示波器的使用课件

第6章频率（时间）与相位测量6.1时频标准及测量方法6.2电子计数器测频率6.3电子计数器测时间6.4电子计数器测相位

自然界中，周期现象普遍。而频率和周期是从不同两个侧面来描述周期现象的，二者互为倒数关系。周期实质上是时间（即时间间隔），而时间是国际单位制中七个基本物理量之一，单位为秒，用s表示。相位与时间也是密切相关的，其关系表述为：式中的表示相位，f和T分别是频率和周期。所以，f、T、三个量可归结为一个量的测量问题。在电子技术领域内，频率是最基本的参数之一，它指单位时间内周期变化或振荡的次数，许多电参数的测量方案及结果都与之密切相关。故频率测量十分重要，且目前频率测量在电测量中精确度最高。6.1时频标准及测量方法6.1.1频段的划分频段划分：

国际上规定30KHz以下为甚低频、超低频，30KHz以上每10倍依次划分为低、中、高、甚高、特高、超高等频段(微波技术按波长划分)。一般电子技术中，20Hz～20KHz内称音频，20Hz～10MHz内称视频，而30KHz～几十GHz内称射频。电子测量技术也有按30KHz（或100KHz）为界来划分，30KHz以下为低频，30KHz以上为高频。6.1.2频率或时间标准（续）微观时标：原子秒原子时（记作AT）：以原子或分子内部能级跃迁所辐射或吸收的电磁波的频率作为基准。铯-133（）原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的9192631770个周期的持续时间为一秒，其准确度可达量级。注意：①原子时稳定，是由原子本身结构及其运动的永恒性决定的。自1972年1月1日零时起，由天文秒改为原子秒，使时间标准由实物基准转变为自然基准。

②电子仪器常采用石英频率标准。原因在于：石英晶体的机械稳定性和热稳定性很高，振荡频率受外界因数的影响较小，因而较稳定；石英频标发展快，六十年来将准确度和稳定度提高了4个数量级；石英晶体振荡器结构简单，制造、维护、使用方便，且准确度能满足大多数测量要求。故，作为一种次级标准，已成为最常用的频标。（时标就是频标）6.1.3频率（时间）测量方法

1.直读法

工程中，常用电动系频率表测量工频信号的频率，并用电动系相位表测量相位。因指针式电工仪表的操作简便、成本低，能满足工程测量的准确度。

2.电路参数测量法

通过测电路参数来测频。电桥法：把被测作交流电桥的电源，调节桥臂参数使电桥平衡，由平衡条件得被测频率。此法误差较大，已很少用。（见第二章）谐振法：将被测作谐振电路的电源，通过改变电路参数使电路谐振，由电路参数可得被测频率。两种方法都可在所调节的电路参数上直接按频率刻度，测量时可直接读出结果。6.1.3频率（时间）测量方法（续）

3.示波器法

（1）直接测量法方法：扫描微调置“校正”位，调“时基开关”（即扫描速度），使屏上显示适中稳定的波形，由屏上读得的一个周期的距离（单位cm）和时基开关档位（单位s/cm）可得：式中T为被测周期（单位s），S为扫描速度（单位s/cm）。若使用“X扩展”，则应除以扩展系数。被测信号频率为：（6-3）6.1.3频率（时间）测量方法（续）

（4）相位测量

a.单踪示波器法将被测二信号先后接入Y输入进行显示，记住第一个输入信号显示时的位置，则显示第二个输入信号时就可读出相位差对应的距离，同时再读出信号一个周期的距离，则被测结果为：此法可测三相交流信号的相序。此法较为费时，操作也相对复杂。

b.双踪示波器法双踪或双线示波器测信号的相位差非常方便（见第四章）。

c.李沙育图形法示波器工作在“X－Y”方式，据屏上显示的椭圆度来求二信号的相位差。6.1.3频率（时间）测量方法（续）4.F/V变换测量法

方法：将被测f经“F/V”变换成电压，然后用电压表测量电压值来反映被测频率。（也有“F/I”转换成电流的）优点：在于可连续监测被测频率的变化。采用“F/V”集成电路做成的测频仪，最高可测几兆赫的频率。（可采用“T/V”变换来测信号的周期，再得频率）

5.比较法

将被测频率与标准已知频率进行比较来得测量结果。

（1）拍频法原理电路（见右）6.1.3频率（时间）测量方法（续）将被测与标准频率信号通过线性电路进行迭加，然后把迭加结果在示波器上观察波形（或者送入耳机进行监听）。当fx＝fs时，线性迭加的振幅恒定；若fx≠fs，迭加的振幅是变化的。适于测低频，且被测与标准信号波形应相同，目前很少应用。

