电子测量技术高职高专.ppt

书名 电子测量技术ISBN 7 111 15627 7作者 孟凤果出版社 机械工业出版社本书配有电子课件 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 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 5 1频段的划分及常用测频方法 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 测量频率方法 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 2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 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 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 电子计数器的基本组成 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 电子计数器的主要技术指标 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 1M 25pF 和低阻 50 两种 输入特性 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1MHz的时间基准信号 经分频 倍频 形成从10MHz到0 1Hz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 3电子计数器的测量原理 电子计数器测量原理图示 频率 周期性信号在单位时间 1s 内变化的次数 即T 单位时间 N 周期性现象的重复次数 5 3 1测量频率 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 即被测信号的频率为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 电子计数器测频原理 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 电子计数器测频率或时间 实质上是一个量化过程 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 5 3 2量化误差 1误差的形成 5 3 3电子计数器的测周功能 测量周期的原理方框图 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 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 例如 当Tx 10ms时 则主门打开10ms 若选择时标为Ts 1us 则计数器计得的脉冲数N 10000个 若以ms为单位 则计数器显示器上可读得10 000 ms 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 5 3 4电子计数器的其他功能 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 累加计数的方框图 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 5 4电子计数器的测量误差 5 4 1电子计数器测量误差的分类 干扰信号的信噪比较高时 触发误差忽略不计 干扰较大 而产生额外触发情况 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 5 4 2测量频率误差分析 误差的计算 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 例若被测信号频率 1MHz 计算当闸门时间T lms和1s时 由正负1误差产生的测频误差 解 当T 1ms时 同理 当T 1s时 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 减小误差的方法 结合误差合成公式 可求得测周的误差为当不考虑晶振的影响时 则有当仅考虑计数器本身的测量误差时 如果较低 应采用测周法 较高时 应采用测频法 5 4 3测量周期的误差分析 对于同一被测频率 直接利用电子计数器测频功能和测周功能分别测量时 都存在量化误差 而且 当频率较高时宜用测频功能 当频率较低是宜用测周功能 显然 存在着某一个频率 它使测频和测周的误差相等 这个频率就是中界频率 记为fz 在不考虑触发误差的条件下 则有若将测频时的闸门时间扩大n倍 测周时的被测周期扩大m倍 则 5 5 4中界频率的确定 5 5电子计数器的应用 5 5 1提高测频性能的方法 多周期同步测量法 取样门控时间 是由计算机控制产生 在其控制下 同时打开主门A和主门B 使计数器A B工作 实际计数的时间由同步门控决定 它是被测信号周期的整数倍 计数器A计得被测信号周期Na 计数器B计得时标信号周期个数Nb 经计算机运算 得到被测频率在采样时间内的平均值 在显示器上显示 E434BI是一种采用大规模集成电路的电子计数式测量仪器 能在预定的标准时间内 累计待测输入信号来进行频率测量 灵敏度高 能够检测微弱信号 有九位高亮度LED记忆显示 读数方便 清晰 小数点自动定位 5 5 2E434BI型频率计数器简介 E434BI型频率计数器原理方框图 主机测量单元直接计数频率为10MHz 输入信号频率大于10MHz时 机内的自动量程转换电路将被测信号经预定标分频器除10后送入主机测量 此时主机采取了右移小数点的方法 以保证读数与实际频率一致 输入通道对输入信号进行放大整形 输出ECL电平直接与预定标分频器配接 输入频率范围1Hz 100MHz 主机测量单元由计数器 寄存器 时基电路 逻辑控制等组成 显示译码驱动电路直接驱动LED显示数码管 以扫描方式显示测量结果 由小型温补晶振器产生10MHz标准信号 工作原理 测频范围1Hz 100MHz 输入方式AC 波形方式正弦波 脉冲波 测量单位kHz 灵敏度30mV Urms 10mV 衰减范围 1 20 闸门时间0 1s 1s 10s 晶体振荡器的标准频率10MHz 技术指标 开启电源按键开关掀下为机内直流电接通 仪器即可正常工作 选择闸门时间0 1s 瞬时频率 1s 1s内平均频率 10s 10s内平均频率 滤波器选择键 当被测频率 100MHz时 被测信号功率大 噪声大 可将此键按下 释放时为正常测试 衰减选择键 1 不衰减 20 被测信号衰减20倍 LED数码显示九位LED数码管显示测试结果 小数点自动定位 显示单位为kHz 使用方法 在电子技术领域内频率和周期是周期性信号最基本的参数 频率测量的准确度也最高 按信号不同频率值可进行不同频段的划分 常用的测频方法有 无源测频法 有源测频法和计数测频法 但最常用的是计数法 电子计数器主要技术指标有 测试性能 测量范围 输入特性 输入灵敏度 闸门时间和时标等 本章小结 电子计数器具有多种测量功能 测频 测周和测频比等等 电子计数器的测量误差有 量化误差 触发误差和标准频率误差 减小它们的方法分别是增大计数值 提高信噪比和选用高稳定度的标准频率 使测频和测量误差相等的那个频率叫中界频率 应用电子计数器测量时 选用合适的测量功能 采用多周期测量法 可以提高测量的精度 1 为什么说电子计数器是一切数字式仪器的基础 2 用7位电子计数器测量fx 5MHZ的信号频率 当闸门时间置于1s 0 1s 10ms时 试分别计算由于误差而引起的测频误差 3 某电子计数器晶振频率误差为 若后利用该计数器将10MHz晶振校准到 问闸门时间应选为多少方能满足要求 练习题 4 用计数器测频率 已知闸门时间和计数值N如下表所示 求各种情况下的fx 5 用多周期法测周期 已知被测信号重复周期为50 s时 计数值为100000 内部时标信号频率为1MHz 若采用同一周期倍乘和同一时标信号去测量另一未知信号 已知计数值为15000 求未知信号的周期 6 欲测量一个标称频率的石英振荡器 要求测量准确度优于 在下列几种方案中哪一种是正确的 为什么 1 选用E312型通用计数器 闸门时间 置于1s 2 选用E323型通用计数器 闸门时间 置于1s 3 计数器型号同上 闸门时间 位于10s 7 利用计数器测频 已知内部晶报频率fs 1MHz 被测频率fx 100Hz 若要求 1 误差对测频的影响比标准频率误差低一个量级 即为 则闸门时间应取多大 若被测频率fx 1MHz 且闸门时间保持不变 上述要求能否满足