第7章频率和时间测量及仪器

1、第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 1第第7 7章章频率和时间测量及仪器频率和时间测量及仪器7.1 概述概述 7.2 电子计数器概述电子计数器概述7.3 通用电子计数器通用电子计数器7.4 电子计数器的测量误差电子计数器的测量误差7.5 通用电子计数器实例通用电子计数器实例 7.6 数字相位计数字相位计本章小结本章小结第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 2第第7章章 频率和时间测量及仪器频率和时间测量及仪器学习参考：学习参考：电子计数器可以用来测量频率、周期、时间等量，通过扩展还可以构成频率计、相位计，是电子测量三大仪器之一。要求通过学习了解电子计数器的组成、技

2、术指标，理解它的工作原理、掌握它的使用方法。 本章要点：本章要点：通用电子计数器的组成、测量原理、测量误差的来源及减小措施。第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 37.1 概述概述在相等时间间隔内重复发生的现象称为周期现象，该时间间隔称为周期。在单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数称为频率，用周期的倒数来表示，单位为赫兹（Hz）。频率和周期互为倒数，是最基本的参量。7.1.1 时间与频率测量的特点1. 测量精度高2. 应用范围广3. 自动化程度高4.测量速度快第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 47.2 电子计数器概述电子计数器概述7.2.1 分类分类按其测

3、试功能的不同，电子计数器分为以下几类：（1）通用电子计数器通用电子计数器即多功能电子计数器。它可以测量频率、频率比、周期、时间间隔及累加计数等，通常还具有自检功能。（2）频率计数器频率计数器是指专门用于测量高频和微波频率的电子计数器，它具有较宽的频率范围。第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 5（3）计算计数器计算计数器是指一种带有微处理器、能够进行数学运算、求解复杂方程式等功能的电子计数器。（4）特种计数器特种计数器是指具有特殊功能的电子计数器。如可逆计数器、预置计数器、程序计数器和差值计数器等，它们主要用于工业生产自动化，尤其在自动控制和自动测量方面。本章主要讨论通用电子计数

4、器。第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 67.2.2 基本组成基本组成如图7.1所示为通用电子计数器组成框图，主要由输入通道、计数显示电路、标准时间产生电路和逻辑控制电路组成。A输入通道闸门十进制计数显示门控电路逻辑控制电路B输入通道测频累加计数测时间倍频器晶振分频器时标选择标准时间产生电路闸门时间选择人工触发功能变换图7.1 通用电子计数器的组成框图第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 7 （1）输入通道 输入通道即输入电路，其作用是接受被测信号，并对被测信号进行放大整形，然后送入闸门（即主门或信号门）。输入通道通常包括A、B两个独立的单元电路。 A通道是计数脉

5、冲信号的通道。它对输入信号进行放大整形、变换，输出计数脉冲信号。计数脉冲信号经过闸门进入十进制计数器，是十进制计数器的触发脉冲源。 B通道是闸门时间信号的通道，用于控制闸门的开启和关闭。输入信号经整形后用来触发门控电路（双稳态触发器）使其状态翻转，以一个脉冲开启闸门，而以随后的一个脉冲关闭闸门，两脉冲的时间间隔为闸门时间。在此期间，十进制计数器对经过A通道的计数脉冲进行计数。为保证信号能够第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 8在一定的电平时触发，输入端可以对输入信号的电平进行连续调节，并且可以任意选择所需的触发脉冲极性。有的通用计数器闸门时间信号通道有B、C两个通道。B通道用作

6、门控电路的启动通道，使门控电路状态翻转；C通道用作门控电路停止通道，使其复原。 （2）计数显示电路 计数显示电路是一个十进制计数显示电路，用于对通过闸门的脉冲（即计数脉冲）进行计数，并以十进制方式显示计数结果。 （3）标准时间产生电路 标准时间信号由石英晶体振荡器提供，作为电子计数器的内部时间基准。测量周期（测周）时，标准时间信号经过第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 9放大整形和倍频（或分频），用作测量周期或时间的计数脉冲，称为时标信号；测频时，标准时间信号经过放大整形和一系列分频，用作控制门控电路的时基信号，时基信号经过门控电路形成门控信号。 （4）逻辑控制电路 逻辑控制电