(2)差频法原理电路：将被测与标准信号送入非线性电路进行混频，然后再用示波器等来监测。混频结果中有fo＝fx－fs，若fx＝fs，则fo＝0，输出直流，示波器易观测。6.2电子计数器测频率电子计数器不但能测频率，还能测周期、相位差等，故称为“通用计数器”。6.2.1测频基本原理频率的定义：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：6.2.2电子计数器测频的组成框图组成框图：各电路：放大整形：放大是对小信号，整形是将各种被测波形整形成脉冲（如采用施密特电路）。晶振：石英晶体振荡器，产生频率非常稳定的脉冲信号。通常是1MHz或5MHz，稳定度达～数量量级。6.2.2电子计数器测频的组成框图（续）分频器：即为计数器，每输入十个脉冲才输出一个脉冲。多次分频可获得不同的时间基准（或时标信号）。门控：双稳电路，提高分频信号的前沿陡度，使时基准确。主闸门：有与门电路一样的功能，只有在门控信号作用下才能开启，即在门控信号高电平期间脉冲通过闸门进入计数器被计数。此外，还有计数、译码、显示等电路。6.2.3频率测量原理工作过程：被测信号经放大整形后送入闸门；晶振信号经分频得时间基准送门控电路，门控电路在所选时间基准内输出高电平，从而打开主闸门；在主闸门打开期间，被测信号整形后的脉冲通过主闸门进入计数器被计数；然后再译码和显示。6.2.4误差分析

据误差传递公式，测频的误差为最大误差

误差有两部分，第一项是计数相对误差；第二项是主闸门开启时间误差，取决于晶振的准确度。

1.计数误差计数误差也叫量化误差或±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。6.2.4误差分析（续）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。波形图中，Ts与8Tx相当，无论t1时刻是提前还是推迟均计数脉冲N=8。对图示t1时刻，若Ts约小于8Tx，则计数脉冲N=7（即前后两个脉冲不被计入）；若Ts约大于8Tx，则计数脉冲N=9（即前后两个脉冲被计入）。所以，dN=±1，量化误差的相对误差为6.2.4误差分析（续）注意：①与fxTs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。

2.标准频率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fc，分频系数为K，则Ts=KTc=K/fc，其误差为：6.2.5频率比测量指测量两个被测信号频率的比。原理框图：与测频率框图比，除晶振电路被另一输入电路所代替外，其余均相同。工作原理：类似测频，只是控制闸门的不是标准信号，而是被测信号而已。当K置“1T”时，若计数器计N个A信号脉冲，则有TB=NTA，即当K置其它位(设周期倍率为m)，则同理有mTB=NTA，即注意：当fA/fB不变，则倍率m大，计数N值也大，其±1量化误差影响减小。应用，调试数字电路（如计数器、分频器、倍频器等）。6.2.6脉冲累计测量指在一较长时间内对脉冲次数的累计，具有统计性质的测量。原理框图：注意：类似测频，只是闸门开启时间较长，由人工手动使门控翻转来打开和关闭闸门进行计数。

综上三种测量，原理类似，只是门控输入信号不同：测频是石英晶体振荡器产生的标准作时标，测频率比是以被信号之一作时标，脉冲累计是人工给时标。6.3电子计数器测时间

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。6.3.1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：6.3.1电子计数器测周期的基本原理（续）注意：采用周期倍率是为了增大主闸门的开启时间，使N´值大，减小量化误差影响。因为显示数字位数是一定的，则被测周期小（频率高）时，周期倍率就要选大，而时标就要选小；相反，被测周期大（频率低），周期倍率就要选小，而时标就要选大一些。可见，采用周期倍率和时标，是为了扩展测量范围的。6.3.2误差分析类似测频的误差分析。据误差传递公式，由Tx=NTs可得写成增量形式

1.量化误差因△N＝±1，而N＝Txfs，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

6.3.2误差分析（续）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.转换误差（或触发误差）被测信号受干扰时（如尖脉冲Un），门控电路提前在A´触发，使门控输出开启闸门信号时间为Tx´，产生ΔT1转换误差。近似分析，利用（b）图来计算ΔT1。图中ab为正弦波上A点的切线，其斜率为：6.3.2误差分析（续）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。6.3.2误差分析（续）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。6.3.3时间间隔的测量我们讲的时间间隔，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。6.3.3时间间隔的测量（续）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.6.4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。6.4.1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