时间与频率测量技术

第5章时间与频率测量技术
?频段的划分及常用测频方法 ?电子计数器的功能 ?电子计数器的测量原理 ?电子计数器的测量误差 ?电子计数器的应用

5.1 概述
在相等时间间隔重复发生的任何现象，都
称为周期现象。频率是描述周期现象的重要物理量，他表征单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数，用相应周期的倒数表示，单位为HZ（赫

兹）。周期为1S的周期现象的频率为1HZ。

通常用f 来表示频率，用T来表示周期，则两者之间的关系可以表示成：f = 1/T ，即频率和周期是从不同的侧面来描述周期现象的，二者互为倒数关系，只要测得一个量就可以换算

出另一个量。

5.2 频段的划分及常用测频方法
?国际上规定30kHz以下为甚低频、超低频段， 30kHz以上每10倍频程依次划分为低、中、高、甚高、特高、超高等频段。
? 音频:20Hz～20kHz ? 视频:20Hz～10MHz ? 射频:30kHz～几十GHz

?在电子测量技术中，常以30kHz为界，其以下称为低频测量，其以上称为高频测量；还有一种划分方法是：以100kHz（或1MHz）为界，其以下称为低频测量，其以上称为高频测量。一般，正弦波信号发生器是以后一种划分的。

测量频率方法

?无源测频法：利用电路的频率响应特性来测量频率的方法。
? 无源测频法又分为谐振法和电桥法两种。 ? 谐振法用LC谐振回路，调节电容使其谐振频率与被测信号频率相同时，回路电流最大，通过电表指示其频率值。这种方法多用于高频频段的测量。 ? 电桥法因调节不便，误差较大，已少使用。

?有源比较测频法：将被测频率与一个标准有源信号相比较的测量方法。
? 常用的有源比较测频法有拍频法、差频法和示波器测量法。 ? 示波器法有两种测频方法，李萨育图形法和测周期法。前者当频率比较高时，示波器显示的波形难以稳定，所以该方法适用于低频测量。由于调节不便，已很少使用。用宽频带示波器通过测量周期的方法获得被测信号的频率值，虽然误差较大，但对于要求不太高的场合是比较方便的。

?计数法：利用电子计数器测量频率的方法。
? 实质上，这种方法仍然属于有源比较测频法，计数法中最常用、最广泛使用的测频方法是电子计数器测频法。 ? 电子计数器测频法是利用电子计数器显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量，这是目前最好的测频方法。
本章重点介绍电子计数器测量频率和周期的方法。

5.3 电子计数器的功能

作用是接受被测信号，并对它进行放大和整形，然后送入主门(闸门)。整形常由施密特电路完成。 A通道用于传输被计数的

信号，B、 C通道传输闸门信号。

标准时间信号由石英振荡器提供，作为电子计数器的内部时间基准。

产生各种控制信号，用于控制电子计数器各单元电路的工作。控制电路由若干门电路和触发器组成的时序逻辑电路构成

电子计数器的基本组成

电子计数器的主要技术指标

?测试性能仪器所具备的测试功能，如测量频率、周期等。 ?测量范围仪器在不同功能下的有效测量范围。对于不同的功能，其含义是不同的。如测频时，被测信号的频率范围，一般用频率的上、下限值表示；而在测周时，测量范围常用周期的最大、最小值表示。 ?输入特性电子计数器一般有2～3个输入通道，测试不同参数时，被测信号要经不同的通道输入仪器。输入特性表明电子计数器与被测信号源相连的一组特性参数，需分别指出各个通道的特性。

输入特性
? 输入耦合方式有AC和DC两种方式，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，如通用电子计数器，A输入通道的灵敏度一般为10～100mV。 ? 最高输入电压指仪器所能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。A输入通道分为高阻(1MΩ／25pF)和低阻(50Ω)两种。

?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。根据测频和测周的范围不同，可提供的闸门时间和时标信号有多种。 ?显示及工作方式
? 显示位数可显示的数字位数。 ? 显示时间两次测量之间显示结果的时间，一般是可调的。 ? 显示器件标明所用显示器的类型。 ? 显示方式有记忆和非记忆两种显示方式。记忆显示方式只显示最终计数的结果，不显示正在计数的过程；非记忆显示方式，能对计数过程的值逐个显示出来。

?输出仪器可输出的时标信号种类、输出数码的编码方式及输出电平。

时基信号产生与变换单元
晶体振荡器产生 1 MHz的时间基准信号，经分频、倍频，形成从10 MHz到 0.1 Hz以10为系列递降的一系列不同频率的机内标准时间信号。

时基电路示意图

5.4 电子计数器的测量原理

电子计数器测量原理图示

5.4.1 测量频率 ?频率：周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数，即
N f ? T
? T——单位时间； ? N——周期性现象的重复次数。

?被测信号经放大、整形后，形成重复频率等于被测信号频率 fx 的计数脉冲，把它加至闸门的一个输人端。门控电路将时基信号变换为控制闸门的开启的门控信号。只有在闸门开通时间T内，被计数的脉冲才能通过闸门

