电子测量技术基础第五章

第5章频率时间测量

5.1概述

5.2电子计数器测频率

5.3电子计数器测周期

5.4电子计数器测时间间隔

5.1.1时间、频率的基本概念

1.时间的定义与标准

2.频率的定义与标准5.1.2频率测量方法概述

5.1概述

5.2电子计数器测频率5.2.1电子计数法测频原理频率的定义：周期性信号在一秒钟内变化的周期。如果在一定的时间间隔Ts内计有周期信号的重复变化次数N，则频率可写为：这就是电子计数器测频的基本原理。原理框图：

5.2.2电子计数器测频的组成框图组成框图：

5.2.2误差分析据误差传递公式，测频的误差为可得

误差有两部分，第一项是量化误差；第二项是闸门时间误差。

dfx=(dN／T)－(N／T2)dT

5.2.2误差分析1.量化误差也叫计数误差或±1个字误差，是电子计数器的固有误差，也是数字仪表特有的误差。T=NTx+Δt1－Δt2

5.2.2误差分析产生原因：由被测信号和门控信号之间不同步及周期关系任意性引起的。被测信号与门控信号间没有同步锁定关系，门控信号的起始点随开机时刻而随机；被测信号周期是任意的，而门控信号周期是一定的。当Ts与被测Tx的整数倍相当时，产生±1误差更为典型。注意：①与fxT成反比。②当被测fx一定，闸门开启时间Ts越大，±1量化误差对测频误差影响越小；当闸门开启时间Ts一定，被测频率fx越高，±1量化误差对测频误差影响越小。故，电子计数器测频适于测高频频率。

5.2.2误差分析2.闸门时间误差(标准时间误差)

闸门时间不准引起闸门时间相对误差。产生原因：主要是晶振频率准确度，而整形电路、分频电路、闸门的开关速度等因素也产生影响。设晶振频率为fc(周期为Tc)，分频系数为m，所以有：微分，得

5.2.2误差分析2.闸门时间误差(标准时间误差)

由前两式可知：考虑相对误差定义中使用的是增量符号Δ，所以用增量符号代替式(5.2-9)中的微分符号，改写为表明：闸门时间的相对误差在数值上等于晶振频率的相对误差。

5.2.2误差分析

3.总误差将式前几个式子整理得：Δfc有可能大于零，也有可能小于零。若按最坏情况考虑，则测量频率的最大相对误差应写为

5.2.2误差分析要提高频率测量的准确度，应采取如下措施：

①提高晶振频率的准确度和稳定度以减小闸门时间误差；②扩大闸门时间T或倍频被测信号频率fx以减小±1误差；③被测信号频率较低时，采用测周期的方法测量。

5.3电子计数器测周期

时间测量在科学技术各领域中十分重要。时间测量主要指周期、上升时间、时间间隔等的测量。

5.3.1电子计数器测周期的基本原理

1.原理框图

T与f互为倒数，则将测频的被测通道与标准通道对调即可。原路框图：

5.3.1电子计数器测周期的基本原理工作原理：将被测信号经分频后作为门控信号去控制主闸门开启与关闭，晶振标准信号经分频后通过主闸门进入计数器被计数。2.测量结果显然，测周是将被测周期Tx与标准周期Tc进行比较，若在Tx内对标准脉冲计数值为N，则

Tc是晶振经分频后的脉冲周期，大小由“时标选择”开关来选择。

5.3.2误差分析类似测频的误差分析。据误差传递公式，由Tx=NTc可得写成增量形式

1.量化误差因△N＝±1，而N＝Txfc，有注意：量化误差的影响在被测周期Tx小（即频率高）时大，这与测频时刚好相反。

2.晶振误差同测频，为

5.3.2误差分析注意：晶振准确度和稳定性的影响与测频相同。则总误差为

3.周期倍乘为了减小测量误差，可以减小Tc(增大fc)，但这受到实际计数器计数速度的限制。在条件许可的情况下，应尽量使fc增大。另一种方法是把Tx扩大m倍，形成的闸门时间宽度为mTx，以它控制主门开启，实施计数。计数器的计数结果为：由于ΔN=±1，并考虑上式，因此

5.3.2误差分析4.周期倍乘的总误差

5.3.2误差分析5.触发误差：在测量周期时，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，造成所谓触发误差。

