第6章时间与频率的测量6.1概述目前，在电子测量中，时间和频率的测量精确度是最高的在检测技术中，常常将一些非电量或其它 电参量转换成频率进行测量1. 频率和周期的基本概念频率定义为相同的现象在单位时间内重复出现的次数周期是指出现相同现象的最小时间间隔周期 性现象，是指经过一段相等的时间隔又出现相同状态的现象，在数学上可用一个周期函数来表示所谓周期 性现象对一个周期现象来说，周期和频率都是描述它的重要参数周期与频率互为倒数关系，只要测出 其中一个，便可取倒数而求得另一个2. 时间与频率测量的特点(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3. 频率测量的基本方法(1) 直接法指直接利用电路的某种频率响应特性来测量频率的方法电桥法和谐振法是这类测量方法的典型代 表2) 比对法是利用标准频率与被测频率进行比较来测量频率其测量准确度主要取决于标准频率的准确度拍频 法、外差法及计数器测频法是这类测量方法的典型代表6.2电子计数器及其应用6. 2. 1电子计数器面板及控键示意图(1) 功能选择有6个键，完成计数、测量频率、测量周期、测量时间间隔、测量频率比和自校功能。
2) 时间选择测量频率时，用于选择闸门时间；测量周期时，用于选择周期倍乘3) 输入通道具有A、B和C三个通道，其中A、B通道可对输入信号进行衰减4) 触发选择用于选择触发方式置“+”时，为上升沿触发；置“-”时，为下降沿触发5) 触发电平可连续调节触发电平6) 数码显示器用于测量值显示，小数点自动定位6.2.2 电子计数器的主要电路技术电子计数器一般由输入通道、计数器、逻辑控制、显示器及驱动等电路构成1. 输入通道电子计数器一般设置2个或3个输入通道，记作A、B、CA通道用于测频、自校；B通道用于测周； B、C通道合起来测时间间隔；A、B通道合起来测频率比2. 计数器计数器用触发器构成在数字仪表中，最常用的是按8421编码的十进制计数器，来了十个脉冲就产 生一个进位3. 显示与驱动电路电子计数器以数字方式显示出被测量，目前常用的有LED显示器和LCD显示器4. 逻辑控制电路由门电路和触发器组成的时序逻辑电路产生各种指令信号，如闸门脉冲、闭锁脉冲、显示脉冲、复 零脉冲、记忆脉冲等，这些指令控制整机各单元电路的工作，使整机按一定的工作程序完成测量任务6. 2. 3电子计数器测量频率1. 测频的基本原理电子计数器测频是严格按照频率的定义进行的。
1) 输入单元电路由放大、整形电路构成，它将输入频率为fx的被测周期性信号放大、整形，变换成计数器能接受的计 数脉冲信号，并加到闸门电路输入端2) 时基Ts产生电路包括石英晶体振荡器、分频器及时基选择电路用于产生准确的时间间隔Ts3) 主门电路通常由一个与门(或一个或门)构成它进行时间或频率的量化比较，完成时间或频率的数字转换4) 计数显示电路包括多级十进制计数器、寄存器、译码器和数字显示器等它对主门输出的脉冲个数进行计数，再用 数字显示出来5) 逻辑控制电路包括门电路和触发器组成的时序逻辑电路它产生各种控制信号，如寄存、显示、复位信号等，控制 整机各单元电路的工作，使整机按一定的工作程序完成测量任务电子计数器的测频原理实质是：以比较 法为基础，将被测信号的频率fx和已知的时基信号频率fs相比，将相比的结果以数字的形式显示出来2. 测频方法的误差分析量化误差的相对值为提高被测信号的频率，或增大主门开启时间，都可降低量化误差的影响3) 测频公式误差由于的符号可正可负，若按最坏情况考虑，可得电子计数器测量频率的最大相对误差计算公式为(4) 测频计数误差计数误差是指在测量频率时，由于被测信号中的干扰噪声影响，使输入信号经触发器整形后，形成的 计数脉冲发生了错误而产生的误差。
