t，产生产生t的误差，称的误差，称“转换误差转换误差”（或触发误差）。近似分（或触发误差）。近似分析时，利用图析时，利用图6-10的的(b)来计算来计算t，图中，图中ab为为a点的正弦点的正弦波切线。其斜率为：波切线。其斜率为：而由图可得：而由图可得： 22)(12sin12cosmbxmbxmxbxmxuuxuututu

44、ttudtdutgbxtan1nut 电子测量原理电子测量原理第39页则：则： （6-18） 实际中实际中uum，则：，则： (6-19) 同样，在正弦信号下一个上升沿上同样，在正弦信号下一个上升沿上a点附近点附近 也可能存也可能存在干扰，即可能产生触发误差在干扰，即可能产生触发误差t： (6-20) 21)(12mbmxnuuututmnxuutt21mnxuutt22 图6-10 测周时的触发误差电子测量原理电子测量原理第40页 于是：于是： （6-21） 对上述量化误差、晶振准确度影响和触发误差按绝对对上述量化误差、晶振准确度影响和触发误差按绝对值公式合成总误差：值公式合成总误差： （6

45、-22） 左图示出了电子计左图示出了电子计 数器测周数器测周 时的误差线，其中时的误差线，其中10t和和100t 两条为采用多周测量的误差两条为采用多周测量的误差 曲线。曲线。2221)()(tttnxxnttttt2221)()(mnuu21 图6-11 测周时的误差曲线 mnccsxxxuufffttt211电子测量原理电子测量原理第41页 利用电子计数器测周应注意三方面，一是适于低频（利用电子计数器测周应注意三方面，一是适于低频（因因t大，大，1误差影响小），二是时标要小（误差影响小），二是时标要小（fs大，大，1误差误差影响小），三是采用多周期测量。多周期测量不但减小影响小），三是采用

46、多周期测量。多周期测量不但减小1误差影响，而且还可以减小触发误差的影响。对前者误差影响，而且还可以减小触发误差的影响。对前者，计数，计数n大，大，1误差影响就小；对后者，因一个误差影响就小；对后者，因一个tn对对应门控输出的一次开启时间，若应门控输出的一次开启时间，若10个周期则有个周期则有(t)/10，即有误差（即有误差（t/10）/ t，影响就小，影响就小10倍。此外，提高信噪比倍。此外，提高信噪比（即增大（即增大um/un），也能减少触发误差的影响。），也能减少触发误差的影响。电子测量原理电子测量原理第42页6.3.3 时间间隔的测量时间间隔的测量 周期实际上也是时间间隔，它是交流信号两

47、周波形上周期实际上也是时间间隔，它是交流信号两周波形上同电位点间的距离。而这里，我们讲的时间间隔是指脉冲同电位点间的距离。而这里，我们讲的时间间隔是指脉冲的上升时间、脉宽等。的上升时间、脉宽等。时间间隔测量的原理框图如图时间间隔测量的原理框图如图6-12所示。所示。 图6-12 时间间隔的测量电子测量原理电子测量原理第43页 b1、b2是两个独立的通道，特性一致，且各自备有性是两个独立的通道，特性一致，且各自备有性极选择和电平调节。开关极选择和电平调节。开关k用于选择两个通道输入信号的用于选择两个通道输入信号的种类，当种类，当k闭合时两个通道输入同一信号。闭合时两个通道输入同一信号。 当当k闭

48、合时，若闭合时，若b、b选同性极触发，但触发电评选得选同性极触发，但触发电评选得不同，则可测上升时间，如（不同，则可测上升时间，如（c）图所示；若）图所示；若b、b选择同选择同一电平，但极性选得不同，则可测脉冲宽度，如（一电平，但极性选得不同，则可测脉冲宽度，如（d）图）图所示。所示。 当当k断开时，断开时，b、b分别输入两个信号，调极性和电平分别输入两个信号，调极性和电平，可测量两个信号上升沿间的时间间隔，如（，可测量两个信号上升沿间的时间间隔，如（b）图所示）图所示.电子测量原理电子测量原理第44页6.4 电子计数器测量相位电子计数器测量相位 相位差的测量，在电子测量中是经常遇到的问题，例