《电子测量实用技术》模块6频率与时间测量

电子测量实用技术问题1：如图与门电路，输入端A、B的输入波形如图所示，试画出输出端F的波形。&ABFBAF电子测量实用技术问题2：什么叫频率准确度？什么叫频率稳定度？二者的关系如何？频率准确度：频率稳定度：准确度与稳定度的关系：频率准确度是由主振荡器的频率稳定度来保证的，频率稳定度是一个信号发生器的重要指标，一般稳定度应比所要求的频率准确度高1~2个数量级。电子测量实用技术模块提示：时间和频率是电子技术中两个重要的参量，许多电参量的测量方案、测量结果都与时间和频率有着密切的关系；在检测技术中，还常常将一些非电量转换成频率进行测量；许多科学技术领域都需要准确确定时间和频率。因此说，时间和频率的测量已经成为电子测量的一个重要方面，其中频率又是最准确、最稳定的一个量。频率计就是时间、频率测量的精密仪器，掌握它的工作原理和使用方法是我们学习这一模块的最终目的。模块6时间与频率测量电子测量实用技术6.1概述6.2通用电子计数器6.3等精度时间/频率测量6.4TFC1000L型多功能等精度频率计6.5频率计的使用和读测模块总结与归纳模块学习要点：

电子测量实用技术重点：

电子计数器测频、测周、测量时间间隔、相位差、测量频率比、累加计数及自校的方法。难点：

电子计数器测频、测周的误差分析；提高测量准确度的方法。测量任务：频率计的使用与读测电子测量实用技术6.1概述6.1.1时间与频率概述

1.时间和频率的含义时间有两个含义：“时刻”：即某个事件何时发生；“时间间隔”：即某段时间相对于某一时刻持续了多久。频率的定义：周期信号在单位时间（1s）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔t内周期信号重复变化了N次，则频率可表达为：电子测量实用技术2.时间与频率测量的特点最常见和最重要的测量(2)测量准确度高。(3)自动化程度高。(4)测量速度快。电子测量实用技术 3.时间与频率测量的方法 出现并得到过应用的测频方法与仪器主要有以下几种： （1）谐振法：利用LC回路的谐振特性进行测频,测频范围为0.5~1500MHz。 （2）外差法：改变标准信号频率，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3000MHz的微弱信号的频率，测频精确度为10-6左右。 电子测量实用技术

（3）示波法：李沙育图形法和测周期法

几种常用的李沙育图形

电子测量实用技术

（4）电子计数器法：直接计数单位时间内被测信号的脉冲数，然后以数字形式显示频率值。这种方法测量精确度高、快速，适合不同频率、不同精确度测频的需要。电子测量实用技术6.1.2电子计数器概述电子计数器是利用数字电路技术输出给定时间内所通过的脉冲数并显示计数结果的数字化仪器，是其它数字化仪器的基础。在它的输入通道接入各种模—数变换器，再利用相应的换能器便可制成各种数字化仪器。电子测量实用技术1.电子计数器的分类

(1)按功能可以分为如下四类：

1)通用计数器：是多用途的计数器，可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数及测量多周期平均值等。其测量功能可扩展。

电子测量实用技术

图6.1E312B型系列通用计数器

电子测量实用技术2)频率计数器：是测量高频和微波频率的计数器，其功能限于测频和计数。但测频范围往往很宽(10Hz~12.4GHz)。图6.2EE3382B1型频率计数器电子测量实用技术3)时间计数器：以时间测量为基础，可测量时间间隔。

