频率与时间测量ppt课件

1、第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 第第6章章 频率与时间丈量频率与时间丈量 6.1 频率与时间丈量的特点与方法频率与时间丈量的特点与方法6.2 通用电子计数器通用电子计数器6.3 等精度时间等精度时间/频率丈量频率丈量6.4 EE3376型可程控通用计数器简介型可程控通用计数器简介思索题思索题6 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.1 频率与时间丈量的特点与方法频率与时间丈量的特点与方法6.1.1 频率与时间丈量的特点与其他各种物理丈量相比，频率与时间丈量具有如下特点： 1 时频丈量具有动态性质。 2 丈量精度高。3 丈量范围广。4 频率信息的传输和处置比较容易。 第第6章章

2、 频率与时间测量频率与时间测量 6.1.2 频率丈量的方法出现并得到过运用的测频方法与仪器主要有以下几种： 1 谐振法： 利用LC回路的谐振特性进展测频(如谐振式波长表可测无源LC回路的固有谐振频率, 测频范围为0.51500 MHz。2 外差法： 改动规范信号频率，使它与被测信号混合，取其差频，当差频为零时读取频率。这种外差式频率计可测高达3000 MHz的微弱信号的频率，测频准确度为10-6左右。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 3 示波法： 在示波器上根据李沙育图形或信号波形的周期个数进展测频。这种方法的丈量频率范围从音频到高频信号皆可。4 电子计数器法： 直接计数单位时间内被测

3、信号的脉冲数，然后以数字方式显示频率值。这种方法丈量准确度高、快速，适宜不同频率、不同准确度测频的需求。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.1.3 电子计数器测频法原理计数是电子计数器最根本的功能。因此，虽然电子计数器的种类很多，但其根本的任务原理可用图6.1所示的简化方框图加以阐明。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.1 电子计数器简化方框图主 门计 数 显 示 电 路21TBTA第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 当把周期为TA的脉冲信号由“1端参与后，假设在闸门信号的上升沿主门翻开，计数器对输入脉冲信号进展累加计数，在闸门信号的下降沿主门封锁，计数器停顿计数

4、，显然计数器所计之数N为BABAABffTfTTN6-1 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.2 通用电子计数器通用电子计数器6.2.1 通用电子计数器的主要技术性能 用于测频的通用电子计数器其主要技术性能包括： 1 测试性能：仪器所具备的测试功能，如丈量频率、周期、频率比等。 2 丈量范围：仪器的有效丈量范围。在测频和测周期时，丈量范围不同。测频时要指明频率的上限和下限； 测周期时要指明周期的最大值和最小值。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 3 输入特性：通用电子计数器普通由23个输入通道组成，需分别指出各个通道的特性，包括： 输入耦合方式： 有AC和DC两种耦合方式。在低

5、频和脉冲信号计数时宜采用DC耦合方式。4 丈量准确度：常用丈量误差来表示，主要由时基误差和计数误差决议，时基误差由内部晶体振荡器的稳定度确定。表6.1概括了以上三类振荡器的频率稳定度。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 表6.1 振荡器的规范频率稳定度 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 5 闸门时间和时标： 由机内时标信号源所能提供的时间规范信号决议。根据测频和测周期的范围不同，可提供的闸门时间和时标信号有多种供选择，如通常的0.01 s、0.1 s、1 s、10 s等。6 显示及任务方式： 包括显示位数、显示时间、显示方式等。显示位数： 可显示的数字位数，如常见的8位。 显示

6、时间： 两次丈量之间显示结果的时间，普通是可调的。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 显示方式： 有记忆和不记忆两种显示方式。记忆显示方式只显示最终计数的结果，不显示正在计数的过程。实践上显示的数字是刚终了的一次丈量结果，显示的数字保管至下一次计数过程终了时再刷新。不记忆显示方式可显示正在计数的过程。但多数计数器没有这种显示方式。 7 输出： 包括仪器可输出的时标信号种类、输出数据的编码方式及输出电平等。6.2.2 通用电子计数器的丈量功能1. 频率丈量频率的丈量实践上就是在单位时间内对被测信号的变化次数进展累加计数。其原理框图如图6.2所示。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图

