电子测量技术基础PPT课件4时间与频率的测量

1、第四章第四章 时间与频率的测量时间与频率的测量4.14.1概述概述4.24.2时间与频率的原始基准时间与频率的原始基准4.34.3频率和时间的测量原理频率和时间的测量原理4.44.4电子计数器的组成原理和测量功能电子计数器的组成原理和测量功能4.54.5电子计数器的测量误差电子计数器的测量误差4.64.6高分辨时间和频率测量技术高分辨时间和频率测量技术4.1 概述概述 1 1）时间和频率的定义）时间和频率的定义时间有两个含义：时间有两个含义： “时刻时刻”：即某个事件何时发生；：即某个事件何时发生； “时间间隔时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。：即某个时间相对于某一时刻持续了多久

2、。频率的定义：频率的定义：周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（1s1s）内的变化次数）内的变化次数（周期数）（周期数）。如果在一定时间间隔。如果在一定时间间隔T T内周期信号重复变化了内周期信号重复变化了N N次，则频率可表达为：次，则频率可表达为：f fN/TN/T时间与频率的关系：可以互相转换。时间与频率的关系：可以互相转换。2) 2) 时频测量的特点时频测量的特点最常见和最重要的测量最常见和最重要的测量时间是时间是7 7个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医的物理量，在通信、航空航天、武器装备

3、、科学试验、医疗、工业自动化等疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。民用和军事方面都存在时频测量。测量准确度高测量准确度高自动化程度高自动化程度高测量速度快测量速度快4.1 概述概述时间频率基准具有最高准确度（可达时间频率基准具有最高准确度（可达10-1410-14），校准（比对），校准（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。因此，因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。许多物理量的测量都转换为时频测量。3）测量方法概述）测量方法概述 频率的测量方法可以分为：频率的测量方法可以分为：差频法差频法拍频法拍频法示波法示波法电桥法电桥法

4、谐振法谐振法比较法比较法直读法直读法李沙育图形法李沙育图形法测周期法测周期法频率测量方法频率测量方法模拟法模拟法数字法数字法电容充放电法电容充放电法电子计数器法电子计数器法4.2 时间与频率标准时间与频率标准4.2.1 4.2.1 时间与频率的原始标准时间与频率的原始标准 1 1）天文时标）天文时标 2 2）原子时标）原子时标4.2.2 4.2.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 1 1）组成）组成 2 2）指标）指标4.2.1 4.2.1 时间与频率的原始标准时间与频率的原始标准原始标准应具有原始标准应具有恒定不变性恒定不变性。频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。频率和时间互为倒数，其标准具

5、有一致性。宏观标准和微观标准宏观标准和微观标准宏观标准：基于天文观测；宏观标准：基于天文观测；微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。1 1）天文时标）天文时标世界时（世界时（UT,Universal TimeUT,Universal Time）: :以以地球自转周期地球自转周期(1 (1天天) )确定的时间，即确定的时间，即1/(241/(24606060)=1/8640060)=1/86400为为1 1秒。秒。 其误差约为其误差约为10107 7量级。量级。为世界时确定时间观测的为世界时确定时间观测的参考点参考点，得到：，得到： 平太阳时：由于地球自

6、转周期存在不均匀性，以假想平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想的的平太阳平太阳作为基本参考点。作为基本参考点。 零类世界时（零类世界时（UTUT0 0 ）：以平太阳的子夜）：以平太阳的子夜0 0时为参考。时为参考。 第一类世界时（第一类世界时（UT1UT1）：对地球自转的极移效应（自）：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。转轴微小位移）作修正得到。1 1）天文时标）天文时标 第二类世界时（第二类世界时（UTUT2 2）：对地球自转的季节性变化（影响）：对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正得到。准确度为自转速率）作修正得到。准确度为3 310108 8 。 历书时

7、（历书时（ETET）：以地球绕太阳公转为标准以地球绕太阳公转为标准，即公转周期，即公转周期（1 1年）的年）的31 556 925.974731 556 925.9747分之一为分之一为1 1秒。秒。参考点为参考点为19001900年年1 1月月1 1日日0 0时时（国际天文学会定义）。（国际天文学会定义）。准确度达准确度达1 110109 9 。于于19601960年第年第1111届国际计量大会接受为届国际计量大会接受为“秒秒”的标准。的标准。 基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足： 设备庞大、操作麻烦；设备庞大、操作麻烦； 观测时间长；观测时

8、间长；准确度有限。准确度有限。2 2）原子时标）原子时标原子时标（原子时标（AT）的量子电子学基础）的量子电子学基础 原子（分子）在能级跃迁中将吸收原子（分子）在能级跃迁中将吸收( (低能级到高能级低能级到高能级) )或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。 hfhfn-mn-m=E=En n-E-Em mh=6.6252h=6.62521010-27-27为普朗克常数，为普朗克常数，E En n、E Em m为受激态的两个能为受激态的两个能级，级，f fn-mn-m为吸收或辐射的电磁波频率。为吸收或辐射的电磁波频率。2 2）原子时标）原