5.3.2误差分析式中Un为被测信号上叠加的噪声“振幅值”.当被测信号为正弦波，即ux=Umsinωxt,门控电路触发电平为Up，则

5.3.2误差分析于是转换误差为

4.总误差将量化误差、晶振准确度影响、触发误差按绝对值公式合成总误差：误差曲线：左图所示。其中10Tx和100Tx两条为采用多周测量的误差曲线。

5.3.2误差分析注意：利用电子计数器测周①适于低频（因Tx大，±1误差影响小）；②时标要小（fs大，±1误差影响小）；③采用多周期测量。可减小±1误差影响，还可减小触发误差的影响。对前者，计数N大，±1误差影响就小；对后者，因一个△Tn对应门控输出的一次开启时间，若10个周期则有(△Tn)/10，即有误差（△Tn/10）/Tx，影响就小10倍。此外，提高信噪比（即增大Um/Un），也能减少触发误差的影响。

5.3.3中界频率

1）测量频率误差

2）测量周期误差

5.3.3中界频率

3）“中界频率”是这样定义的：对某信号使用测频法和测周法测量频率，两者引起的误差相等，则该信号的频率定义为中界频率，记为f0。将式中的fx换为中界频率f0，将Tx换为T0再写为1／f0，将Tc写为1/fc，则式可写为解得中界频率为

5.3.3中界频率若进行频率测量时以扩大闸门时间n倍(标准信号周期扩大Tcn倍)来提高频率测量精确度，则在进行周期测量时，以扩大闸门时间k倍(扩大待测信号周期k倍)来提高周期测量精确度，这时式(5.3-5)变为

5.3.3中界频率可得中介频率更一般的定义式，即

【例1】某电子计数器，若可取的最大的T、fc值分别为10s、100MHz，并取k=104,n=102，试确定该仪器可以选择的中界频率f0。

5.4电子计数法测量时间间隔我们讲的时间间隔，指交流信号上任意两点间距离代表的时间。对脉冲波，主要有上升时间、脉宽等。交流信号的周期，实际上也是时间间隔，只是为两周波形上同电位点间的时间间离。原理框图：

B1、B2：两个同特性的独立通道，各自均有触发性极选择和触发电平调节。K：开关，用于选择两个通道输入信号的种类，当K闭合时两个通道输入同一信号。

5.4电子计数法测量时间间隔工作原理：

K闭合：B1、B2输入同一信号。若B1、B2选同极性触发，但触发电平选得不同，则可测上升时间，如（c）图所示；若B1、B2选择同触发电平，但触发极性选得不同，则可测脉冲宽度，如（d）图所示。

K断开：B1、B2分别输入两个信号。调各自的触发极性和电平，可测两个信号上升沿间的时间间隔，如（b）图所示.

5.4电子计数法测量时间间隔5.4.2误差分析

5.4电子计数器测量相位

相位差的测量，前述示波器测量法，虽直观方便，但准确度较低；电子计数器测量法，则准确度较高。

6.4.1电路组成原理框图：通道1、通道2：特性类似过零比较器，在被测信号由负向正通过零点或由正向负通过零点时产生脉冲，加到门控电路。

5.4.1电路组成（续）门控：如“R-S”触发器电路，一个通道来的脉冲使门控输出高电平，而另一通道来的脉冲使之输出低电平。时标信号：包括晶振、分频电路。门控输出高电平期间闸门开启，时标信号通过闸门进入计数器被计数，再译码显示结果。波形图：基本原理：就是时间间隔的测量。即在通道1、通道2输入信号相位差的时间间隔内，用标准脉冲来填充。

5.4.2测量结果

设两信号相位差的时间为，被测信号周期为Tx，时标信号周期为Ts，在内计数器计的时标脉冲为N，则有被测相位差为

1.瞬时值相位计数法一个周期测一次，即有上述结果。注意：①适于测低频信号的相位差。因为时标信号频率是有限的，则测高频信号相位差的准确度就会降低。②测量结果与被测频率有关，需测出被测信号的周期或频率，才会按上式得出结果。

5.4.2测量结果（续）

2.平均值相位计数法

此法是对多个相位差的脉冲计数后再平均。如利用时标使计数器一秒“清零”一次，或再用一闸门开启一秒来对时标脉冲通过闸门输出的脉冲进行累计，则有记数N´=fxN（N为一个相位差内计的脉冲数），因而可见：测量结果与被测频率无关，不需要测被测频率。

5.