《电子测量技术》课件-第6章

第6章频率与时间测量6.1频率与时间测量的特点与方法6.2通用电子计数器6.3等精度时间/频率测量6.4EE3376型可程控通用计数器简介

6.1频率与时间测量的特点与方法

6.1.1频率与时间测量的特点频率(Frequency)是指周期性信号在单位时间(1s)内变化的次数,其单位是Hz。周期则是指出现相同现象的最小时间间隔。

与其他各种物理测量相比,频率与时间测量具有如下特点:

(1)时频测量具有动态性质。

(2)测量精度高。

(3)测量范围广。

(4)频率信息的传输和处理比较容易。

6.1.2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(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0.5~1500MHz。

(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量高达3000MHz的微弱信号的频率,测频精确度为10-6左右。

(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行测频。这种方法的测量频率范围可以从音频到高频信号。

(4)电子计数器法:直接计量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。这种方法的测量精确度高、速度快,可满足不同频率、不同精确度测频的需要。

以上四种方法中前三种可归结为模拟测频方法,而最后一种属于数字测频方法。目前,主要采用的是数字测频法,也就是电子计数器测频法。

6.1.3电子计数器测频法原理

计数是电子计数器最基本的功能。尽管电子计数器的种类很多,但其基本的工作原理可用图6.1所示的简化方框图加以说明。

图6.1电子计数器简化方框图

图6.1中标注“主门”的方框,就是脉冲电路中所介绍的“门电路”的一种,“1”和“2”分别表示主门的两个输入端。设由“1”端输入待计数脉冲,其周期为TA,由“2”端输入开门时间控制脉冲信号(闸门信号),其宽度为TB。因而,当把周期为TA的脉冲信号由“1”端加入后,假设在闸门信号的上升沿主门打开,计数器对输入脉冲信号进行累加计数,在闸门信号的下降沿主门关闭,计数器停止计数,显然计数器所计之数N为

此结果经显示电路以数字形式显示出来。

6.2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(如测量频率、周期、频率比等)。(2)测量范围:仪器的有效测量范围。在测频和测周期时,测量范围不同。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。

(3)输入特性:通用电子计数器一般由2~3个输入通道组成,需分别指出各个通道的特性,包括以下几个方面:

·输入耦合方式:有AC和DC两种耦合方式。在低频和脉冲信号计数时宜采用DC耦合方式。

·输入灵敏度:指在仪器正常工作时输入的最小电压。例如,通用计数器A输入通道的灵敏度一般为10~100mV。

·最高输入电压:即允许输入的最大电压。超过最高输入电压后仪器不能正常工作,甚至会损坏。

·输入阻抗:包括输入电阻和输入电容。输入阻抗通常分为高阻(1MΩ)和低阻(50Ω)两种。

(4)测量准确度:常用测量误差来表示,主要由时基误差和计数误差决定。时基误差由内部晶体振荡器的稳定度确定。频率计的时基通常是精确控制的晶体振荡器,它经分频后产生需要的频率。因此,计时精度完全由晶体振荡器的稳定度和精度来决定。因为这种振荡器的工作频率只有一个,所以通过设计可使它的频率极其稳定。

表6.1概括了三类振荡器的频率稳定度。

(5)闸门时间和时标:由机内时标信号源所能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。

·显示位数:可显示的数字位数,如常见的8位。

·显示时间:两次测量之间显示结果的时间,一般是可调的。

·显示方式:有记忆和不记忆两种显示方式。

(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通用电子计数器的测量功能

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6.2所示。

设开门时间为T,在时间T内,从主门通过的脉冲个数为N,则被测信号的频率fx为

图6.2频率测量的原理框图

当然,在测量中并非一定要选闸门时间为1s,也可以选择其他时间,如0.1s、10s等。不论闸门时间怎样选择,对于同一被测信号,其测量结果应是相同的。在测量过程中不需要对测量结果进行折算,当我们选择不同的闸门时间时,显示电路则自动按所选时间移动小数点。例如,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6.2。

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6.3所示。

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个时标脉冲通过主门,则被测信号的周期为

图6.3周期测量的原理框图

在实际测量中,如果被测信号周期较短,则为了减小测量误差,常采用多周期测量法来读取输入信号的周期的平均值。这种方法将被测信号的周期扩大10n倍,这样在开门时间内计数器所计脉冲的个数也相应增多了,将最终计数器的计数值除以10n,便可得到一个周期的周期测量值。它实际上是多个被测周期的平均值,即

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6.4所示。

时标信号作为计数脉冲,B通道输入的信号作为主门的开门信号,当主门打开时,时标脉冲通过主门进入计数显示电路;C通道输入的信号作为主门的关门信号。若计数器在

主门打开时间内计得脉冲个数为N,则B和C两脉冲信号之间的时间间隔为

图6.4时间间隔测量的原理框图

为增强测量的灵活性,在B、C两通道内分别设有极性选择开关和电平调节电位器,通过触发电平的选择,可以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6.5所示。

图6.5输入信号任意两点间的时间间隔测量示意图

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。相位差测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6.6所示,通过测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。

图6.6瞬时值数字相位差测量原理框图

当被测信号u1、u2由负变正通过零点时,分别由过零比较器1和2产生脉冲信号u'1、u'2。设u'1超前于u'2,则u'1、u'2分别作为门控电路的开启信号、关闭信号,使门控电路产生门控信号u3。u3的脉宽与两个信号的相位差相对应。在u3脉宽期间,打开计数门,时标信号则经由计数门至计数显示电路,得到对应的相位差数值。其工作波形如图6.7所示。图6.7瞬时值数字相位差测量工作波形