7、路产生各种控制信号，用于控制电子计数器各单元电路的协调工作。每一次测量的工作程序一般是：准备计数显示复零准备下次测量等。 第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 107.3 通用电子计数器通用电子计数器7.3.1 测量频率测量频率周期性信号在单位时间内重复的次数称为频率，即f=N/T式中，T为时间，单位为“s”；N为在时间T内周期性现象的重复次数。电子计数器测频原理框图如图7.2所示。被测信号经过放大整形，形成重复频率为mfx的计数脉冲，作为闸门的输入信号。门控电路的输出信号称为门控信号，控制着闸门的启闭，闸门开启时间等于分频器输出信号周期KfTs。只有当闸门开启（图中假设门控信号

8、为高电平）时，计数脉冲才能通过闸门进入十进制计数器去计数，设计数结果为N。则存在关第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 11系：N=KfTsfxsfxxTKfNNTsfxTKNffs=1/Ts放大整形电路闸门十进制计数器门控电路分频器晶振fxKfTsKfTs显示器TsTxKfTsTx图7.2 通用电子计数器测频原理框图第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 12如果被测信号经过放大整形后，再经过m次倍频，则满足关系： N=mKfTsfx式中，N为闸门开启期间十进制计数器计出的计数脉冲个数；fx为被测信号频率，其倒数为周期Tx；Ts为晶振信号周期；m为倍频次数；Kf为分

9、频次数，调节Kf的旋钮称为“闸门时间选择”（或“时基选择”）开关，与Ts的乘积等于闸门时间。为了使N值能够直接表示fx，常取mKfTs=1ms、10ms、0.1s、1s、10s等几种闸门时间。即当闸门时间为110ns(n为整数)，并且使闸门开启时间的改变与计数器显示屏上小数点位sfxxTKmfNmTNsfxTmKNf第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 13置的移动同步进行时，无需对计数结果进行换算，就可直接读出测量结果。 7.3.2 测量周期测量周期频率的倒数就是周期，电子计数器测量周期的原理与测频原理相似，其原理框图如图7.3所示。KfTx放大整形电路闸门计数显示门控电路倍频

10、器(m)晶振TxTxfs=1/Ts分频器(1/Kf)KfTx图7.3 通用电子计数器测周原理框图Ts/mKfTxTs/m第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 14门控电路由经放大整形、分频后的被测信号控制，计数脉冲是晶振信号经倍频后的时间标准信号（即时标信号）。存在关系：N=mKfTx/Ts式中，Tx与Kf的乘积等于闸门时间；Kf为分频器分频次数，调节的Kf旋钮称为“周期倍乘选择”开关，通常选用10n，如1、10、102、103等，该方法称为多周期测量法；Ts为晶振信号周期，fs为晶振信号频率；Ts/m通常选用1ms、1s、0.1s、10ns等，改变Ts/m大小的旋钮称为“时标选

11、择”开关。ssxf1mfNmTNTKfssfx1mKNTfmKNT第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 15由上述分析得知，通用电子计数器无论是测频还是测周，其测量方法是依据闸门时间等于计数脉冲周期与闸门开启时通过的计数脉冲个数之积，然后根据被测量的定义进行推导计算而得出被测量。同样道理，也可以据此来测量频率比、时间间隔、累加计数等。7.3.3 测量频率比测量频率比频率比即两个信号的频率之比，电子计数器测量频率比的原理框图如图7.4所示。其测量原理与测量频率的原理相似。不过此时有两个输入信号加到电子计数器输入端，如果fAfB，就将频率为fB的信号经B通道输入，去控制闸门的启闭，假

12、设该信号未经分频器分频，则闸门开启时间等于TB(=1/fB)；而把频率为fA的信号从A通道输入，假设该信号未经过倍频，设十进制计数器计数值为N，则存在关系： 第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 16TB=NTAN=TB/TA=fA/fB为了提高测量准确度，可以采用类似多周期测量的方法，在B通道增加分频器，对fB进行Kf次分频，使闸门开启时间扩展Kf倍。则有：TB=1/fB放大整形电路B闸门计数显示门控电路放大整形电路AfA=1/TATB图7.4 通用电子计数器测量频率比原理框图 TATBTAfA（B通道）（A通道）fB第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 17Kf

