{电子公司企业管理}电子仪器测量第4章时频测量

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1、第四章 时频测量,本章所研究的问题:,(一),(二)误差分析?,(四)通用仪器简介,(五)仪器的升级或改进,1、关系? 2、仪器? 3、实现测量的原理?,(三)实现周期、频率测量的方案选择?,(一)问题: 1、时频关系,“周期”是指同一事件重复出现的时间, 如T。,“频率”是单位时间(1秒)内周期性事 件重复的次数,单位是赫兹Hz。,电子表走时是否准确取决于 石英晶体作振荡器设石英晶 体振荡器日频率稳定度为10-6,则日误差:,(一)问题 2、仪器,(一)问题 3、实现测量的原理,1.基本原理,根据频率的定义,若某一信号在T秒时间内重复变化了N次,则 该信号的频率为:,(4.2),门电路复习:

2、,同理“或”门、与非、或非门等也有类似功能。,由图可见:,因此,实现了测频原理:“定时计数”,实质:比较法,重点掌握,2组成框图,图4.4是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。,1)时基(T)电路,两个特点:,(1)标准性 闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上,故 通常晶振频率稳定度要求达10-610-10。(恒温糟),(2)多值性 闸门时间T不一定为1秒,应让用户根据测频精度和 速度的不同要求自由选择。例如:,1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10 ms 0.1s、 1s、 10s 等。,门控(双稳)电路:,2)输入电路,由放大整形电路和主门电路组成

3、。,被测输入周期信号(频率为fx, 周期为Tx)经放大、整形、微分 得周期Tx的窄脉冲,送主门的一 个输入端。,3)计数显示电路,这部分电路的作用,简单地说,就是 计数被测周期信号重复的次数,显示 被测信号的频率。它一般由计数电路、 逻辑控制电路、译码器和显示器组成。,4)控制电路,控制电路的作用是产生各种控制信号, 去控制各电路单元的工作,使整机按 一定的工作程序完成自动测量的任务。 在控制电路的统一指挥下,电子计数 器的工作按照“复零一测量显示”的 程序自动地进行,其工作流程如图4.6 所示。,4.3 电子计数法测量时间,本节介绍时间量的测量主要是指与频率对应的周期、相位及时 间间隔等时间

4、参数,重点讨论周期的测量。,4.3.1.电子计数法测量周期的原理,由右图可得,4.4 误差分析计算,由第二章误差传递公式(2.43),可对式(4.2),求得,(4.3),计数误差,时基误差,1.量化误差计数误差、1误差,在测频时,主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相 关的,即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样,既 便在相同的主门开启时间T,计数器所计得的数却不一定相同。 可能多1个或少1个的1误差,这是频率量化时带来的误差故 称量化误差,又称脉冲计数误差或1误差。,图4.7 量化误差,T,(a),(1),(2),黑门进8个脉冲,红门进7个脉冲,误差合成定理,2.闸门时间误差(时

5、基误差、标准时间误差),闸门时间不准,造成主门启闭时间或长或短,显然要产生测 频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc (周期为Tc),则有,=110-7110-10,4.2.3. 结论,1.计数器直接测频的误差 主要有两项,即1误差和标准频率误 差一般总误差可采用分项 误差绝对值合成,即,(4.9),2.测量低频时,由于1误 差产生的测频误差大得惊人,例如,fx= 10Hz,T=1s,则由1误差引起的测频误差可达10, 所以,测量低频时不宜采用直接测频方法。,4.3.2. 电子计数器测量周期的误差分析,1.量化误差和基准频率误差,与分析电子计数器测频时的误差类似,这里,,根据

6、,误差传递公式可得,(4.11),根据图4.10所示的测周原理,由式(4.10)可得,而N=1,(4.12),4.3.3 中界频率,研究量化误差(1误差)对测频和测周的影响。,测频、测周误差相等的频率称为中界频率。,将(4.6)和(4.12)式中,量化误差表达式联立可得,式中,,为中界频率,,为标准频率,T为闸门时间。,图4.14中给出了不同闸门时间:0.1s、1s、10s和不同标准频 率:10MHz、100MHz、1000MHz三种情况的交叉曲线。现以 T=1s,,=100MHz为例,可查知,=10kHz。,因此,当,宜测频;,当,,宜测周。,这给使用带来不便,要查知所用状态下的中界频率,是

