第五章频率及时间测量3-4ppt课件

1、53 电子计数法丈量周期 用计数法可测的信号的频率，而周期是频率的倒数，当然用电子计数器也能丈量信号的周期。 两者在丈量原理上有类似之处，但又不等同.第五章 时间、频率和相位的丈量1一、电子计数法丈量周期的原理以下图是计数法丈量周期原理是将以下图中晶振规范频率信号和输入被测信号的位置对调而构成的图5.31计数法丈量周期原理框图图5.32 各点波形第五章 时间、频率和相位的丈量闸门脉冲信号2 当Tc为一定时，计数结果可直接表示为Tx值。 例如Tcls，N562时，Tx562s； Tc0.1s，N26250时，Tx2625.0 s。 根据需求，Tc可以用假设干个档位的开关转换Tc的值，显示器能自动

2、显示时间单位和小数点，运用起来非常方便。图5.32 各点波形第五章 时间、频率和相位的丈量3二、电子计数器丈量周期的误差分析对 式微分，得： 5.3-2 上式两端同除 NTc 得：即： 5.3-3用增量符号替代上式中微分符号，得5.3-4 第五章 时间、频率和相位的丈量4因 ，Tc上升时，fc 下降，所以有 计数误差N在极限情况下为1，所以 由于晶振频率相对误差fc / fc 的符号可正可负。思索误差最大情况，因此运用式(5.3-4)计算误差时，取绝对值相加，所以丈量周期的相对误差5.3-4式可改为 5.3-5第五章 时间、频率和相位的丈量5例如，某计数式频率计|fc| / fc210-7，在

3、丈量周期时，取Tc1s，那么当被测信号周期为Tx1s 时 其丈量准确度很高，接近晶振频率准确度。 当Txl ms ( fx1000Hz ) 时，丈量误差为第五章 时间、频率和相位的丈量6当Txl0s ( fx 100 Hz )时，可以明显看出，计数器丈量周期时，其丈量误差主要决议于量化误差，被测周期越大 ( fx 越小 ) 时误差越小，被测周期越小 ( fx 大 ) 时误差越大。第五章 时间、频率和相位的丈量7减小丈量误差方法： 可以减小Tc (增大fc )。但这遭到实践计数器计数速度的限制。在条件答应的情况下，尽量使 fc 增大。 另一种方法是把Tx扩展m倍。构成的闸门时间为mTx，以它控制

4、主门开启，实施计数。计数器计数结果为5.3-6 由于N1，并思索式5.3-6，所以 5.3-7 第五章 时间、频率和相位的丈量上式阐明了量化误差降低了m倍。8将式(5.3-6)代入式(5.3-5)得5.3-8 扩展待测信号的周期为mTx，称作“周期倍乘，通常取m为10ii0，1，2，。 例如上例被测信号周期Tx10s，即频率为105Hz，假设采用四级非常频，把它分频成10Hz(周期为105s)，即周期倍乘m10000，这时丈量周期的相对误差 “周期倍乘使周期丈量准确度得到提高，但乘倍数受仪器显示位数及丈量时间的限制。第五章 时间、频率和相位的丈量9 测频和测周期的原理及其误差的表达式都是类似的

5、，但是从信号的流通途径来说那么完全不同。 测频率时，规范时间由内部基准即晶体振荡器产生。普通选用高准确度的晶振，采取防干扰措施以及稳定触发器的触发电子，这样使规范时间的误差小到可以忽略。 测频误差主要决议于量化误差(即1误差)。 第五章 时间、频率和相位的丈量10 在丈量周期时，信号的流通途径和测频时完全相反，这时内部的基准信号，在闸门时间信号控制下经过主门，进入计数器。 闸门时间信号那么由被测信号经整形产生，它的宽度不仅决议于被测信号Tx，还与被测信号的幅度、波形陡直程度以及叠加噪声情况等有关，而这些要素在丈量过程中是无法预先知道的，因此丈量周期的误差要素比丈量频率时要多。 第五章 时间、频

6、率和相位的丈量11 在丈量周期时，被测信号经放大整形后作为时间闸门的控制信号(简称门控信号)，因此，噪声将影响门控信号(即Tx)的准确性，呵斥所谓触发误差。5.3-8 5.3-9 图5.33 触发误差表示图第五章 时间、频率和相位的丈量12 如以下图所示，假设被测正弦信号为正常的情况，在过零时辰触发，那么开门时间为Tx。假设存在噪声，有能够使触发时间提早T1，也有能够使触发时间延迟T2。 假设粗略分析，设正弦波形过零点的斜率为tg，角如图中虚线所标，那么得5.3-8 5.3-9 图5.33 触发误差表示图第五章 时间、频率和相位的丈量13 式中 Ux 为被测信号上叠加的噪声“振幅值。当被测信号

