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1、第4章 数字测量方法电子测量技术数字电压表数字电压表（Digital Voltage MeterDigital Voltage Meter，简称，简称DVMDVM）。）。组成框图组成框图4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法1 DVM的组成的组成电子测量技术数字显示数字显示准确度高准确度高测量范围测量范围u显示位数显示位数完整显示位完整显示位：能够显示：能够显示0-90-9的数字。的数字。非完整显示位非完整显示位( (俗称半位俗称半位) )：只能显示：只能显示0 0和和1 1（在最（在最高位上）。高位上）。如如4 4位位DVMDVM，具有，具有4 4位完整显示位，其最大显示数
2、字位完整显示位，其最大显示数字为为9999 9999 。而而 位（位（4 4位半）位半）DVMDVM，具有，具有4 4位完整显示位，位完整显示位，1 1位位非完整显示位，其最大显示数字为非完整显示位，其最大显示数字为1999919999。4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法2 DVM的特点的特点电子测量技术u量程量程基本量程基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，：无衰减或放大时的输入电压范围，由由A/DA/D转换器动态范围确定。转换器动态范围确定。通过对输入电压（按通过对输入电压（按1010倍）放大或衰减，可倍）放大或衰减，可扩展其他量程扩展其他量程如基本量程为如基本量程
3、为10V10V的的DVMDVM，可扩展出，可扩展出0.1V0.1V、1V1V、10V10V、100V100V、1000V1000V等五档量程；等五档量程；基本量程为基本量程为2V2V或或20V20V的的DVMDVM，可扩展出，可扩展出200mV200mV、2V2V、20V20V、200V200V、1000V1000V等五档量程。等五档量程。4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法电子测量技术分辨力高分辨力高指指DVMDVM能够能够分辨最小电压变化量的能力分辨最小电压变化量的能力。反映了。反映了DVMDVM灵敏灵敏度。度。用每个字对应的电压值来表示，即用每个字对应的电压值来表示，
4、即V/V/字字。不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，不同的量程上能分辨的最小电压变化的能力不同，显然，在最小量程上具有最高分辨力在最小量程上具有最高分辨力。例如，例如，3 3位半的位半的DVMDVM，在，在200mV200mV最小量程上，可以测量的最最小量程上，可以测量的最大输入电压为大输入电压为199.9mV199.9mV，其分辨力为，其分辨力为0.1mV/0.1mV/字（即字（即当输入当输入电压变化电压变化0.1mV0.1mV时，显示的末尾数字将变化时，显示的末尾数字将变化“1 1个字个字”）。）。测量速度快测量速度快每秒钟完成的测量次数。每秒钟完成的测量次数。它主要取决于它
5、主要取决于A/DA/D转换器的转换转换器的转换速度。速度。一般低速高精度的一般低速高精度的DVMDVM测量速度在几次测量速度在几次/ /秒秒- -几十次几十次/ /秒。秒。4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法电子测量技术输入阻抗高输入阻抗高输入阻抗取决于输入电路输入阻抗取决于输入电路（并与量程有关）。（并与量程有关）。输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。输入阻抗宜越大越好，否则将影响测量精度。 对于直流对于直流DVMDVM，输入阻抗用输入电阻表示，一般在，输入阻抗用输入电阻表示，一般在10M-1000M10M-1000M之间。之间。对于交流对于交流DVMDVM，输入阻抗
6、用输入电阻和并联电容表示，输入阻抗用输入电阻和并联电容表示，电容值一般在几十电容值一般在几十- -几百几百pFpF之间。之间。4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法电子测量技术抗干扰能力强抗干扰能力强4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法u串模干扰串模干扰 指干扰信号以指干扰信号以串联叠加的形式串联叠加的形式对被测信号产生的干扰对被测信号产生的干扰电子测量技术串模抑制比串模抑制比4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法串模干扰起因及特性：串模干扰起因及特性：l可能来自于被测信号源本身（例如，直流稳压电源输出就存在可能来自于被测信号源本身（例如