(a)日本欧姆龙时间计数器H7EC(b)时间计数器DH48J图6.3时间计数器电子测量实用技术

4)特种计数器

(a)NSJ-406B型可逆计数器(b)JDM72型预置计数器图6.4特种计数器电子测量实用技术(2)按测量范围可分为：1)低速计数器最高计数频率不大于10MHz。2)中速计数器：计数频率为10~100MHz。3)高速计数器：最高计数频率高于100MHz。4)微波计数器：测量频率范围为1~80GHz或更高。(3)按用途可分为：测量用计数器和控制用计数器。电子测量实用技术2.电子计数器的主要技术指标测量范围：一般几mHz~几十GHz。(2)准确度：可达10-9以上。(3)晶振频率及稳定度(4)输入特性:耦合方式、最高输入电压、输入电阻等。(5)闸门时间(测频)和时标(测周)：由机内时标信号源所提供的时间标准信号决定。(6)显示及工作方式

包括显示位数、显示时间、显示方式等。(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。50Ω低阻（高频）和1MΩ/25pF高阻（低频）电子测量实用技术

3.电子计数器的工作原理 计数是电子计数器最基本的功能。因此，尽管电子计数器的种类很多，但其基本的工作原理可用图6.5所示的简化方框图加以说明。电子测量实用技术图6.5电子计数器简化方框图待计数脉冲门控信号门控计数法闸门时间电子测量实用技术6.2通用电子计数器

所谓通用电子计数器是指具有测量频率和时间两种以上功能的电子计数器，一般具有测频、测时、测周期、测频率比和累加计数等功能。 电子测量实用技术6.2.1通用电子计数器的基本组成通用电子计数器的组成如图6.7所示图6.7通用电子计数器的基本组成框图输入通道主门电路

时间基准部分控制部分

门控双稳态触发器等计数与显示电路电子测量实用技术图6.12频率测量的原理框图1.频率测量频率的测量实际上就是在单位时间内对被测信号的变化次数进行累加计数。其原理框图如图6.12所示。6.2.2通用电子计数器的测量功能待计数脉冲时基信号S电子测量实用技术

例如，测量一输入信号，选择闸门时间为1s，计数器显示数字为3000，则被测信号频率为：电子测量实用技术表6.1闸门时间与显示

测量中选择不同的闸门时间，测量结果相同但有效数字位数不同，用E312A型通用计数器测一输入频率fx=100000Hz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6.1。较长的闸门时间可以获得较多的测量结果位数。对于输入的低频信号，闸门时间应选长一些，以保证闸门时间内能计数足够多的输入信号脉冲。电子测量实用技术图6.13周期测量的原理框图2.周期测量周期是频率的倒数，因此周期的测量和频率的测量正好相反。其原理框图如图6.13所示。待计数脉冲时标信号被测信号的周期为：Tx=N

TC电子测量实用技术

在实际测量中，如果被测周期较短，为减少测量误差，常采用多周期测量来读取输入信号周期平均值。方法是将被测信号周期扩大10n倍最终计数值除以10n，它实际上是多个被测周期的平均值，即

计数器通过选择开关确定时标周期To和周期倍乘10n。电子测量实用技术*电子计数器面板及控键示意图(1)功能选择；(2)时间选择；(3)输入通道；(4)触发选择；(5)触发电平；(6)数码显示器。电子测量实用技术

3.时间间隔测量时间间隔测量和周期的测量都是测量信号的时间，因此测量电路大体相同，所不同的是测量时间间隔需要B、C两个通道分别送出起始和停止信号去控制门控双稳电路以形成闸门信号，其工作原理如图6.14所示。电子测量实用技术图6.14时间间隔测量的原理框图时标信号开门信号关门信号B和C两脉冲信号之间的时间间隔为：电子测量实用技术

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，这样就可以测量两个输入信号任意两点之间的时间间隔，如图6.15所示。电子测量实用技术图6.15输入信号任意两点间的时间间隔测量示意图电子测量实用技术

4.相位差测量相位差测量通常是指两个同频率的信号之间的相位差的测量。利用电子计数器也可进行相位差的测量，它是时间间隔测量的一个应用。瞬时值数字相位差测量原理框图如图6.16所示。图6.16瞬时值数字相位差测量原理框图电子测量实用技术图6.17瞬时值数字相位差测量工作波形