13、TB=NTAfA/fB=TB/TA=N/Kf当对fA进行m次倍频，用mfA作为时标信号时，存在关系：KfTB=NTA/mfA/fB=N/(mKf)7.3.4 累加计数累加计数累加计数是指在限定时间内，对输入信号重复次数（即放大整形后的计数脉冲个数）进行累加。其测量原理与测量频率是相似的，不过此时门控电路改由人工控制。其电路原理框图如图7.9所示，当开关S打在“启动”位置时，闸门开启，计数脉冲进入计数器计数，当开关S打在“终止”位置时，闸门第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 18关闭，终止计数，累加计数结果由显示电路显示。 7.3.5 测量时间间隔测量时间间隔图7.10所示为测量

14、时间间隔的原理框图，其测量原理与测量周期原理相似，不过控制闸门启闭的是两个（或单个）输入信号在不同点产生的触发脉冲。触发脉冲的产生由触发器的触发电平与触发极性选择开关来决定。启动闸门计数显示门控电路放大整形电路A图7.9 通用电子计数器累加计数原理框图TATA输入信号A终止（A通道）启动终止S第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 19当测量两个信号的时间间隔时，开关S1处于“单独”位置，测量原理如图7.11所示。A输入(设时间超前)产生起始触发脉冲用于开启闸门，使十进制计数器开始对时标信号进行计数；B输入（设时间滞后）则产生终止触发脉冲以关闭闸门，停止计数。假设起始脉冲和终止脉冲

15、分别选择输入A、B正极性（即开关S2、S3置于“+”处）、50%电平处产生，计数值为N，则时间间隔TAB存在以下关系： +触发器1闸门计数显示门控电路倍频器(m)TsTAB图7.10 通用电子计数器测量时间间隔原理框图Ts/mTABTs/m晶振TA起始触发器终止触发器触发器2-+-单独公共TBS1S2S3触发极性第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 20当测量脉冲信号的时间间隔如脉冲前沿tr、脉宽等参数时，将开关S1置于“公共”位置，根据被测量的定义，调节触发器1、2的触发电平和触发极性，选择合适的时标信号，即可测量。例如测量脉宽,根据脉宽定义，调节触发器1、2的触发电平均为50

16、%，分别调节触发极性选择S1、S2为“+”、“”。闸门开启期间计数结果为N，则 mTNTSAB 050%输入At050%输入Bt起始脉冲终止脉冲开启时间计数脉冲NTAB图7.11 通用电子计数器测量时间间隔示意图第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 21=NTs/m7.3.6 自检（自校）自检（自校）大多数电子计数器都具有自检（即自校）功能，它可以检查仪器自身的逻辑功能以及电路的工作是否正常，其原理框图如图7.12所示。KfTs闸门计数显示门控电路倍频器(m)晶振Tsfs=1/Ts分频器(1/Kf)KfTs图7.12 通用电子计数器自检原理框图Ts/mKfTsTs/m第 7 章

17、频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 22由图可见，自检过程与测量频率的原理相似，不过自检时的计数脉冲不再是被测信号而是晶振信号经倍频后产生的时标信号。显然，只要满足关系：NTs/m=KfTsN=mKf或N=mKf1则说明电子计数器及其电路等工作正常，之所以出现1是因为计数器中存在量化误差的缘故。第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 237.4 电子计数器的测量误差电子计数器的测量误差7.4.1 测量误差的来源测量误差的来源电子计数器的测量误差来源主要包括量化误差、触发误差和标准频率误差。1. 量化误差量化误差量化误差是在将模拟量变换为数字量的量化过程中产生的误差，是数字化仪器

18、所特有的误差，是不可消除的误差。它是由于电子计数器闸门的开启与计数脉冲的输入在时间上的不确定性，即相位随机性而产生的误差。如图7.13所示，虽然闸门开启时间均为T，但因为闸门开启时刻不一样，计数值一个为9另一个却为8，两个计数值相差1个字。第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 24量化误差的特点是：无论计数值N为多少，每次的计数值总是相差1，即N=1。因此，量化误差又称为1误差或1字误差。又因为量化误差是在十进制计数器的计数过程中产生的，故又称为计数误差。量化误差的相对误差为：2. 触发误差触发误差触发误差又称为变换误差。被测信号在整形过程中，由于整形电路本身触发电平的抖动或者被