7、，直流稳压电源输出就存在纹波干扰）；纹波干扰）；l也可能从测量引线感应进来的工频（也可能从测量引线感应进来的工频（50Hz50Hz）或高频干扰或高频干扰( (如雷电如雷电或无线电发射引起的空中电磁干扰或无线电发射引起的空中电磁干扰) )。l就干扰源的频率来说，可从就干扰源的频率来说，可从直流、低频到超高频直流、低频到超高频；干扰信号的；干扰信号的波形可以是波形可以是周期性的或非周期性周期性的或非周期性的，可以是的，可以是正弦波或非正弦波正弦波或非正弦波（如瞬间的尖峰脉冲干扰），甚至完全是（如瞬间的尖峰脉冲干扰），甚至完全是随机的随机的。 l各种干扰信号中，各种干扰信号中，50Hz50Hz的工频
8、干扰是最主要的干扰源。的工频干扰是最主要的干扰源。电子测量技术4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法u共模干扰共模干扰 干扰信号干扰信号同时作用于同时作用于DVMDVM的两个测量输入端的两个测量输入端（称为高端（称为高端H H和低端和低端L L）电子测量技术4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法共模干扰起因及特性：共模干扰起因及特性：l被测电压本身就存在共模电压（被测电压是一个浮置电被测电压本身就存在共模电压（被测电压是一个浮置电压）。如测量一个直流电桥的输出。压）。如测量一个直流电桥的输出。l当被测电压与当被测电压与DVMDVM相距较远，相距较远，被测电压
9、与被测电压与DVMDVM的参考地电的参考地电位不相等位不相等，将引起测量时的共模干扰。，将引起测量时的共模干扰。l共模干扰电压也分共模干扰电压也分直流电压和交流电压直流电压和交流电压两类。两类。l共模干扰电压可能很大，如上百伏甚至上千伏。共模干扰电压可能很大，如上百伏甚至上千伏。共模抑制比共模抑制比电子测量技术3 DVM的主要类型的主要类型u逐次比较式逐次比较式4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行逐次基本原理：将被测电压和一可变的基准电压进行逐次比较，最终逼近被测电压。即采用一种比较，最终逼近被测电压。即采用一种“对分搜索对分搜索”
10、的的策略，逐步缩小策略，逐步缩小UxUx未知范围的办法。未知范围的办法。它类似天平称重的过程，它类似天平称重的过程，UrUr的各分项相当于提供的有的各分项相当于提供的有限限“电子砝码电子砝码”，而，而UxUx是被称量的电压量。逐步地添加是被称量的电压量。逐步地添加或移去电子砝码的过程完全类同于称重中的加减砝码的或移去电子砝码的过程完全类同于称重中的加减砝码的过程，而过程，而称重结果的精度取决于所用的最小砝码称重结果的精度取决于所用的最小砝码。电子测量技术4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法电子测量技术 原理：通过原理：通过两次积分过程两次积分过程( (“对被测电压的定时积分
11、和对被测电压的定时积分和对参考电压的定值积分对参考电压的定值积分”) )的比较，得到被测电压值。的比较，得到被测电压值。4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法uU-T积分式（双斜积分）积分式（双斜积分）电子测量技术电子测量技术工作过程工作过程l准备阶段（准备阶段（t0-t1t0-t1）。开关开关S4S4接通接通T T0 0时间，积分电容时间，积分电容C C短接，使短接，使积分器输出电压积分器输出电压U Uo o回到零（回到零（U Uo o=0=0）。）。l对被测电压定时积分对被测电压定时积分(t1-t2)(t1-t2)。接入被测电压（设接入被测电压（设U Ux x为负），为负
12、），则积分器输出则积分器输出U Uo o从零开始线性地正向增长，经过规定的时间从零开始线性地正向增长，经过规定的时间T T1 1，U Uo o达到最大达到最大U Uomom， 式中，式中， 为为UxUx的的平均值，平均值， 为积分波形的斜率为积分波形的斜率( (定值定值) ) l对参考电压反向定值积分对参考电压反向定值积分(t2-t3)(t2-t3)。接入参考电压接入参考电压( (若若U Ux x为负，为负，则接入则接入U UN N) )，积分器输出积分器输出U Uo o从从U Uomom开始线性地反向减小开始线性地反向减小( (与与U Ux x的积的积分方向相反分方向相反) )直至零。直至零
13、。4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法电子测量技术l此时，过零比较器翻转。经历的反向积分时间为此时，过零比较器翻转。经历的反向积分时间为T T2 2，则有：则有：l将将U Uomom代入可得：代入可得：l由于由于T T1 1、T T2 2是通过对同一时钟信号（设周期是通过对同一时钟信号（设周期T T0 0）计计数得到（设计数值分别为数得到（设计数值分别为N N1 1、N N2 2），即），即T T1 1=N=N1 1T T0 0，T T2 2=N=N2 2T T0 0，于是于是 式中，式中， 为为A/DA/D转换器的刻度系数（转换器的刻度系数（“V/V/字字”）。）。l可见