7、为正弦波，即 门控电路触发电平为Up ，那么 5.3-10 第五章 时间、频率和相位的丈量14将式(5.310)代入式(5.38)、(5.39)，可得 5.3-11 由于普通门电路采用过零触发，即 Up0，因此5.3-12 第五章 时间、频率和相位的丈量15极限情况下，开门起点将提早T1，关门终点将延迟T2，或者相反。根据随机误差的合成定律，可得总的触发误差5.3-13 如前类似分析，假设门控信号周期扩展k倍，那么由随机噪声引起的触发相对误差可降低为5.3-14 第五章 时间、频率和相位的丈量上式阐明：丈量周期时的触发误差与信噪比成反比。例如：UmUn10时，TnTx2.310-2。16可以看

8、出，信噪比越大时其触发误差就越小。假设对引起触发误差主要要素分别单独思索，由式(5.3-8)式(5.3-11)可看出：信号过零点斜率(tg)值大，那么在一样噪声幅度Un条件下，引起的T1、T2小，从而使触发误差就小；信号过零点斜率一定，那么噪声幅度大时引起的触发误差大。 图5.33 触发误差表示图第五章 时间、频率和相位的丈量17图5.33 触发误差表示图由此推知：信号幅度Um大时引起的触发误差小；触发误差还与触发器的触发灵敏度有关，假设触发器的触发灵敏度高，可以想见，一个小的噪声扰动，就可使触发器翻转，所以在一样的其他条件下，触发器触发灵敏度高，那么引起的触发误差大。 第五章 时间、频率和相

9、位的丈量18分析至此，假设思索噪声引起的触发误差，那么，用电子计数器丈量信号周期的误差共有三项，即量化误差(l误差)、规范频率误差、触发误差。在求总误差时，假设按最大误差思索，可进展绝对值相加，即5.3-15 式中k为“周期倍乘数 第五章 时间、频率和相位的丈量19三、中界频率式 阐明，被测信号频率 fx 越高，用计数法丈量频率的准确度越高。而式 阐明，被测信号周期Tx越长，用计数法丈量周期的丈量准确度越高，显然二者结论是对立的。由于频率与周期有互为倒数关系。 所以频率、周期的丈量可以相互转换，即测频率后经倒数运算得到周期；测出周期再经倒数运算得到频率。第五章 时间、频率和相位的丈量20 这里

10、的高频、低频是以所谓的“中界频率为界划分的。“中界频率指对某信号运用计数法测频与测周期计算得频率，两者引起的误差相等，那么该信号的频率定义为中界频率，记为 f0 。第五章 时间、频率和相位的丈量三、中界频率21在忽略周期丈量时的触发误差，根据上面所述中界频率的定义，思索： 的关系,令式(5.2-12)与式(5.3-5)取绝对值相等 第五章 时间、频率和相位的丈量5.3-16 将上式中 fx 换为中界频率 f0，Tx 换为T0 再写为1/f0 ，Tc 写为 1/fc， 那么式5.3-16 可写为由式(5.3-17)解得中界频率5.3-17 5.3-18 三、中界频率22 假设丈量频率时以扩展闸门

11、时间n倍(扩展规范信号周期n倍)来提高频率丈量准确度，这时，式(5.2-12)变为 5.3-19 假设丈量周期时以扩展闸门时间k倍(扩展待测信号周期k倍)，来提高周期丈量准确度，这时式(5.3-5)变为5.3-20 第五章 时间、频率和相位的丈量三、中界频率23 仿对式(5.3-18)的推导过程，可得中界频率更普通的定义式， 即5.3-21 T 为直接测频时选用的闸门时间。假设knl，式(5.321)就成了式(5.318)。 第五章 时间、频率和相位的丈量三、中界频率24例5.31 某电子计数器，假设可取的最大的T、fc 值分别为10s、100MHz，并取k104，试确定该仪器可以选择的中界频