19、测信号叠加有噪声和计数脉冲闸门开启时间T闸门开启时间T图7.13 量化误差产生示意图计数脉冲N=8计数脉冲N=9%1001%100NNNN第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 25各种干扰信号等原因，使得整形后的脉冲周期不等于被测信号的周期，由此而产生的误差称为触发误差。 如图7.14所示，电子计数器测量周期时，被测信号控制门控电路的工作状态而产生门控信号。门控电路一般采用施密特电路，当被测信号达到施密特电路触发电平VB时（即A1点），门控信号控制闸门打开，当被测信号经过一个周期（设被测信号未被分频）再次达到施密特电路触发电平VB时（即A2点），门控信号控制闸门关闭。显然，当无噪

20、声和干扰信号的理想情况下，闸门开启时间就等于被测信号的周期Tx。但叠加有噪声或干扰信号时，如图所示，闸门在A1就打开，而在A2时才关闭，闸门的开启时间变为Tx，显然不等于被测信号的周期，这样就产生了触发误差。 第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 26经推导得知，触发误差的相对误差等于 (7-2) 触发电平VB0A1A1A2A2干扰信号干扰信号Tx闸门开启闸门关闭T1T2Tx=T1+Tx+T2被测信号图7.14触发误差产生示意图mfnxx2UKUTT第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 27式中，Un为噪声或干扰信号的最大幅度，包括因触发电平抖动而产生的影响，一般情

21、况下，可以不考虑触发电平抖动或漂移的影响；Um为被测信号电压幅度；Kf为B通道分频器分频次数。触发误差对测量周期的影响较大，而对测量频率的影响较小，所以测频时一般不考虑触发误差的影响。这是因为测频时用来产生门控信号的是标准的晶振信号，叠加的干扰信号很小，故可以忽略触发误差的影响；而产生计数脉冲的被测信号中虽然有干扰信号，但不影响对计数脉冲的计数，故不产生触发误差。为了减小测周时触发误差的影响，除了尽量提高被测信号的信噪比外，还可以采用多周期测量法测量周期，即增大B第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 28通道分频器分频次数。3. 标准频率误差标准频率误差fs/fs标准频率误差是指

22、由于晶振信号的不稳定等原因而产生的误差。测频时，晶振信号用来产生门控信号（即时基信号），标准频率误差称为时基误差；测周时，晶振信号用来产生时标信号，标准频率误差称为时标误差。一般情况下，由于标准频率误差较小，不予考虑。7.4.2 测量误差的分析测量误差的分析上述测量误差中，对频率测量影响最大的是量化误差，其他误差一般不予考虑。周期测量则主要受量化误差和触发误差的影响。下面对测频和测周误差进行分析：第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 291. 测频误差测频误差经过推导得知，测频量化误差等于 由此可见，要减小量化误差对测频的影响，应设法增大计数值N。即在A通道中选用倍频次数m较大的

23、倍频器，亦即选用短时标信号；在B通道中增大分频次数Kf，亦即延长闸门时间；可以直接测量高频信号的频率，否则，测出周期后再进行换算，该方法属于间接测量法，这是由测周误差的特性所决定的。xsfxx11fTmKNff第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 302. 测周误差测周误差（1）量化误差经过推导得知，测周量化误差为： 由此可见，要减小测周量化误差，应设法增大计数值N。即在A通道中选用倍频次数m较大的倍频器，亦即选用短时标信号；在B通道中增大分频次数Kf，亦即延长闸门时间，该方法称为多周期测量法；可以直接测量低频信号的周期，否则，测出频率后再进行换算，该方法属于间接测量法。除此之外,人们还常采用游标法、内插法等方法来减小测量误差。xsfxx1TfmKNNTT第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 31所谓的高频或低频是相对于电子计数器的中界频率而言的。中界频率是指采用测频和测周两种方法进行测量，产生大小相等的量化误差时的被测信号的频率。（2）测周触发误差减小测周触发误差的方法如式(7-2)结论所述，不再赘述。综上所述，多周期测量法以及提高信噪比、选用短时标信号等方法，可以减小测量周期的误差。第 7 章 频 率 和 时 间 测 量 及 仪 器 327.6