9、子时标 原子时标的定义原子时标的定义19671967年年1010月，第月，第1313届国际计量大会正式通过了秒的新届国际计量大会正式通过了秒的新定义：定义：“秒是秒是CsCs133133原子原子基态的基态的两个超精细结构两个超精细结构能级之间跃能级之间跃迁频率相应的射线束持续迁频率相应的射线束持续9,192,631,7709,192,631,770个周期的时间个周期的时间”。19721972年起实行，为全世界所接受。秒的定义由天文实年起实行，为全世界所接受。秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了4-54-5个量级，个量级，达达5 51010

10、-14-14( (相当于相当于6262万年万年1 1秒秒) )，并仍在提高。，并仍在提高。2 2）原子时标）原子时标 原子钟原子钟 原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。和比对。 铯原子钟铯原子钟 准确度：准确度：10-1310-14。 大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。率工作基准。 铷原子钟铷原子钟 准确度：准确度： 10-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。工作基准。 氢原子钟氢原子钟 短期稳定度高：短期稳定度高：

11、10-1410-15，但准确度较低（，但准确度较低（10-12）。）。4.2.2 4.2.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 电子计数器电子计数器内部时间、频率基准内部时间、频率基准采用采用石英晶体振荡石英晶体振荡器（简称器（简称“晶振晶振”）为基准信号源。）为基准信号源。 基于压电效应产生稳定的频率输出基于压电效应产生稳定的频率输出： 石英晶体石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当机械振动，当交变电场的频率交变电场的频率与与石英晶体的固有频率石英晶体的固有频率相同相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振

12、特性的反应反应。A AG GC C放放大大器器温温度度控控制制隔隔离离放放大大器器加加热热器器传传感感器器输输出出频频率率调调整整晶晶体体电电路路绝绝热热层层4.2.2 4.2.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器晶振频率晶振频率易受温度影响易受温度影响（其频率（其频率-温度特性曲线有拐点，温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为10-5。采用温度补偿或恒温措施采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）可得（恒定在拐点处的温度）可得到高稳定、高准确的频率输出。到高稳定、高准确的频率输出。晶体振荡器的主要指标有晶体振荡器的主要指标有:输出频率

13、输出频率:1MHz:1MHz、2.5MHz2.5MHz、5MHz5MHz、10MHz10MHz。 日波动日波动:2:21010-10-10；日老化；日老化:1:11010-10-10；秒稳；秒稳:5:51010-12-12。输出波形输出波形: :正弦波；输出幅度正弦波；输出幅度:0.5Vrms(:0.5Vrms(负载负载50)50)。几种不同类型的晶体振荡器指标几种不同类型的晶体振荡器指标晶振类型晶振类型输出频率输出频率(MHz)日稳定度日稳定度准确度准确度普通普通1，1010-510-610-5温度补偿温度补偿1，5，1010-610-710-6单恒温槽单恒温槽1，2.5，5，1010-71

14、0-910-610-8双恒温槽双恒温槽2.5，5，1010-910-11优于优于10-84.2.2 4.2.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器4.3 时间和频率的测量原理时间和频率的测量原理4.3.1 4.3.1 模拟测量原理模拟测量原理 1 1）直接法）直接法 2 2）比较法）比较法4.3.2 4.3.2 数字测量原理数字测量原理 1 1）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理 2 2）通用计数器的基本组成）通用计数器的基本组成4.3.1 4.3.1 模拟测量原理模拟测量原理 1 1）直接法）直接法直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，可直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值

15、，可分为分为谐振法谐振法和和电桥法电桥法两种。两种。（1 1）谐振法：谐振法：被测信号经互感被测信号经互感M M与与LCLC串联谐振回路进行松耦串联谐振回路进行松耦合。合。 调节可变电容器调节可变电容器C使回路发生使回路发生谐振谐振，此时回路电流达到，此时回路电流达到最大最大(高频电压表指示高频电压表指示)，则，则f fx xM ML LI IC C012xffLC可测量可测量1500MHz以下的频率，以下的频率，准确度准确度(0.251)%。可测量可测量1500MHz以下的频率，以下的频率，准确度准确度(0.251)%。 ( ( 2）电桥电桥法：法：利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进利用

16、电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量行频率测量，通常采用文氏电桥来进行测量。通常采用文氏电桥来进行测量。 调节调节R1、R2使电桥达到平衡，则有使电桥达到平衡，则有R R3 3R R4 4R R1 1R R2 2C C1 1C C2 2f fx xx1x2jjCC143211（R +）R （）R1R 1 1）直接法）直接法令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：于是，被测信号频率为：于是，被测信号频率为：通常取通常取R1=R2=R, C1=C2=C，则，则 测量准确度影响因素：测量准确度影响因素： 桥路中桥路中各元件的精确度各元件的精确度、判