7、6.2 频率丈量的原理框图A通道主门计数显示门控双稳时基选择分频器晶振T2fx1第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 设开门时间为T，在时间T内，从主门经过的脉冲个数为N，那么被测信号的频率fx为用E312A型通用计数器测一输入频率fx=100 000 Hz的信号，显示电路所显示读数随闸门时间的不同而不同，见表6.2。 BABAABffTfTTN6-2第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 表6.2 闸门时间与显示 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 2. 周期丈量周期是频率的倒数，因此周期的丈量和频率的丈量正好相反。其原理框图如图6.3所示。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测

8、量 图6.3 周期丈量的原理框图倍频器时标选择晶振分频器主门门控双稳计数显示闸门选择分频器B通道1ToTxTx2第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 设被测信号的周期为Tx，时标信号的周期为To，在时间Tx内，有N个时标脉冲经过主门，那么被测信号的周期为 Tx =N To 6-3它实践上是多个被测周期的平均值，即6-4 nxNTT10第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 3. 时间间隔丈量 时间间隔丈量和周期的丈量都是丈量信号的时间，因此丈量电路大体一样，所不同的是丈量时间间隔需求B、C两个通道分别送出起始和停顿信号去控制门控双稳电路以构成闸门信号，其任务原理如图6.4所示。 第第6章

9、章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.4 时间间隔丈量的原理框图 倍频器时标选择主门计数显示To12门控双稳分频器晶振tBCtBtCB通道C通道tBtCB信号C信号第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 假设计数器在主门翻开时间内计得脉冲个数为N，那么B和C两脉冲信号之间的时间间隔为tB-C=NTo 6-5选取两个输入信号的上升沿或下降沿的某电平点作为时间间隔的始点和终点，这样就可以丈量两个输入信号恣意两点之间的时间间隔，如图6.5所示。 NTtCB第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.5 输入信号恣意两点间的时间间隔丈量表示图起 始 脉 冲起 始 脉 冲终 止 脉 冲开 门 信

10、 号开 门 信 号(50%)(50%)(50%)uB终 止 脉 冲uC(a)uB(b)(50%)uC第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 4. 相位差丈量相位差丈量通常是指两个同频率的信号之间的相位差的丈量。相位差丈量的主要方法有示波器法、比较器法、直读法等。利用电子计数器也可进展相位差的丈量，它是时间间隔丈量的一个运用。瞬时值数字相位差丈量原理框图如图6.6所示，经过丈量两个正弦波上两个相应点之间的时间间隔，可换算出它们之间的相位差。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.6 瞬时值数字相位差丈量原理框图B通道C通道门控电路计数门计数显示时标信号置零u1u2u3u41u2u第第6

11、章章 频率与时间测量频率与时间测量 其任务波形如图6.7所示。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.7 瞬时值数字相位差丈量任务波形u(t)Ou1u2Tx1uO2uOu3Ou4Ottttttt第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 设被测信号周期为Tx，门控信号u3的宽度，亦即两个信号相位差对应的时间为t，那么式中，Ts为时标信号周期。 由以上两式可得： sxNTtTt3606-6 360360sxxsffNTNT6-7 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 两次丈量结果取平均值： 再利用式6-7可得相位差。5. 频率比fB/fA丈量频率比是指两路信号源的频率的比值。其丈量原理

12、与频率、周期丈量的原理类似，如图6.8所示。 221ttt第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.8 频率比丈量原理框图A通道主门B通道门控信号fAfB计数TBTA译码显示第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6. 累加计数和计时累加计数是电子计数器最根本的功能，是指在一段较长时间内累加被测信号的脉冲个数，丈量原理框图如图6.9所示。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.9 累加计数和计时的原理框图放 大整 形主 门门 控 信 号被 测 信 号计 数Tc译 码 显 示开 始停 止Tx第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 7. 自校在运用电子计数器丈量之前，应对电子计