14、计数结果可见计数结果N N2 2（数字量）即可表示被测电压数字量）即可表示被测电压U Ux x，N N2 2即为双积分即为双积分A/DA/D转换结果。转换结果。4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法电子测量技术4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法双积分式双积分式ADCADC特点：特点：基于基于U-TU-T变换的比较测量原理。变换的比较测量原理。一次测量一次测量包括包括3 3个连续过程个连续过程，所需时间为，所需时间为T0+T1+T2T0+T1+T2，其其中，中，T0T0、T1T1是固定的，是固定的，T2T2则与被测电压则与被测电压UxUx有关，有关，UxU
15、x愈大愈大T2T2愈大。一般愈大。一般转换时间在几十转换时间在几十ms-ms-几百几百msms，（，（转换速度转换速度为几次为几次/ /秒秒- -几十次几十次/ /秒），其速度是较低的，常用于高秒），其速度是较低的，常用于高精度慢速测量的场合。精度慢速测量的场合。积分器的积分器的R R、C C元件元件对对A/DA/D转换结果不会产生影响，因而转换结果不会产生影响，因而对元件参数的精度和稳定性要求不高。对元件参数的精度和稳定性要求不高。参考电压参考电压U UN N的精度和稳定性对的精度和稳定性对A/DA/D转换结果有影响，一般转换结果有影响，一般需采用精密基准电压源。（例如，一个需采用精密基准电
16、压源。（例如，一个16bit16bit的的A/DA/D转换转换器，其分辨率器，其分辨率1LSB=1/21LSB=1/21616=1/655361510=1/655361510-6-6，那么，要那么，要求基准电压源的稳定性（主要为温度漂移）优于求基准电压源的稳定性（主要为温度漂移）优于15ppm15ppm（即百万分之即百万分之1515）。）。电子测量技术双积分式双积分式ADCADC特点：特点：比较器比较器要求具有较高的电压分辨力（灵敏度）和时要求具有较高的电压分辨力（灵敏度）和时间分辨力（响应带宽）。如一个间分辨力（响应带宽）。如一个6 6位的位的A/DA/D转换器，转换器，若满度时积分器输出电
17、压为若满度时积分器输出电压为10V10V，则，则ADCADC的的1LSB=10V/101LSB=10V/106 6=10uV=10uV，则要求比较器的灵敏度优于则要求比较器的灵敏度优于10uV10uV。响应带宽则决定了比较器及时响应积分器输响应带宽则决定了比较器及时响应积分器输出信号快速（斜率较陡峭）过零时的能力。出信号快速（斜率较陡峭）过零时的能力。积分器响应的是输入电压的平均值积分器响应的是输入电压的平均值，因而具有较好，因而具有较好的抗干扰能力。如输入电压的抗干扰能力。如输入电压U Ux x= =U Ux x+U+Usmsm，则，则T T1 1阶段结阶段结束时积分器的输出为束时积分器的输
18、出为DVMDVM的最大干扰来自于电网的最大干扰来自于电网50Hz50Hz工频电压（周期为工频电压（周期为20ms20ms），），因此，只要因此，只要选择选择T T1 1时间为时间为20ms20ms的整倍数的整倍数，则干扰信号则干扰信号U Usmsm的平均值为零。的平均值为零。4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法电子测量技术4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法uU-F积分式积分式电子测量技术4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法4 DVM的测量误差的测量误差式中：式中：为读数误差为读数误差或或n n个字为满度误差个字为满度误差电子测量技术
19、 例例 一一台台4 4位位的的DVMDVM给给出出的的精精度度为为：（0.01%0.01%读读数数+1+1个个字字），如如用用该该DVMDVM的的0 05V 5V DCDC的的基基本本量量程程分分别别测测量量5.00V5.00V和和0.1V0.1V的的电电压压，试计算试计算DVMDVM测量的固有误差。测量的固有误差。 解解 首先，计算出首先，计算出“1 1字字”对应的满度误差。对应的满度误差。在在0 05V5V量量程程上上，4 4位位的的DVMDVM对对应应的的满满度度误误差差“1 1个个字字”相相当当于于0.001V0.001V。当当U Ux x=5.00V=5.00V时，固有误差和相对误差