17、断电桥平衡的准确判断电桥平衡的准确程度程度和和被测被测信号的信号的频谱纯度频谱纯度 准确度不高，一般约为准确度不高，一般约为(0.5(0.51)%1)%。 312214RRCRCR1x22x110RCRC1212122xxfR R C C12xfRC 1 1）直接法）直接法2 2）比较法）比较法基本原理基本原理 利用利用标准频率标准频率f fs s和被测量频率和被测量频率f fx x进行比较进行比较来来测量频率。测量频率。 主要有主要有拍频法、外差法、示波法以及计数拍频法、外差法、示波法以及计数法法等。等。 数学模型为：数学模型为：xsfN f2 2）比较法）比较法 拍频法拍频法 将被测信号与

18、标准信号经将被测信号与标准信号经线性元件线性元件( (如耳机、电压表如耳机、电压表) )直直接进行接进行叠加叠加来实现频率测量。来实现频率测量。 当两个音频信号逐渐靠近时当两个音频信号逐渐靠近时, ,耳机中可以听到两个高低不同耳机中可以听到两个高低不同的音调。当的音调。当两频率靠近到差值不到两频率靠近到差值不到4 46Hz6Hz时时, ,就只能听到一个近就只能听到一个近于单一音调的声音于单一音调的声音, ,且作周期性的变化且作周期性的变化, ,电压表指针有规律地来回电压表指针有规律地来回摆动摆动, ,示波器上则可得到如图示波器上则可得到如图(b)(b)所示的波形所示的波形。 拍频法通常只用于音

19、频的测量拍频法通常只用于音频的测量,而不宜用于高频测量。 差频法差频法 利用利用非线性器件非线性器件和标准信号对被测信号进行和标准信号对被测信号进行差频变换差频变换来来实现频率测量：实现频率测量：常用于常用于高频高频段测频段测频 f fx x和和f fs s两个信号经混频器混频和滤波器滤波后输出二者两个信号经混频器混频和滤波器滤波后输出二者的差频信号的差频信号, ,该差频信号落在音频信号范围内该差频信号落在音频信号范围内, ,调节标准信号调节标准信号频率频率, ,当耳机中听不到声音时当耳机中听不到声音时, ,表明两个信号频率近似相等表明两个信号频率近似相等。2 2）比较法）比较法 示波法示波法

20、（下一章）（下一章） 李沙育图形法李沙育图形法：将：将fxfx和和fsfs分别接到示波器分别接到示波器Y Y轴和轴和X X轴轴(X-Y(X-Y图示方式图示方式),),当当fxfxfsfs时显示为斜线时显示为斜线( (椭圆或圆椭圆或圆);); 测周期法测周期法：直接根据显示波形由：直接根据显示波形由X X通道扫描速率得到周通道扫描速率得到周期，进而得到频率。期，进而得到频率。2 2）比较法）比较法4.3.2 4.3.2 数字测量原理数字测量原理1 1）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理时间、频率量的特点时间、频率量的特点 频率是在时间轴上无限延伸的频率是在时间轴上无限延伸的，因此，对频率量的

21、测量，因此，对频率量的测量需确定一个需确定一个取样时间取样时间T，在该时间内对被测信号的周期累，在该时间内对被测信号的周期累加计数加计数(若计数值为若计数值为N)，根据，根据fx=N/T得到频率值。得到频率值。为实现时间（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测为实现时间（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测时间按尽可能小的时间按尽可能小的时间单位（称为时标）时间单位（称为时标）进行量化，通过进行量化，通过累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）得到。得到。测量原理测量原理将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量将需累加计数的信号（频率测量时为

22、被测信号，时间测量时为时标信号），由一个时为时标信号），由一个“闸门闸门”（主门）控制，并由一（主门）控制，并由一个个“门控门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。数停止）。4.3.2 4.3.2 数字测量原理数字测量原理1 1）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理时间、频率量的特点时间、频率量的特点 频率是在时间轴上无限延伸的频率是在时间轴上无限延伸的，因此，对频率量的测量，因此，对频率量的测量需确定一个需确定一个取样时间取样时间T，在该时间内对被测信号的周期累，在该时间内对被测信号的周期累加计数加计数(若计数值为若计数值为N)，根据

23、，根据fx=N/T得到频率值。得到频率值。为实现时间（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测为实现时间（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测时间按尽可能小的时间按尽可能小的时间单位（称为时标）时间单位（称为时标）进行量化，通过进行量化，通过累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）得到。得到。测量原理测量原理将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信号），由一个时为时标信号），由一个“闸门闸门”（主门）控制，并由一（主门）控制，并由一个个“门控门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（

24、计信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。数停止）。4.3.2 4.3.2 数字测量原理数字测量原理闸门可由闸门可由一个与（或一个与（或“或或”）逻辑门电路实现）逻辑门电路实现。这种测量。这种测量方法称为门控计数法。方法称为门控计数法。测频时，闸门开启时间（闸门时间）即为采样时间测频时，闸门开启时间（闸门时间）即为采样时间。 测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间。与与门门T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C4.4 电子计数器的组成原理和测量功能电子计数器的组成原理和测量功能4.4.1 4.4.1 电子计数器