13、数器进展自校，一是检验电子计数器的逻辑关系能否正常，二是检验电子计数器能否准确地进展定量丈量。自校的原理框图如图6.10所示。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.10 电子计数器的自校原理框图晶体振荡倍频电路时标选择主门Tc计数译码显示门控信号时基选择分频电路Ts第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.2.3 通用电子计数器的根本组成通用电子计数器普通由六大部分组成，如图6.11所示。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.11 通用电子计数器的根本组成框图A通道控制电路B通道主门倍频器计数器显示器晶振时标选择分频器闸门选择分频器电源S3514126第第6章章 频率

14、与时间测量频率与时间测量 1. 输入通道部分通用计数器的输入电路普通包含A、B、C三个输入通道图6.11中只画出A、B两个通道，因此在丈量时间间隔时需配时间间隔丈量插件通道C，其中A为主通道，频带较宽； B、C主要在丈量周期、频率比以及时间间隔时运用，称为辅助通道。三个输入通道都由放大器、衰减器及整形电路等组成。2. 计数器计数器由触发器构成, 对来自主门的脉冲信号进展计数。在数字仪表中，最常用的是按8421码进展编码的十进制计数器。计数器的最高任务频率决议了仪器的最高丈量频率。目前计数器都已集成化，在运用时可当做一个逻辑部件运用。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 3. 显示部分显示部

15、分将累计的结果以十进制数字的方式显示出来。它包括译码和显示电路。电子计数器以数字方式显示出被丈量，目前常用的有LED显示器和LCD显示器。LED为数码显示，其优点是任务电压低，能与COMS/TTL电路兼容，发光亮度高，呼应快，寿命长。LCD为液晶显示，其突出优点是供电电压低和微功耗，它是各类显示器中功耗最低的。同时，LCD制造工艺简单，体积小而薄，特别适用于小型数字仪表。特别是近年来图形点阵LCD的大量运用，为仪器带来了更加丰富、直观、智能的操作界面。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 4. 时间基准部分时间基准电路包括晶体振荡器、分频器、倍频器以及时基选择电路。5. 主门及控制部分控制

16、电路普通由双稳电路、单稳电路等构成，它包括门控电路，任务方式选择电路，记忆、显示时间和复原控制电路等。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 控制电路的作用是产生各种指令信号，如闸门脉冲、闭锁脉冲、显示脉冲、复零脉冲、记忆脉冲等，控制和协调各单元电路的任务，使整机按一定的任务程序完成丈量义务。 6. 电源部分这部分电路包括整机电源电路、晶体振荡器和恒温槽电源电路。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.2.4 通用电子计数器的丈量误差1. 丈量误差的来源1 量化误差如图6.12所示，虽然闸门开启时间都为T，但由于闸门开启时辰不一样，计数值一个为9，另一个却为8，两个计数值相差1。第第

17、6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.12 量化误差的构成计数脉冲闸门开启时间T脉冲数N9闸门开启时间T脉冲数N8第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 量化误差的相对误差为6-8 2 触发误差 施密特电路输出规那么的矩形波，如图6.13a所示。 %1001%1001%100 xCNTfNNN第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.13 噪声和干扰产生的触发误差(a)(b)(c)E1E2第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 3 规范频率误差电子计数器在丈量频率和时间时是以晶振产生的各种时标信号作为基准的。显然，假设时标信号不稳定，那么会产生丈量误差，这种误差称为规范频率误差

18、。 2. 丈量误差分析与提高丈量精度的方法1 测频误差经过前面的引见，测频量化误差可用下式表示： %1001%1001%100sNNTfNNN6-9 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 2 测周误差测周误差包括测周量化误差和触发误差。(1) 测周量化误差。参照图6.3，以及对测频量化误差的分析，测周量化误差为%1001%1001%100 xCxTfNNNTT6-10 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 (2) 测周触发误差。由于普通门电路采用过零触发，可以证明触发误差可按下式近似表示： 3 中界频率确实定忽略随机误差，根据中界频率的定义，可得到中界频率的计算公式： 6-12 mMT