20、分别为：时，固有误差和相对误差分别为：UUx x(0.01%5.00V(0.01%5.00V0.001V)0.001V)0.0015V 0.0015V 当当U Ux x=0.1V=0.1V时，固有误差和相对误差分别为：时，固有误差和相对误差分别为：4.1 4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法电子测量技术可见，被测电压愈接近满度电压，测量的（相对）可见，被测电压愈接近满度电压，测量的（相对）误差愈小误差愈小（这也是在使用（这也是在使用DVMDVM时应注意的）。时应注意的）。UUx x(0.01%0.1V(0.01%0.1V0.001V)0.001V)0.001V0.001V电子测量技
21、术4.2 4.2 直流数字电压表直流数字电压表7106A/D37106A/D3位半位半数字电压表原理框图数字电压表原理框图双积分式双积分式A/DA/D逻辑电路逻辑电路电子测量技术4.3 4.3 多用型数字电压表多用型数字电压表数字多用表（数字多用表（DMMDMM）电子测量技术AC/DCAC/DC变换变换将交流电压变换（检波）得到直流的峰值、平均值将交流电压变换（检波）得到直流的峰值、平均值 和有效值和有效值4.3 4.3 多用型数字电压表多用型数字电压表1 电流、电压、阻抗变换技术电流、电压、阻抗变换技术精精密密全全波波检检波波电电路路电子测量技术I/UI/U变换变换 基于欧姆定律，将被测电流
22、通过一个基于欧姆定律，将被测电流通过一个已知的取样已知的取样电阻电阻， 测量取样电阻两端的电压，即可得到被测测量取样电阻两端的电压，即可得到被测电流。电流。 为实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取为实现不同量程的电流测量，可以选择不同的取样电阻。样电阻。4.3 4.3 多用型数字电压表多用型数字电压表如如图图，假假如如变变换换后后采采用用 的的 电电 压压 量量 程程 为为200mV200mV，则则通通过过量量程程开开关关选选择择取取样样电电阻阻分分别别 为为 1k1k、 100100、1010、11、0.10.1，便便 可可 测测 量量 200A200A、2mA2mA、 20mA20mA
23、、 200mA200mA、2A2A的满量程电流。的满量程电流。电子测量技术R/UR/U变换变换同样基于欧姆定律。同样基于欧姆定律。对于对于纯电阻纯电阻，可用一个恒流源流过被测电阻，测量被测电阻两，可用一个恒流源流过被测电阻，测量被测电阻两端的电压，即可得到被测电阻阻值。端的电压，即可得到被测电阻阻值。而而对于对于电感、电容参数电感、电容参数的测量的测量，则需采用交流参考电压，并将，则需采用交流参考电压，并将实部和虚部分离后分别测量得到。实部和虚部分离后分别测量得到。电阻电阻- -电压（电压（R/UR/U）变换原理图。）变换原理图。4.3 4.3 多用型数字电压表多用型数字电压表a.a.实现实现
24、R/UR/U变换的简单原理变换的简单原理 b.b.通过运放实现比例测量的通过运放实现比例测量的R/UR/U变换变换电子测量技术数字多用表（数字多用表（DMMDMM）的主要特点的主要特点DVMDVM的的功能扩展功能扩展。DMMDMM可进行直流电压、交流电压、可进行直流电压、交流电压、电流、阻抗等测量。电流、阻抗等测量。测量分辨力和精度测量分辨力和精度有低、中、高三个档级，位数有低、中、高三个档级，位数3 3位半位半8 8位半。位半。一般一般内置有微处理器内置有微处理器。可实现开机自检、自动校准、。可实现开机自检、自动校准、自动量程选择，以及测量数据的处理（求平均、均自动量程选择，以及测量数据的处
25、理（求平均、均方根值）等自动测量功能。方根值）等自动测量功能。一般具有一般具有外部通信接口外部通信接口，如，如RS-232RS-232、GPIBGPIB等，易于等，易于组成自动测试系统。组成自动测试系统。4.3 4.3 多用型数字电压表多用型数字电压表电子测量技术实际产品实际产品Agilent 3458AAgilent 3458A：8 8位半位半DMMDMM。主要技术指标：主要技术指标：Math/statistics ；20 kB memory ；Self-adjusting autocalibration；dc Volts ；100 mV to 1000 V ranges； 10 nV se
26、nsitivity 0.05 ppm transfer accuracy； ac Volts；10mV to 1000V ranges； Ohms；Analog, random and subsampled modes； 0.002 ppm transfer accuracy 10 Ohms to 1 GOhm ranges； 2- and 4-wire with offset compensation 4.3 4.3 多用型数字电压表多用型数字电压表电子测量技术4.4 4.4 频率的测量频率的测量1 时间和频率时间和频率时间有两个含义：时间有两个含义： “ “时刻时刻”：即某个事件何时发生；