25、的组成电子计数器的组成 1 1）A A、B B输入通道输入通道 2 2）主门电路）主门电路 3 3）计数与显示电路）计数与显示电路 4 4）时基产生电路）时基产生电路 5 5）控制电路）控制电路4.4.2 4.4.2 电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能 1 1）频率测量）频率测量 2 2）频率比测量）频率比测量 3 3）周期测量）周期测量 4 4）时间间隔测量）时间间隔测量 5 5）自检）自检4.4 电子计数器的组成原理和测量功能电子计数器的组成原理和测量功能4.4.1 4.4.1 电子计数器主要电路电子计数器主要电路 通用电子计数器主要由通用电子计数器主要由输入通道输入通道、计数显示电

26、路计数显示电路、标准标准时间产生电路时间产生电路和和逻辑控制电路逻辑控制电路组成。组成。1 1输入通道输入通道 电子计数器一般设置电子计数器一般设置2 2个或个或3 3个输入通道，记作个输入通道，记作A A、B B、C C。 A A通道用于测频、自校；通道用于测频、自校； B B通道用于测周期；通道用于测周期； B B、C C通道合起来测时间间隔；通道合起来测时间间隔； A A、B B通道合起来测频率比。通道合起来测频率比。4.4.1 4.4.1 电子计数器主要电路电子计数器主要电路 通用电子计数器主要由通用电子计数器主要由输入通道输入通道、计数显示电路计数显示电路、标准时标准时间产生电路间产

27、生电路和和逻辑控制电路逻辑控制电路组成。组成。1 1输入通道输入通道（1 1）A A通道通道: :计数脉冲信号的通道计数脉冲信号的通道。 它对输入信号进行它对输入信号进行放大整形放大整形、变换变换，输出计数脉冲信输出计数脉冲信号号。 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。计数器的触发脉冲源。 （2 2）B B通道通道: :闸门时间信号的通道闸门时间信号的通道，用于，用于控制闸门控制闸门的开启的开启和关闭。和关闭。 输入信号经整形后输入信号经整形后用来触发门控电路用来触发门控电路（双稳态触发器）（双稳态触发器）使其状态翻转

28、，以一个脉冲使其状态翻转，以一个脉冲开启闸门开启闸门，而以随后的一个脉，而以随后的一个脉冲冲关闭闸门关闭闸门，两脉冲的时间间隔为闸门时间两脉冲的时间间隔为闸门时间。在此期间，。在此期间，十进制计数器对经过十进制计数器对经过A A通道的计数脉冲进行计数。通道的计数脉冲进行计数。 4.4.1 4.4.1 电子计数器主要电路电子计数器主要电路 为保证信号能够在一定的电平时为保证信号能够在一定的电平时触发触发，输入端可以对，输入端可以对输入信号的输入信号的电平进行连续调节电平进行连续调节，并且可以任意选择所需的，并且可以任意选择所需的触发脉冲极性触发脉冲极性。 有的通用计数器闸门时间信号通道有有的通用

29、计数器闸门时间信号通道有B B、C C两个通道。两个通道。B B通道通道用作门控电路的用作门控电路的启动通道启动通道，使门控电路状态翻转；，使门控电路状态翻转；C C通通道道用作门控电路用作门控电路停止通道停止通道，使其复原。，使其复原。4.4.1 4.4.1 电子计数器主要电路电子计数器主要电路2 2、计数显示电路、计数显示电路 计数显示电路是一个计数显示电路是一个十进制计数显示电路十进制计数显示电路，用于，用于对通过对通过闸门的脉冲闸门的脉冲（即计数脉冲）（即计数脉冲）进行计数进行计数，并以十进制方式，并以十进制方式显显示示计数结果。计数结果。3 3、标准时间产生电路、标准时间产生电路 标

30、准时间信号由标准时间信号由石英晶体振荡器石英晶体振荡器提供，作为电子计数器提供，作为电子计数器的的内部时间基准内部时间基准。 测量周期（测量周期（测周）时测周）时，标准时间信号标准时间信号经过放大整形和经过放大整形和倍频（或分频），用作倍频（或分频），用作测量周期或时间的计数脉冲测量周期或时间的计数脉冲，称为，称为时标信号时标信号； 测频时测频时，标准时间信号经过放大整形和一系列分频，标准时间信号经过放大整形和一系列分频，用作用作控制门控电路的时基信号控制门控电路的时基信号，时基信号经过门控电路形，时基信号经过门控电路形成成门控信号门控信号。4.4.1 4.4.1 电子计数器主要电路电子计数器

31、主要电路4 4、逻辑控制电路、逻辑控制电路 逻辑控制电路产生各种控制信号，用于控制电子计数逻辑控制电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。器各单元电路的协调工作。 每一次测量的工作程序一般是：每一次测量的工作程序一般是： 准备准备计数计数显示显示复零复零准备下次测量准备下次测量。4.4.1 4.4.1 电子计数器主要电路电子计数器主要电路1 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周期性信号在单位时间内重复的次数称为频率 f f= =N/TN/T式中，式中，T T为时间，单位为为时间，单位为“s s”；N N为在时间为在时间T T内周期性现象内周期