19、Txn216-11 ScTmff 0第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 例如，用电子计数器丈量fx=2 kHz信号的频率，分别采用测频闸门时间为1s和测周晶振频率fc=10 MHz两种丈量方法，由于量化误差所引起的相对误差如下： 测频时，量化误差为测周时，量化误差为 43105110211sxTfNN473102101021xcxxTfTT第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 中界频率为4 多周期丈量除采取以上措施外，丈量时还应留意以下事项： (1) 每次测试前应先对仪器进展自校检查，当显示正常时再进展测试。(2) 当被测信号的信噪比较差时，应降低输入通道的增益或加低通滤波器。(3)

20、 为保证机内晶体稳定，应防止温度有大的动摇和机械振动，防止强的工业磁电干扰，仪器的接地应良好。kHzTmffsc16. 311070第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.3 等精度时间等精度时间/频率丈量频率丈量6.3.1 等精度丈量原理 图6.14示出了等精度丈量原理。丈量时，仪器先产生闸门预备信号，由被测信号脉冲的上升沿触发同步门E，主门E开启，E计数器计数。与此同时，时钟脉冲的上升沿触发同步门T，主门T开启，T计数器计数。图6.15是等精度丈量的逻辑时序图。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.14 等精度丈量原理同步门ENEE计数器 运算部分预定闸门R-S触发器预备

21、信号E门同步门TT门fx(被测)f0(10 MHz)预备CPUNTT计数器0TEfNN第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.15 等精度丈量逻辑时序图t1预定闸门时间Tfx闸门时间Tt2f0第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 在闸门时间T内，E计数器累计了NE=fxT个被测信号脉冲，T计数器累计了NT=f0T个时钟脉冲，由运算部分微处置器可算出： ，并显示出来。当钟频f0选为100 MHz时，对1 s闸门时间丈量的分辨力恒为10-8， 如图6.16所示。 0fNNfTEx第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.16 1 s闸门时间丈量分辨力表示图分辨力1080频率 /

22、MHz100第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.3.2 时间间隔平均丈量原理时间间隔丈量时序图如图6.17所示。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.17 时间间隔丈量时序图fAfB预备E同步门QfB同步门Qf0T同步门QE计数器入T计数器入第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.4 EE3376型可程控通用计数器简介型可程控通用计数器简介6.4.1 EE3376型可程控通用计数器原理及电路引见图6.18示出了EE3376型可程控通用计数器的原理框图。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.18 EE3376型可程控通用计数器逻辑原理框图显示器键盘显示驱动键

23、盘扫描缓冲器缓冲器RAMROM16 KB地址译码CPU(280)通用接口CP-IB地址开关打印接口E同步门fB同步门T同步器TAB合成器E主门E计数器与门T主门T计数器取样率电容预选闸门电路内接口电路(2)复原电路分辨率电路主门预备电路计量结束电路计量状态电路内接口电路(1)CS打印输出DSDSDSDSCSCSCSCSASASASA4R48STA/STPJKDSCSASDSCS驱动器DSDSCSASCSASDSA6CP-IB接口8f0fBfA(b)放大分频/ 10输出控制A/C选通通道/ 10E / T100 MHz控制门/ 128E / T寄存器16MHz选通门A选通开关AC/DC放大整形触

24、发电平显示晶振10 MHz倍频器整形跟随10 MHz时标输出B选通开关f0选通开关A输入10 MHz或5 MHzJK121 11 MHz选通电路(a)C输入fAfB分/合101电平调节选择AC/DC放大整形触发电平显示分/合101电平调节选择B输入f0第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 1. A、B输入通道A 通道中输入维护电路包括由两只二极管组成的双向限幅电路及由一只稳压管等组成的源极跟随器，其作用是过压维护、阻抗变换及电平移位。B通道同A通道。 2. C输入通道C通道由放大、分频及电平控制三大部分组成，其中放大器由五级ERB90组成，分频由SP8668完成。图6.19所示为C通道方框