，并由十进制电子计数器对计数脉冲计数，设计数值为N，则 N ? T / T 。 x 即被测信号的频率为
N N fx ? ? T k f Ts

? T是门控时间（闸门时间），门控信号由晶振分频而来 ? Kf是分频器的分频系数； ? fs、Ts分别为晶振的频率和周期。

图5-4 电子计数器测频原理

5.4.2 量化误差
? 将模拟量转换为数字量（量化）时所产生的误差叫量化误差，也叫1误差或1个字误差。它是数字化仪器所特有的误差。量化误差是由于门控信号起始时间与被测脉冲列之间相位关系的随机性而引起的。量化的最小单位是数码的一个字，即量化的结果只能取整数，其尾数或者被抹去，或者凑整为1，因此计数值也必然是整数。

? 1误差的形成

5.3.3 电子计数器的测周功能
当fx较低时，利用计数器直接测频，l 误差将会大到不可允许的程度。所以，为了提高测量低频时的准确度，可改成先测量周期，然后计算 fx =1/Tx。

测量周期的原理方框图

?被测信号经B输入通道整形，使其转换成相应的矩形波，加到门控电路，控制主门的开闭，主门导通的时间就正好等于被测信号的周期。晶振经分频后产生的时标脉冲同时送至主门的另一输入端，在主门开启的时间内对输入的时标脉冲计数，若计数值为N，测被测信号周期Tx（Tx＞Ts）为
? Ts是时标脉冲的周期，它由晶振分频而得到。

Tx ? NTs

?例如，当Tx=10 ms时，则主门打开10 ms；若选择时标为Ts=1us，则计数器计得的脉冲数N=10 000个；若以ms为单位,则计数器显示器上可读得 10.000（ms）。

5.4.4 电子计数器的其他功能
?通用电子计数器还可测量两个被测信号频率的比值。测量时，两个被比较的信号（设 fA>fB ）分别加至 A、B输入通道。频率较低的信号fB加至B输入通道，经放大、整形后用作门控电路的触发信号，频率较高的fA加至A输入通道，经整形后变成重复频率与fA相等的计数脉冲。主门的开通时间为 TB=1/fb， ?在该时间内对频率为fa的信号进行计数，可得
TB fA N? ? TA fB

频率比测量

频率比测量原理图

为了提高测量准确度，还可将频率较低的信号的周期扩大，即将信号经分频器后再加至门控电路。当主门的开启时间增大后，计数值随之增大，但由于显示器可进行小数点自动移位，显示的比值N不变。

累加计数

累加计数的方框图

累加计数是指在限定的时间内，对输入的计数脉冲进行累加。测量原理和测量频率是相同的，不过这时门控电路改为人工控制。待计数脉冲经A通道输入，这时计数值就是累加计数。

5.5 电子计数器的测量误差
5.5.1 电子计数器测量误差的分类
?量化误差
? 由于用于计数的时

标脉冲与控制主门的被测周期不同步所引起的误差。

?触发误差
? 测周期时，被测信号经放大、整形，转换为门控信号。转换过程中存在着各种干扰和噪声的影响，以及利用施密特电路进行转换时，触发电平本身也可能产生抖动，从而引入的误差

?标准频率误差
? 晶体振荡器不稳定将引起的误差

被测信号叠加了干扰，且干扰较大，被测信号的一个周期内使信号电平多次在触发电平之间摆动，从而产生多个脉冲，即产生额外触发。

被测信号叠加了干扰，但干扰不大，在信号的一个周期内，仍只输出一个脉冲。

5.5.2 测量频率误差分析
误差的计算

?频率测量在正常测量时触发误差可不考虑，因此频率测量误差可认为是由量化误差和晶振误差两个因素引起。 ?根据误差的合成公式，可求得测频误差△fx 为
?f x ?N ?T ? ? fx N T

?由于门控信号是由晶振分频得到的，与晶振的频率稳定度直接相关。考虑到门控信号宽度 T=kfTs，Ts=1/f，则上式可改写为
?f x ? 1 ? ?f s ? 1 ?f s ? ? ? ? fx N fs Tf x fs

? 通常，要求标准频率的准确度比量化误差的影响小一个数量级。因此，晶振频率准确度的影响可以忽略掉，即
?f x 1 ?? fx Tf x

?例若被测信号频率=1 MHz，计算当闸门时间T= l ms和1s时，由正负1误差产生的测频误差。 ?解：当T = 1 ms时：
?f x 1 1 1 1 1 ?3 ?? ?? ? ? 10 ? f ? ? f ? ? ? ? ? ?1kHz x x fx Tf x 1 ? 10?3 ? 1 ? 106 Tf x T 1 ? 10?3

?同理，当T = 1 s时：
?f x ? ?10?6 fx

?f x ? ?1Hz

减小误差的方法
?测频时，绝对误差只与量化单位有关，而与被测频率无关。为了减小量化误差，应增加计数时间T。可通过增加晶振的分频系数kf的方法来增大计数时间T。但是，测频的相对误差与被测频率的大小有关,T一定， kf越大时，计数值N越大，误差就越小。对被测信号频率倍频m倍，计数值可增大m倍。因此，要提高测频的准确度，应减小量化单位，并增加被测频率的大小。