32、性现象的重复次数。的重复次数。 电子计数器测频原理框图如图所示。电子计数器测频原理框图如图所示。4.4.24.4.2电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能 被测信号被测信号经放大整形形成频率为经放大整形形成频率为mfmfx x的的计数脉冲计数脉冲, ,作为闸作为闸门的输入信号；门的输入信号； 门控电路输出门控电路输出门控信号门控信号控制闸门的启闭，控制闸门的启闭，闸门开启时间闸门开启时间等于分频器输出信号周期等于分频器输出信号周期K Kf fT Ts s 只有当闸门开启时，计数脉冲才能通过闸门进入十进制只有当闸门开启时，计数脉冲才能通过闸门进入十进制计数器去计数计数器去计数, ,设计数结果为

33、设计数结果为N N。则存在关系：。则存在关系：sfxxTKfNNTsfxTKNfN=KN=Kf fT Ts sf fx x如果被测信号经过放大整形后再经过m次倍频,则满足： sfxxTKmfNmTNsfxTmKNfN=mKN=mKf fT Ts sf fx x 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。4.4.24.4.2电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能2 2、测量周期、测量周期 电子计数器测量周期的原理与测频

34、原理相似4.4.24.4.2电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能 门控电路由经放大整形、分频后的被测信号控制，计数脉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冲是晶振信号经倍频后的时间标准信号.存在关系：存在关系：ssxf1mfNmTNTKfssfx1mKNTfmKNTN=mKN=mKf fT Tx x/T/Ts s T Tx x与与K Kf f的乘积等于闸门时间；的乘积等于闸门时间；K Kf f为分频器分频次数，调节为分频器分频次数，调节的的K Kf f旋钮称为旋钮称为“周期倍乘选择周期倍乘选择”开关，通常选用开关，通常选用1010n n，如，如

35、1 1、1010、10102 2、10103 3等，该方法称为多周期测量法；等，该方法称为多周期测量法；T Ts s为晶为晶振信号周期，振信号周期，f fs s为晶振信号频率；为晶振信号频率；T Ts s/m/m通常选用通常选用1ms1ms、1 1s s、0.1s0.1s、10ns10ns等，改变等，改变T Ts s/m/m大小的旋钮称为大小的旋钮称为“时标选择时标选择”开开关。关。4.4.24.4.2电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能 由上述分析得知，通用电子计数器无论是测频还是测周，由上述分析得知，通用电子计数器无论是测频还是测周，其测量方法是其测量方法是依据闸门时间等于计数脉冲周期

36、与闸门开启时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、累加计同样道理，也可以据此来测量频率比、时间间隔、累加计数等。数等。4.4.24.4.2电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能3 3、 测量频率比测量频率比 两个输入信号加到电子计数器输入端两个输入信号加到电子计数器输入端, ,如果如果f fA Af fB B，就将，就将频率为频率为f fB B的信号经的信号经B B通道输入通道输入, ,去控制闸门的启闭去控制

37、闸门的启闭, ,假设该信假设该信号未经分频器分频号未经分频器分频, ,则闸门开启时间等于则闸门开启时间等于T TB B(=1/(=1/f fB B););而把频率而把频率为为f fA A的信号从的信号从A A通道输入。通道输入。4.4.24.4.2电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能注意：频率较高注意：频率较高者由者由A通道输入，频通道输入，频率较低者由率较低者由B通道输通道输入。入。4.4.24.4.2电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能 T TB B= =NTNTA A N=TN=TB B/T/TA A= =f fA A/f/fB B 提高测量准确度的方法：提高测量准确度的方法：

38、在在B B通道增加分频器通道增加分频器, ,对对f fB B进行进行K Kf f次分频次分频, ,使闸门开启时使闸门开启时间扩展间扩展K Kf f倍。则有：倍。则有： K Kf fT TB B= =N NT TA A f fA A/ /f fB B= =T TB B/T/TA A= =N/N/K Kf f 对对f fA A进行进行m m次倍频次倍频，用，用mfmfA A作为时标信号时，存在关系：作为时标信号时，存在关系： K Kf fT TB B= =NTNTA A/m /m f fA A/ /f fB B= =N/N/( (mKmKf f) )设十进制计数器计数值为设十进制计数器计数值为N

39、N，则存在关系：，则存在关系：4.4.24.4.2电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能4 4、 累加计数累加计数 其测量原理与测量频率是相似的其测量原理与测量频率是相似的, ,此时门控电路改由人此时门控电路改由人工控制。工控制。 当开关当开关S S打在打在“启动启动”位置时位置时, ,闸门开启闸门开启, ,计数脉冲进入计数脉冲进入计数器计数计数器计数, ,当开关当开关S S打在打在“终止终止”位置时位置时, ,闸门关闭，终止闸门关闭，终止计数计数. .5 5、测量时间间隔、测量时间间隔 其测量原理与测量周期原理相似其测量原理与测量周期原理相似 控制闸门启闭的是两个（或单个）控制闸门启闭的是