其工作波形如图6.17所示。电子测量实用技术

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Δφ对应的时间为tφ，则式中，Ts为时标信号周期。由以上两式可得：电子测量实用技术

为减小测量误差，可利用触发源选择开关，第一次设置“+”，第二次设置为“－”，则两次测量结果取平均值：再利用可得相位差。电子测量实用技术*电子计数器面板及控键示意图(1)功能选择；(2)时间选择；(3)输入通道；(4)触发选择；(5)触发电平；(6)数码显示器。电子测量实用技术图6.18频率比测量原理框图由：TB=NTA得:fA=NfB所以频率比为:fA/fB=N高频信号做时标信号低频信号做时基信号5.频率比fB/fA测量频率比是指两路信号源的频率的比值。其测量原理与频率、周期测量的原理类似，如图6.18所示。电子测量实用技术

6.累加计数和计时 累加计数是电子计数器最基本的功能，是指在一段较长时间内累加被测信号的脉冲个数，测量原理框图如图6.19所示。电子测量实用技术图6.19累加计数和计时的原理框图计数显示为N，则计时值为T=NTC电子测量实用技术

7.自校 在使用电子计数器测量之前，应对电子计数器进行自校，一是检验电子计数器的逻辑关系是否正常，二是检验电子计数器能否准确地进行定量测量。自校的原理框图如图6.20所示。电子测量实用技术图6.20电子计数器的自校原理框图

计数器正常工作时，应显示N=TS/TC。例如TC=1ns，TS=1s时，正常显示的读数应为1000000000，如果多次自校能稳定显示此值，则说明仪器工作正常。电子测量实用技术*电子计数器面板及控键示意图(1)功能选择；(2)时间选择；(3)输入通道；(4)触发选择；(5)触发电平；(6)数码显示器。电子测量实用技术图6.21量化误差的形成 6.2.3通用电子计数器的测量误差

1.测量误差的来源——量化误差、触发误差和标准误差

(1)量化误差—是所有数字化仪器都存在的计数误差。如图6.21是频率测量时量化误差的示意图。电子测量实用技术

测频时的相对量化误差为：

如图6.21所示，虽然闸门开启时间都为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。又称±1误差或±1字误差，又称计数误差。

减小误差的方法是增大N：一方面当被测信号频率一定时，选用较长的闸门时间；另一方面当闸门时间一定时，提高被测信号的频率。电子测量实用技术(2)触发误差

触发误差又称转换误差。测量频率时，需对被测信号进行放大、整形，转换为计数脉冲；测量时间或周期时，也需对被测信号放大、整形，转换为门控信号。由于输入信号中干扰和噪声的影响，以及利用施密特电路进行转换时电路本身触发电平的抖动，使得整形后的脉冲周期不等于被测信号的周期，由此产生的误差称为触发误差，误差的大小与被测信号的大小和转换电路的信噪比有关。电子测量实用技术图6.22噪声和干扰产生的触发误差

施密特电路有两个触发电平，被测信号进入输入通道放大后，加至施密特触发器。图6.22(a)是不存在干扰信号和噪声的输出波形（规则的矩形）;图6.22(b)是被测信号叠加了干扰，并且干扰较大，测量误差很大，应视为坏值予以避免；图6.22(c)叠加了干扰，但干扰不大，对测量周期影响大，对测量频率影响小。

减小触发误差的方法:提高被测信号的信噪比；采用多周期测量法（即提高B通道分频器分频次数）。

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(3)标准频率误差电子计数器在测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，如果时标信号不稳定，则会产生测量误差，这种误差称为标准频率误差。测频率时，称为时基误差；测周期时，称为时标误差。很小，可忽略其影响。

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2.测量误差分析与提高测量精度的方法对频率的影响：量化误差。对周期的影响：量化误差和触发误差。

(1)测频误差通过前面的介绍，测频量化误差可表示为：

提高测量精度的方法是增大N：A通道倍频提高被测信号频率；延长闸门时间；低频信号先测周期再换算成频率。电子测量实用技术 (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。 参照式Tx=NTc