7、当前 通用计数器的缺点,下面将介绍采用双路计数器的方法, 对测频或测周都能实现等精度测量。,例:某计数式频率计,测频闸门时间为1s, 测周期时倍乘最大为10000, 时基最高频率为10MHz,求中界频率。,4.3.4 时间间隔的测量,1.基本原理,触发电平、触发极性可调,2.相位测量,相位差的测量,见图4.16。,则,对应的相位可以计得,测相位要求两信号:同频 同幅,3.脉冲时间参数测量,4.4 通用计数器,4.4.1 概述,电子计数器问世于五十年代初期,它是出现最早、发展最快的 类数字式仪器。今天的电子计数器与其初期相比,面貌已焕 然一新。,4.4.2 通用计数器的功能,通用计数器系列产品很

8、多,但大多都具有:测量频率、周期、多周期平均、时间间隔、自检、频率比、累加计数、计时等功能。这些功能在前面大多已介绍,这里仅对自检、频率比、累加计数等进行补充说明。,1.自检,这里有自检的方便条件,仪器自检的重要性(如测自装振荡器的频率),实际原理框图:,2.频率比(AB)的测量,频率比AB是加于A、B两路的信号源的频率比值。根据频率 和周期的测量原理,,3.累加计数(计数A的测量),累加计数是在一定的时间内(通常是比较长的时间内,如自动 统计生产线上的产品数量)记录A信号(如产品通过时传感器 产生的光电信号)经整形后的脉冲个数。,4.4.3 单片通用计数器,E312A型通用计数器的技术指标为

9、:,测频范围:1Hz10MHz,最小输入电压:正弦波时为30mV,脉冲波时为0.1V(峰-峰值),闸门时间:10ms,0.1s,1s,10s,周期测量范围:10s0.4s,倍乘1,10,100,103,标准频率:5MHz晶振,倍频后10MHz,准确度和稳定度:510-8,4.5* 电子计数器性能的改进,电子计数器性能改进的主要内容是如何减小测量误差,尤其是 量化误差;如何提高测时间的分辨力;如何提高测频的频率范 围,以至可测量更高波段的频率。,4.5.1 多周期同步测频(智能计数器),NxTx=N0T0,(4.19),(4.20),1.工作原理,2.误差分析,由以上工作过程和波形图可以看出,N

10、x对被测信号Tx的计数 是与闸门是同步的,故不存在量化(1)误差。这样,用 该计数器测频,不管频率高低其精度是相同的。这时误差仅 发生在计数器2对f0的计数N0上,因为主门2与f0之间并无同 步关系,故仍存在量化误差,不过通常f0fx,故1误差相 对小得多。,例4.1 分别用通用计数器和多周期同步计数器对50Hz正弦信 号频率进行测量,计算其1误差。设闸门时间为1s,晶振标 准频率为1MHz。,解:通用计数器测频1误差,多周期同步计数器测频1误差,也称多周期同步计数器为等精度计数器,也称为“智能”计数器。,4.5.2 提高时间分辨力的办法,在直接计数器中,为了提高测时分辨力和精度,就必须提高基

11、 准时钟频率,但是,钟频的提高意味着计数速度的提高,即使 采用1GHz钟频,测时分辨力也只能达到1ns。因此,必须用 其它方法来提高测时分辨力。,1.内插法计数器,用内插法测时间的原理,如图4.23所示。为了测量时间间隔,计数器实际测量的是,和,等三个参数,其中,起始脉冲后的第一个钟脉冲与终止脉冲后的第一个,钟脉冲之间的时间间隔;,起始脉冲与第一个钟脉冲之间的时间间隔;,一终止脉冲与紧接着到来的钟脉冲之间的时间间隔。,由图4.23可知,被测时间间隔,为,的测量与普通计数器相同,即累计该时间间隔内出现 的钟脉冲数。两个“零头”时间,和,采用内插法来测量,,即先用两个内插器将,和,分别扩展1000