40、两个（或单个）输入信号在不同点产输入信号在不同点产生的触发脉冲生的触发脉冲。4.4.24.4.2电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能mTNTSAB 当测量两个信当测量两个信号的时间间隔号的时间间隔时，开关时，开关S1S1处处于于“单独单独”位位置置. .4.4.24.4.2电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能 当测量脉冲信号的时间间隔如脉冲前沿当测量脉冲信号的时间间隔如脉冲前沿t tr r、脉宽、脉宽等参数等参数时，将开关时，将开关S S1 1置于置于“公共公共”位置，根据被测量的定义位置，根据被测量的定义, ,调节调节触发器触发器1 1、2 2的触发电平和触发极性，选择合适的时标信号

41、的触发电平和触发极性，选择合适的时标信号, ,即可测量。即可测量。 例如测量脉宽例如测量脉宽, ,根据脉宽定义，调节触发器根据脉宽定义，调节触发器1 1、2 2的触发的触发电平均为电平均为50%50%， 分别调节触发极性选择分别调节触发极性选择S S1 1、S S2 2为为“+ +”、“”。闸门开启。闸门开启期间计数结果为期间计数结果为N N，则，则: : = =NTNTs s/ /m m4.4.24.4.2电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能6 6、自检、自检 大多数电子计数器都具有自检（即自校）功能，它可以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

42、工作是否正常。检查仪器自身的逻辑功能以及电路的工作是否正常。4.4.24.4.2电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能 自检过程与测量频率的原理相似自检过程与测量频率的原理相似 自检时的自检时的计数脉冲计数脉冲是晶振信号经倍频后产生的是晶振信号经倍频后产生的时标信号时标信号。 显然，只要满足关系：显然，只要满足关系：NTs/m=KNTs/m=Kf fT Ts s N N= =mKmKf f或或N N= =mKmKf f1 1则说明电子计数器及其电路等工作正常，之所以出现则说明电子计数器及其电路等工作正常，之所以出现1 1是是因为计数器中存在量化误差的缘故。因为计数器中存在量化误差的缘故。4.

43、4.24.4.2电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能序序号号计数端信号计数端信号控制端信号控制端信号测试功能测试功能计数结果计数结果1内时钟（内时钟（T0）内时钟（内时钟（Ts）自检自检N=Ts/T02被测信号（被测信号（fx）内时钟（内时钟（Ts）测量频率（测量频率（A）fxN/Ts3内时钟（内时钟（T0）被测周期（被测周期（Tx）测量周期（测量周期（B）TxNT04被测信号（被测信号（fA）被测信号（被测信号（fB）测量频率比（测量频率比（A/B）fA/fB=N5内时钟（内时钟（T0）被测信号相应间隔被测信号相应间隔tB-C测量时间间隔（测量时间间隔（A-B）tB-C=NT06外输入（

44、外输入（TA）被测信号相应间隔被测信号相应间隔tB-C测量外控时间间隔测量外控时间间隔B-CtB-C=NTA7外待测信号（外待测信号（Nx）手控或遥控手控或遥控累加计数（累加计数（A）NxN8内时钟（秒信内时钟（秒信号）号）手控或遥控手控或遥控计时计时 N（秒）（秒）4.4.2 电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能(总结总结) 4.4.2 电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能(总结总结) 1、频率测量、频率测量 2、频率比的测量、频率比的测量计数端：被测信号计数端：被测信号控制端：内时钟控制端：内时钟结果：结果：ssNfTNfx计数端：被测高频信号计数端：被测高频信号控制端：被测低频信

45、号控制端：被测低频信号结果：结果：TB放大、放大、整形整形闸闸门门门控门控电路电路计计数数显显示示AfxBAffN 3、周期的测量、周期的测量 4、时间间隔的测量、时间间隔的测量计数端：内部时标信号计数端：内部时标信号控制端：被测周期控制端：被测周期结果：结果：计数端：内部时标信号计数端：内部时标信号控制端：控制端：构成时间间隔的两个事件构成时间间隔的两个事件结果：结果：0NTTx0NTTx4.4.2 电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能(总结总结) 4.5 电子计数器的测量误差电子计数器的测量误差4.5.1 4.5.1 测量误差的来源测量误差的来源1 1）量化误差；）量化误差；2 2）触

46、发误差；）触发误差；3 3）标准频率误差）标准频率误差4.5.2 4.5.2 频率测量的误差分析频率测量的误差分析1 1）误差表达式；）误差表达式；2 2）量化误差的影响；）量化误差的影响；3 3）实例分析）实例分析4.5.3 4.5.3 周期测量的误差分析周期测量的误差分析1 1）误差表达式；）误差表达式；2 2）量化误差的影响；）量化误差的影响；3 3）中界频率；）中界频率； 4 4）触发误差）触发误差4.5.1 4.5.1 测量误差的来源测量误差的来源1 1）量化误差）量化误差定义：定义：由前述频率测量由前述频率测量fx=N/Ts=Nfs和周期测量和周期测量Tx=NT0，可见，可见，由于