5) 结论电子计数器测量频率时要提高频率测量的准确度(减少测量误差)可采取如下措施：① 选择准确度和稳定度高的晶振作为时标信号发生器，以减小闸门时间误差② 加大分频器的分频系数k，扩大主门的开启时间，以减小量化误差的影响③ 当被测信号频率较低时，用测频方法测得的频率误差较大，应选用其它方法进行测量④ 对随机的计数误差，可提高信噪比或调小通道增益来减小误差程度6.2.4 电子计数器测量周期1. 测量周期的基本原理电子计数器测周的基本原理与测频类似，也是一种比较测量方法用被测信号控制主门的开门，用标 准时标脉冲进行计数的整机电路包括输入整形电路、时标、时基产生电路、主门电路、计数显示及逻辑 控制电路等电子计数器测量周期的原理如图6.6所示2. 测周方法的误差分析(1) 公式误差(2) 触发误差触发误差是指在测量周期时，由于输入信号中的干扰噪声影响，使输入信号经触发器整形后，所形成 的门控脉冲时间间隔与信号的周期产生了差异而产生的误差触发误差与被测信号的信噪比有关，信噪比 越高，触发误差越小，测量越准确3) 结论当被测信号的频率较低时，采用测周法可提高测量的精度6. 2. 5电子计数器累加计数和计时累加计数是累加在一定时间内被测信号的脉冲个数。
计时是在累加计数的基础上通过与计数值与已知 的脉冲周期相乘计算而得计数器显示的值为N,则计时值为测量原理的框图如图6.7所示6. 2. 6电子计数器测量频率比6. 2. 7电子计数器测量时间间隔2.相位差的测量相位差的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的测量，是时间间隔测量的 一个应用例子图6.10所示的相位差测量，6. 2. 8电子计数器的自校在使用电子计数器测量前，应对电子计数器进行自校检验，一是检验电子计数器得逻辑关系是否正常； 二是检验电子计数器能否准确地进行定量测试自校检验的框图如图6.11所示6. 2. 9提高测量准确度的方法1. 中界频率的确定中界频率定义为：电子计数器测量某信号的频率，若采用直接测频法和测周测频法的误差相等，则该 信号的频率为信号的中界频率2. 多周期测量法所谓多周期测量，是指在测量被测信号的周期时，信号不是在被测信号的一个完整波形中取出，波形 时间间隔的起点在一个信号上取出，终点在若干个周期后的信号中取出经“周期倍乘”后再进行周期测 量采用多周期测量法测量精确度大为提高4. 差频倍增技术5. 测量注意事项(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) 为提高测量准确度，当被测频率较低时，应尽量选长的闸门时间或采用测周法3) 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4) 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其它测量时间和频率的方法6. 3. 1谐振法测频1. 谐振法测频的基本原理谐振法测频以LC调谐电路的谐振为基础，即利用电感、电容的串联谐振回路或并联谐振回路的谐振 特性来实现测频的，如图6.13所示2. 谐振点的判断谐振电路的曲线如图6.14所示3. 谐振法测频的误差分析谐振法测量频率误差的来源主要有以下几种1) 实际中电感、电容的损耗越大，品质因数越低，谐振曲线越平滑，越不容易找出真正的谐振点 如图6.14虚线所示2) 面板上的频率刻度是在规定的标定条件下刻度的当环境温度、湿度等因数变化时，将使电感、 电容的实际值发生变化，从而使回路的固有频率变化3) 由于频率刻度不能分得无限细，人眼读数常常有一定误差6. 3. 2电桥法测频电桥法测频是利用交流电桥平衡条件与加在该电桥中的交流工作信号频率有关的特性来进行的文氏 电桥测频的原理如图6.15所示6. 3. 3频率-电压转换法测频6.3.4 比较法测频比较法测频就是用标准频率与被测频率进行比较，当把标准频率调节到与被测频率相等时，指零仪表 指零，此时的标准频率即为被测频率值。
比较法测频可分为拍频法测频与差频法测频两种6. 3. 5示波器测频用示波器测量频率有两种方法一是将被测信号和标准频率信号加到示波器的Y通道，在荧光屏上测 量被测信号的周期；另一种是将被测信号分别加到示波器的X通道和Y通道，观测荧光屏上显示的李沙 育图形。