12、倍,然后再在,扩展后的时间间隔内,对同一钟脉冲进行计数,故被测时间 间隔,为 (按权相加),(4.22),2.游标法计数器数字内插技术,物理思想: 机械游标卡尺,数显游标卡尺,在符合点(即游标时钟信号刚好赶上主时钟信号的那一瞬间)以前, 两个时钟振荡器产生的脉冲数相等,即,N1N2N,则,(4.25),或,上式表明,被测时间,被时间差,所量化,当两个时钟频率足够地接近时,量化的分辨力是,可以做得很高的,由式(4.25)可知,游标法事实上是用数字量化的办法把被测时 间间隔,扩展了K倍,K称为扩展倍率或内插系数,其值为,(4.27),游标法的原理简单,但用这种方法来实现精密时间间隔测量时, 在技术

13、上需要解决以下几个问题:,1)时钟频率,和,的稳定度要求极高,2)当分辨力很高时,,应当很小,因此两个时钟电路必须进,行严格屏蔽,否则可能因频率牵引而不能正常工作。,3)要实现高精度和高分辨力,符合电路的工作速度也应该是很 高的。由于存在上述一些技术上的困难,因此游标法长期未得 到实际应用。近年来提出的相位锁定型同步触发振荡器,解决 了上述的一些困难,它巧妙地把触发振荡器与锁相环结合起来, 使冲击振荡器的信号既能与外触发信号同步,又有很高的频率 稳定度。,用游标法测量图4.51中的,值,设f1=5MHz,f2=5.01MHz,求,之值。,4.5.3 微波计数器,最高计数频率,取决计数器器件,C

14、MOSTTLECL 隧道二极管触发器。,当今,通用计数器能直接计数的频率在fx1.5GHz以下。,要对微波波段的信号频率进行数字测量,必须采用频率变换技 术,将微波频率变换成1GHz以下的频率,以便直接计数。,1.变频法,自动变频式微波计数器方框图,钇铁石榴石,单晶铁氧体,2.置换法,置换法的原理,是利用一个频率较低的压控振荡器的N次 谐波,与被测微波频率,进行分频式锁相,从而把,转换到,较低的频率,(通常为100MHz以下)。置换法的简化方框图,,如图4.29所示。当锁相环锁定时:,(4.31),式中,压控振荡器(也称置换振荡器)的频率;,计数器的标准频率。, 4.6 标准频率源的测量,属于

15、“计量”内容,对象-小晶振(通用计数器、合成信号源中的晶振),要求-“稳”、“准”,一个频率源的准确度是由它的频率稳定度来保证的,因此检定 一个频率源的主要内容是测量它的频率稳定度。,4.6.1 频率稳定度的定义,频率稳定度是指在一定时间间隔内,频率源的频率准确度的 变化,所以实际上是频率不稳定度,它表征频率源持续工作 于恒定频率上的能力。,1.系统性或确定性的变化,比如老化或系统性漂移;环境温度、 供电电压等。,2.非确定性的或随机性的变化,其主要原因是各种噪声对信 号寄生调频和调相,从而产生频率的随机起伏。,对稳定度的定义应该引入时间概念,因此有长期、短期稳定度之分。,4.6.2 长期稳定度的表征,长期稳定度指长时间(年或月范围内)的频率变化,,石英谐振器,老化而引起的振荡频率在其平均值上的缓慢变化,即频率的 老化漂移。多数高稳,定的石英振荡器,经过足够时间的预热后,,其频率的老化漂移往往呈现良好的线性(增加或减小),如图4.31 所示。,对石英振荡器来说通常用:一天内 的频率平均漂移作为长期稳定度的 表征,叫做“日老化率”。,(4.32),式中 f2和fl老化曲线上相隔一天(24小时)的两个频率值,f0标称频率,当外界条件(温度、供电电压等)恒定时,一天内的振荡频率, 除老化漂移外,还将产生频率的随机起伏,如图4.32(b)。可 用日波动来综合表征老化漂移和随机起伏这两种

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