47、计数值由于计数值N为整数为整数，fx和和Tx必然产生必然产生“截断误截断误差差”，该误差即为，该误差即为“量化误差量化误差”。也称为。也称为“1误差误差”，它是所有数字化仪器都存在的误差。它是所有数字化仪器都存在的误差。产生原因产生原因：量化误差并非由于计数值量化误差并非由于计数值N的不准确（也并非的不准确（也并非标准频率源标准频率源fs或时标或时标T0的不准确）造成。的不准确）造成。 而是而是由于由于闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步引起闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步引起（亦即开门和关门时刻与被测信号出现的时刻是随机的），（亦即开门和关门时刻与被测信号出现的时刻是随机的），使得在闸门

48、开始和结束时刻有一部分时间零头没有被计算使得在闸门开始和结束时刻有一部分时间零头没有被计算在内而造成的测量误差。在内而造成的测量误差。1 1）量化误差）量化误差12xsNfTtt 12,sxxxTNTTttT 12(1)(1)xsxNTTttNT 1211sxTttNNT +14.5.1 4.5.1 测量误差的来源测量误差的来源2 2）触发误差）触发误差 输入信号都需经过通道电路放大、整形等，得到脉冲信号，输入信号都需经过通道电路放大、整形等，得到脉冲信号，即即输入信号输入信号( (转换为转换为) )脉冲信号脉冲信号。这种这种转换要求只对信号幅值和波形变换，不能改变其频率转换要求只对信号幅值和

49、波形变换，不能改变其频率。但是，但是，若输入被测信号若输入被测信号叠加有干扰信号叠加有干扰信号，则信号的频率，则信号的频率（周期）及相对闸门信号的触发点就可能变化（周期）及相对闸门信号的触发点就可能变化。由此产生。由此产生的测量误差称为的测量误差称为“触发误差触发误差”，也称为，也称为“转换误差转换误差”。4.5.1 4.5.1 测量误差的来源测量误差的来源2 2）触发误差）触发误差 周期为周期为T Tx x的输入信号，触发电平在的输入信号，触发电平在A A1 1点，但在点，但在A A1 1点上有点上有干扰信号干扰信号( (幅度幅度V Vn n) )。提前触发。提前触发, ,周期周期T Tx

50、xT Tx x。4.5.1 4.5.1 测量误差的来源测量误差的来源3 3）标准频率误差）标准频率误差机内时基（闸门时间）和时标是频率和时间间隔测量机内时基（闸门时间）和时标是频率和时间间隔测量的参考基准，它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频的参考基准，它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍频后产生。因此，其准确度和测量时间之内的短期稳或倍频后产生。因此，其准确度和测量时间之内的短期稳定度将直接影响测量结果。定度将直接影响测量结果。通常，要求通常，要求标准频率误差小于测量误差的一个数量级标准频率误差小于测量误差的一个数量级。因此，内部晶振要求较高稳定性。因此，内部晶振要求较高稳定性。若不

51、能满足测量要若不能满足测量要求，还可外接更高准确度的外部基准源。求，还可外接更高准确度的外部基准源。4.5.2 4.5.2 频率测量的误差分析频率测量的误差分析1 1）误差表达式）误差表达式由频率测量表达式：由频率测量表达式：f fx x=N/T=N/Ts s=Nf=Nfs s，计数器直接测频的误差，计数器直接测频的误差主要由两项组成：即量化误差（主要由两项组成：即量化误差（1 1误差）和标准频率误误差）和标准频率误差。总误差采用分项误差绝对值合成，即差。总误差采用分项误差绝对值合成，即: :式中，式中， 即为即为1 1误差，其最大值为误差，其最大值为 , ,而而 由于由于f fs s由晶振由

52、晶振(fc)(fc)分频得到，设分频得到，设f fs s=f=fc c/k/k，则，则于是，频率测量的误差表达式可写成：于是，频率测量的误差表达式可写成：xsxsffNfNfN1N scscffffssxxTNT fT1xcxsxcfffT ff1 1）误差表达式）误差表达式分析：分析：误差曲线直观地表示了误差曲线直观地表示了测频误差与被测频率测频误差与被测频率fx和和闸门时间闸门时间Ts的关系的关系。4.5.2 4.5.2 频率测量的误差分析频率测量的误差分析2 2）量化误差的影响）量化误差的影响从频率测量的误差表达式：从频率测量的误差表达式：可知，量化误差为可知，量化误差为是频率测量的主要

53、误差（标准频率误差一般可忽略）。为是频率测量的主要误差（标准频率误差一般可忽略）。为减小量化误差，需减小量化误差，需增大计数值增大计数值N： 增大闸门时间增大闸门时间Ts 在在相同的闸门时间内测量相同的闸门时间内测量较高的频率较高的频率可得到较大的可得到较大的N。但需注意：但需注意：增大闸门时间将降低测量速度增大闸门时间将降低测量速度，并且计数值，并且计数值的增加的增加不应超过计数器的计数容量不应超过计数器的计数容量，否则将产生溢出（高，否则将产生溢出（高位无法显示）。位无法显示）。例如：例如：一个一个6位的计数器，最大显示为位的计数器，最大显示为999999，当用，当用Ts=10s的闸门的闸