25、图。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 图6.19 C通道方框图放 大分 频输 出 停 止 控 制C通 道第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 3. 预定标EE3376的钟频周期为100 ns，最大可测信号频率为10 MHz。为了丈量高于10 MHz的信号频率，需进展预定标法。A 通道频宽为DC120 MHz，C通道频宽为100 MHz1.5 GHz。在C通道中，信号经放大、整形后经过SP8668预先进展分频。 4. 主门电路主门电路是实现倒数计数的关键部件，由微机送出各种不同的功能码，经由选择开关选择，来实现各种功能的丈量。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 5.预选闸门电路

26、 EE3376的预选闸门电路是由单稳电路T555组成的。单稳电路的脉宽受控于前面板上的可调电位器，因此闸门时间约在0.0510 s之间延续可调。6.计数电路EE3376采用两块40位二进制计数器 LS7061和两块十六进制计数器 74LS93分别组成 E 、T计数器。其中LS7061包括32位二进制计数器、40位存放器、扫描选通译码电路及8位三态门输出电路。微处置器接到丈量终了指令后开场取数。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 7.送显电路送显电路是由扫描驱动显示器7812 完成的。8.取样率电路取样率电路是由T555 组成单稳电路来执行的。9.微处置器单元微处置器单元对仪器的运转进展

27、管理、数据交换和数据处置。 10.GPIB通用接口EE3376配置了GPIB接口，其通用性强，加上通用接口所需的运用软件，可以很方便地将该机接入自动测试系统。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 6.4.2 EE3376型可程控通用计数器的运用1.面板功能启动“POWER键，接通电源, 这时面板上除“LEVEL A、“LEVEL B两灯外，一切指示灯全亮，显示器显示全“81秒钟，然后显示本机型号“EE3376。 2.功能键操作 功能键可以上下换挡，只需分别按、键即可。按一次键功能上或下移一次。按“RESET键是对微机重新进展初始化。在进展某一丈量时，如不需求继续丈量，而要重新丈量时可按下

28、“CLEAR键，此时仍进展原功能的丈量。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 3. A通道频率丈量fA、周期丈量PA被测信号fx从“INPUT A输入，“COM键弹起。“LEVEL A可以调理触发电平，调理范围为-1.5+1.5 V，触发电平可用万用表从旁边的检测孔丈量。当电位器调至灯闪亮时，触发灵敏度为最高。如 fx 为正信号，触发电平往“+方向调理； 如fx为负信号，触发电平往“-方向调理。 4. AB 时间间隔丈量(TA-B) 启动信号从“INPUT A输入，停顿信号从“INPUT B输入，调理触发电平使A、B通道触发指示灯闪烁。调理LEVEL A和LEVEL B的电平要一致用万用表

29、在检测孔检测。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 5. TOT A累计丈量 信号从“INPUT A输入，同时按下“STA/STP键，灯亮，表示计数开场； 再按一次该键，灯灭，表示停顿计数，显示计数结果； 再按一次，灯亮，那么表示继续计数，并在上次丈量结果上继续累计。假设需观测丈量的结果，那么可将取样率电位器调理到需求的位置察看。 6. FCC通道测频当被测信号频率在100 MHz1.5 GHz范围时，fx应从“INPUT C输入。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 7. GPIB通用接口GPIB通用接口具有完全的源挂钩功能、完全的受者挂钩功能、除只讲外的完全讲功能、除只听外的完全听功能、完全的串行点名功能和完全的远控/本控功能。 第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 8. EE3376用于自动测试EE3376 型可程控通用计数器用于自动测试时，其运用阐明如下： (1) 由于接入自动测试系统的主控机不同，发布程控命令的方式也不同。(2) 在远控形状下，每次丈量终了数据送显示的同时，用这组数据去刷新数据存储区，以备系统主控机随时读数。(3) 当系统主控机要求该仪器“听时，无论仪器处于什么丈量形状，均能立刻呼应，并按输入的程控命令调整形状。第第6章章 频率与时间测量频率与时间测量 (4) 当系统主控机要求