12、率 f0。 解： 将标题中的条件代入式(5.3-21)，得 所以本仪器可选择的中界频率 f0 31.62 kHz。 因此用该仪器丈量低于31.62 kHz 信号频率时，最好采用测周期的方法。 第五章 时间、频率和相位的丈量2554 电子计数法丈量时间间隔 在对信号波形时域参数丈量时，经常需求丈量信号波形上升边、下降边时间、脉冲宽度、波形起伏动摇的时间区间及人们所感兴趣的波形中两点之间的时间间隔等。上述诸多所要求的丈量，都可归纳为时间间隔的丈量。时间间隔的丈量与上节讨论的信号周期的丈量类似，本节着重讨论计数法丈量时间间隔的原理和误差分析。 第五章 时间、频率和相位的丈量26一、时间间隔丈量原理

13、以下图为丈量时间间隔的原理框图。它有两个独立的通道输入，即A通道与B通道。 一个通道产生翻开时间闸门的触发脉冲，另一个通道产生封锁时间闸门的触发脉冲。对两个通道的斜率开关和触发电平作不同的选择和调理，就可丈量一个波形下恣意两点间的一样间隔。第五章 时间、频率和相位的丈量27 每个通道都有一个倍乘器或衰减器，触发电平调理和触发斜率选择的门电路图中开关K用于选择二个通道输入信号的种类。 K在“1位置时，两个通道输入一样的信号，丈量同一波形中两点间的时间间隔； K在“2位置时，输入不同的波形，丈量两个信号间的时间间隔。在开门期间，对频率为 fc 或 nfc 的时标脉冲计数，这与测周期时计数的情况类似

14、。第五章 时间、频率和相位的丈量一、时间间隔丈量原理28 框图中衰减器将大信号减低到触发电平允许的范围内。 A和B两个通道的触发斜率可恣意选择为正或负，触发电平可分别调理。触发电路用来将输入信号和触发电平进展比较，以产生启动和停顿脉冲。 图5.4l 丈量时间间隔的原理框图 第五章 时间、频率和相位的丈量一、时间间隔丈量原理29 如需求丈量两个输入信号u1和u2之间的时间间隔，可使K置“2，两个通道的触发斜率都选为“+。 当分别用Ul和U2完成开门和关门来对时标脉冲进展计数，便能测U2对于Ul的时间延迟tg，如图5.4-2所示，即完成了两输入信号u1和u2之间的时间间隔的丈量。图5.42丈量两信

15、号的时间间隔 图5.43丈量同一信号恣意两点的时间间隔 第五章 时间、频率和相位的丈量一、时间间隔丈量原理30 假设需求丈量某一个输入信号上恣意两点之间的时间间隔，那么把K置“1位，如图5.4-3(a)、(b)所示。图(a)情况，两通道的触发斜率也都选“+，Ul、U2分别为开门和关门电平。图(b)情况，开门通道的触发斜率选“+，关门通道的触发斜率选“-同样， Ul、U2分别为开门和关门电平。 图5.42丈量两信号的时间间隔 图5.43丈量同一信号恣意两点的时间间隔 第五章 时间、频率和相位的丈量一、时间间隔丈量原理31二、误差分析 电子计数器丈量时间间隔的误差与测周期时类似，它主要由量化误差、

16、触发误差和规范频率误差三部分构成。 由丈量原理框图5.4-l可以看出，测时间间隔不能像测周期那样可以把被测时间Tx扩展k倍来减小量化误差。 所以，丈量时间间隔的误差普通来说要比测周期时大。下面作详细分析。 第五章 时间、频率和相位的丈量32设丈量时间间隔的真值即闸门时间为Tx，偏向为Tx，并思索被测信号为正弦信号时的触发误差，类似丈量周期时的推导过程，可得丈量时间间隔时误差表示式为5.4-1 Um、Un分别为被测信号、噪声的幅值。 第五章 时间、频率和相位的丈量二、误差分析量化误差 规范频率误差 触发误差 33例5.4-1 某计数器最高规范频率fcmax 10MHz。假设忽略规范频率误差与触发误差。当被测时间间隔T x 50s 时，其丈量误差当被测时间间隔Tx 5s 时，其丈量误差 第五章 时间、频率和相位的丈量二、误差分析34 被测时间间隔T x 比较小时，丈量误差大。假设最高规范频率fcmax一定，且给出最大相对误差max时，仅思索量化误差所决议的最小可丈量时间间隔T xmax可由下式决议：最小可丈量时间间隔为： 第五章 时间、频率和相位的丈量二、误差分析5.4-2 最大相对误差 35例5.