54、门测量测量fx=1MHz时时,应显示应显示“1000000.0”Hz或或1.0000000”MHz ,显然溢出显然溢出。1xcxsxcfffT ff xsfTNNN114.5.2 4.5.2 频率测量的误差分析频率测量的误差分析3 3）实例分析）实例分析 例例 被测频率被测频率f fx x1MHz1MHz，选择闸门时间，选择闸门时间T Ts s1s1s，则由，则由1 1误差误差产生的测频误差产生的测频误差( (不考虑标准频率误差不考虑标准频率误差) )为：为： 若若T Ts s增加为增加为10s10s，则计数值增加，则计数值增加1010倍，相应的测频误差也倍，相应的测频误差也降低降低1010倍

55、，为倍，为1 110107 7，但测量时间将延长，但测量时间将延长1010倍。倍。注意：注意： 该例中，当选择闸门时间该例中，当选择闸门时间T Ts s1s1s时，要求标准频率误差时，要求标准频率误差优于优于1 110107 7 （即比量化误差高一个数量级），否则，（即比量化误差高一个数量级），否则，标准频率误差在总测量误差中不能忽略。标准频率误差在总测量误差中不能忽略。6610110111xxff4.5.3 4.5.3 周期测量的误差分析周期测量的误差分析1 1）误差表达式）误差表达式由测周的基本表达式：由测周的基本表达式： 根据误差合成公式，可得：根据误差合成公式，可得： 式中，式中， 和

56、和 分别为量化误差和时标周期误差。分别为量化误差和时标周期误差。 由由 (Tc为晶振周期，为晶振周期，k为倍频或分频比为倍频或分频比)， 有：有： 而计数值而计数值N为：为： 所以，所以，00TTNNTTxx0 xTN Tccxx ccx ccTfTkkTT fTT ff1NNN00TT0cT kT00ccccTTfTTf0 xxxccTTT fNTkTk4.5.3 4.5.3 周期测量的误差分析周期测量的误差分析2 2）量化误差的影响）量化误差的影响由测周的误差表达式：由测周的误差表达式：其中，其中，第一项即为量化误差第一项即为量化误差。它表示。它表示Tx愈大愈大（被测信号（被测信号的频率愈

57、低），则的频率愈低），则量化误差愈小量化误差愈小，其意义为，其意义为Tx愈大则计愈大则计入的时标周期数入的时标周期数N愈大。另外，晶振的愈大。另外，晶振的分频系数分频系数k愈小愈小，则时标周期愈小，在相同的则时标周期愈小，在相同的Tx内计数值愈大。内计数值愈大。此外，此外，第二项为标准频率误差第二项为标准频率误差，通常也要求小于测量误差，通常也要求小于测量误差的一个数量级，这时就可作为微小误差不予考虑。的一个数量级，这时就可作为微小误差不予考虑。为减小量化误差，应增加计数值为减小量化误差，应增加计数值N，但也需注意不可使其，但也需注意不可使其溢出。溢出。例如：例如：一个一个6位的计数器，最大显

58、示为位的计数器，最大显示为999999,当用当用T0=1us的时标测的时标测量量Tx=10s(fx=0.1Hz)时时,应显示应显示“10000000”us或或“10.000000”s,显然溢显然溢出出。ccxxccxccTfTkkTT fTT ff 4.5.3 4.5.3 周期测量的误差分析周期测量的误差分析3 3）中界频率）中界频率测频时，被测频率测频时，被测频率fx愈低，则量化误差愈大；愈低，则量化误差愈大； 测周时，被测频率测周时，被测频率fx愈高，则量化误差愈大。愈高，则量化误差愈大。可见，在测频与测周之间，存在一个中界频率可见，在测频与测周之间，存在一个中界频率fm，当当fxfm时，

59、应采用测频；当时，应采用测频；当fx 措施措施增大触发窗或减小信号幅度；增大触发窗或减小信号幅度；输入滤波。输入滤波。 4 4）触发误差）触发误差xxT TT sinxmxvVttanxBxvVdvdttannVTtan进一步推导触发点的斜率：进一步推导触发点的斜率：实际中，对正弦输入信号，常选择过零点为触发点（具有最实际中，对正弦输入信号，常选择过零点为触发点（具有最陡峭的斜率），则触发点电压陡峭的斜率），则触发点电压V VB B满足：满足：于是，有：于是，有：若考虑在一个周期开始和结束时可能都存在触发误差，分别若考虑在一个周期开始和结束时可能都存在触发误差，分别用用 表示，并按随机误差的均

60、方根合成，得到：表示，并按随机误差的均方根合成，得到： 结论：结论：测周时为减小触发误差，应提高信噪比测周时为减小触发误差，应提高信噪比。22)(12sin12cosmBxmBxmxBxmxvvxVVTVtVTtVdtdvtgBxtan2nxnmVTVTV4 4）触发误差）触发误差BmVV12TT、22122xnnmTVTTTV4.6.1 4.6.1 多周期同步测量技术多周期同步测量技术1 1）倒数计数器；）倒数计数器； 2 2）多周期同步法）多周期同步法4.6.2 4.6.2 模拟内插法模拟内插法1 1）内插法原理；）内插法原理； 2 2）时间扩展电路）时间扩展电路4.6.3 4.6.3 游