5.频率比测量

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6.8所示。图6.8频率比测量原理框图

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6.9所示。图6.9累加计数和计时的原理框图

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。自校的目的: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6.10所示。

图6.10电子计数器的自校原理框图

6.2.3通用电子计数器的基本组成

通用电子计数器一般由六大部分组成,如图6.11所示。图6.11通用电子计数器的基本组成框图

1.输入通道

通用计数器的输入电路一般包含A、B、C三个输入通道(图6.11中只画出A、B两个通道,因此在测量时间间隔时需配时间间隔测量插件——通道C),其中A为主通道,频带较宽;B、C主要在测量周期、频率比以及时间间隔时使用,称为辅助通道。

2.计数器

计数器由触发器构成,对来自主门的脉冲信号进行计数。

3.显示器

显示器将累计的结果以十进制数字的形式显示出来。它包括译码和显示电路。

4.时间基准电路

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.主门及控制电路

控制电路一般由双稳电路、单稳电路等构成,它包括门控电路,工作方式选择电路,记忆、显示时间和复原控制电路等。

6.电源

电源部分包括整机电源电路、晶体振荡器和恒温槽电源电路。

6.2.4通用电子计数器的测量误差

1.测量误差的来源

电子计数器的测量误差来源主要包括量化误差、触发误差和标准频率误差。

1)量化误差

量化误差是在将模拟量转换为数字量的量化过程中产生的误差,是数字化仪器所特有的误差,是不可能消除的误差。对于电子计数器而言,它是由于电子计数器闸门的开启与输入被测脉冲在时间上的不确定性(即相位随机性)而产生的误差。如图6.12所示

图6.12量化误差的形成

量化误差的特点是无论计数值N为多少,每次的计数值总是相差±1,因此量化误差又称为±1误差或±1字误差。又因为量化误差是在十进制计数器的计数过程中产生的,故又称为计数误差。

量化误差的相对误差为

2)触发误差

触发误差又称为转换误差。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,由此而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。

施密特电路具有上、下两个触发电平,即具有回差特性。被测信号进入输入通道放大后,加至施密特触发器。如果不存在干扰信号和噪声,则它在信号的同一相位点上触发,施密特电路输出规则的矩形波,如图6.13(a)所示。

图6.13噪声和干扰产生的触发误差

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,晶振信号用来产生门控信号(即时基信号),标准频率误差称为时基误差;测周期时,晶振信号用来产生时标信号,标准频率误差称为时标误差。由于电子计数器中对晶振都采取了较好的稳频措施,其稳定度很高,与量化误差和触发误差相比,标准频率误差要小得多,故可不考虑其影响。

2.测量误差分析与提高测量精度的方法

1)测频误差

通过前面的介绍,测频量化误差可用下式表示:

式中:fx为被测信号的频率;Ts为闸门时间。

2)测周误差

测周误差包括测周量化误差和测周触发误差。

(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

式中:fc

为时标信号的频率;Tx为被测信号的周期。

(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:

式中:ΔTn/Tx为干扰所引起的主门开启时间误差;m为B通道中分频器的分频系数;M为输入信号信噪比。

3)中界频率的确定

通过上述分析可以知道直接测频与测周法测频的相对误差是不一样的。被测信号频率越高,用电子计数器直接测量频率的误差就越小;反之,被测信号频率越低(周期Tx越大),用电子计数器测量周期的误差就越小。

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:

4)多周期测量

为提高周期测量的精度,多周期测量法是非常有效的方法。它是指在测量被测信号的周期时,时间间隔的起点在一个信号点上取出,终点在其若干个周期后的信号点上取出。由于采用多周期测量,两相邻周期因转换产生的误差互相抵消,最后剩下的只有第一个和最后一个的转换误差。

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。

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平均技术,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。

6.3.1等精度测量原理

等精度时间/频率测量是新一代的测量时间/频率的方法,由于采用微处理器技术,因而可取得较高的分辨力。该方法采用倒数测量技术,保证了在同一闸门时间内对不同频率信号的等精度测量。

实现等精度时间/频率测量的仪器是等精度计数器。

图6.14示出了等精度测量原理。

图6.14等精度测量原理

图6.15是等精度测量的逻辑时序图。

图6.15等精度测量逻辑时序图

当时钟脉冲频率f0选为100MHz时,对1s闸门时间测量的分辨力恒为10-8,如图6.16所示。图6.161s闸门时间测量分辨力示意图

6.3.2时间间隔平均测量原理

时间间隔测量时序图如图6.17所示。图6.17时间间隔测量时序图

6.4EE3376型可程控通用计数器简介

6.4.1EE3376型可程控通用计数器原理图6.18示出了EE3376型可程控通用计数器的原理框图。

图6.18EE3376型可程控通用计数器逻辑原理框图

图6.18EE3376型可程控通用计数器逻辑原理框图

1.A、B输入通道

A通道中输入保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,其作用是过压保护、阻抗变换及电平移位。放大整形电路由三级组成,其中第一级是差分放大器,后两级组成整形器。极性控制电路采用MC10102的“线或”结构,触发电平指示电路采用由E/T转换器MC10125组成的脉冲展宽器来实现。

B通道同A通道。整个输入电路基本上能满足用户对测量的不同要求。它包括AC/DC耦合电路、×1/×10衰减电路、正负极性选择电