，以及对测频量化误差的分析，测周量化误差为

提高测量精度的方法是增大N：A通道倍频提高基准频率；B通道分频即延长闸门时间；该方法称多周期测量法。低频信号可直接测量。电子测量实用技术

2)测周触发误差。因为一般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：

m——为B通道分频器的分频系数

M——为输入信号的信噪比。

减小测周触发误差的方法：

1.提高被测信号信噪比M；

2.采用多周期测量法（提高m）。电子测量实用技术(3)提高测量精度的方法1)选择准确度和稳定度高的晶振作为时标信号发生器，以减小标准频率误差。2)在不使计数器产生溢出的前提下，加大分频器的分频系数，扩大主门的开启时间Ts，以减小量化误差的影响。3)对随机的计数误差，可通过提高信噪比或调小通道增益来减小误差程度。4)测高频信号的频率时，用测频的方法直接读取被测信号的频率。测低频信号的频率时，先通过测周期的方法测出被测信号的周期，再换算成频率。分别称直接测频法和测周测频法。电子测量实用技术

中界频率所谓高频或低频，是相对于电子计数器的中界频率而言的。定义为：测量某信号的频率时，若采用直接测频法和测周测频法误差相等，则该信号的频率为中界频率。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：TS——时基周期；fC——时标频率。电子测量实用技术

例如，用电子计数器测量fx=2kHz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=10MHz）两种测量方法，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：电子测量实用技术

中界频率为

5)多周期测量 所谓多周期测量法，是指在测量被测量的周期时，时间间隔的起点在一个信号上取出，终点在若干(N)个周期后的信号中取出，转换误差只有第一个和最后一个的转换误差，减小了原来的N倍，测周量化误差也减小了N倍。所以经“周期倍乘”后在进行周期测量，其测量精度大为提高。fX小于fo，测周法比测频法误差小。电子测量实用技术

除采取以上措施外，测量时还应注意以下事项：(1)每次测试前应先对仪器进行自校检查，当显示正常时再进行测试。

(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)为保证机内晶体稳定，应避免温度有大的波动和机械振动，避免强的工业磁电干扰，仪器的接地应良好。电子测量实用技术6.3等精度时间/频率测量

等精度时间/频率测量技术也叫多周期同步测量技术，它是将被测信号经输入通道放大整形后产生的计数脉冲和由时基电路产生的时钟计数脉冲分别在事件（E）计数器和时间（T）计数器中累加存放，然后根据预先编制好的管理程序，由微处理器对存储在两个计数器中的数据进行运算、比较等处理，并把处理结果送到显示单元显示。电子测量实用技术图6.24等精度测量原理

实现等精度时间／频率测量的仪器是等精度计数器。它主要由通道、同步电路、预定闸门时间控制电路以及运算单元等组成。电子测量实用技术

在闸门时间T内，E计数器累计了个被测信号脉冲

T计数器累计了个时钟脉冲由于两个计数器对两个频率计数是在同一个同步闸门控制下进行的，由此可得到被测信号频率为：

等精度测量的主要特点：不产生±1误差；可取得较高的分辨力；可以获得相对较高的测量精度；保证在同一闸门时间内对不同频率信号的等精度测量。电子测量实用技术6.4TFC1000L型多功能等精度频率计6.4.1概述图6.25TFC1000L多功能等精度频率计电子测量实用技术 6.4.2技术指标1.测量方式

(1)频率测量

(2)周期测量

(3)累计测试

(4)自检

2.输入特性

3.时基电子测量实用技术6.4.3工作原理

本仪器进行频率、周期测量都是采用等精度的测量原理。如图6.26所示。图6.26TFC1000L型多功能等精度频率计原理框图电子测量实用技术 6.4.4使用方法

1.使用前的准备电源要求：AC-220V、50Hz。测量前预热2