27、：即某个事件何时发生； “ “时间间隔时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。频率的定义：频率的定义：周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（1s1s）内的变化次数内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔（周期数）。如果在一定时间间隔T T内周期信号重复变化了内周期信号重复变化了N N次，则频率可表达为：次，则频率可表达为：f fN/TN/T时间与频率的关系：可以互相转换。时间与频率的关系：可以互相转换。时间是时间是7 7个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要的物个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学
28、试验、医疗、理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。民用和军事方面都存在时频测量。电子测量技术4.4 4.4 频率的测量频率的测量频率时间的标准频率时间的标准基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足设备庞大、操作麻烦；设备庞大、操作麻烦；观测时间长；观测时间长；准确度有限。准确度有限。天文时标天文时标世世界界时时（UT,UniversalUT,Universal TimeTime）: :以以地地球球自自转转周周期期(1(1天天) )确确定定的的时时间间，即即1/(246060)=1/86
29、4001/(246060)=1/86400为为1 1秒。其误差约为秒。其误差约为1010-7-7量级。量级。 历历书书时时（ETET）：以以地地球球绕绕太太阳阳公公转转为为标标准准，即即公公转转周周期期（1 1年年）的的31 31 556 556 925.9747925.9747分分之之一一为为1 1秒秒。参参考考点点为为19001900年年1 1月月1 1日日0 0时时（国国际际天天文文学学会会定定义义）。准准确确度度达达1101109 9 。于于19601960年年第第1111届届国国际际计计量量大大会会接接受为受为“秒秒”的标准。的标准。电子测量技术原子（分子）在能级跃迁中将吸收原子（分
30、子）在能级跃迁中将吸收( (低能级到高能级低能级到高能级) )或辐射或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。 hfhfn-mn-m=E=En n- -E Em m式中，式中，h=6.625210h=6.625210-27-27为普朗克常数，为普朗克常数，E En n、E Em m为受激态的两为受激态的两个能级，个能级，f fn-mn-m为吸收或辐射的电磁波频率。为吸收或辐射的电磁波频率。4.4 4.4 频率的测量频率的测量原子时标（原子时标（ATAT）19671967年年1010月月，第第1313届届国国际际计计量量大大会会正正式式通通过过了了
31、秒秒的的新新定定义义：“秒秒是是CsCs133133原原子子基基态态的的两两个个超超精精细细结结构构能能级级之之间间跃跃迁频率相应的射线束持续迁频率相应的射线束持续9,192,631,7709,192,631,770个周期的时间个周期的时间”。19721972年年起起实实行行，为为全全世世界界所所接接受受。秒秒的的定定义义由由天天文文实实物物标标准准过过渡渡到到原原子子自自然然标标准准，准准确确度度提提高高了了4-54-5个个量量级级，达达510510-14-14( (相当于相当于6262万年万年11秒秒) )，并仍在提高。，并仍在提高。电子测量技术u原子钟原子钟原子时标的实物仪器，可用于时间
32、、频率标准的发布和比对。原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布和比对。u铯原子钟铯原子钟准确度：准确度：1010-13-13-10-10-14-14。大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。u铷原子钟铷原子钟准确度：准确度： 1010-11-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。u氢原子钟氢原子钟短期稳定度高：短期稳定度高：1010-14-14-10-10-15-15，但准确度较低（，但准确度较低（1010-12-12）。）。4.4 4.4 频率的测量频率的
33、测量电子测量技术u电子计数器电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器（简内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器（简称称“晶振晶振”）为基准信号源。）为基准信号源。u基基于于压压电电效效应应产产生生稳稳定定的的频频率率输输出出。但但是是晶晶振振频频率率易易受受温温度影响，普通晶体频率准确度为度影响，普通晶体频率准确度为1010-5-5。u测量原理测量原理 将将需需累累加加计计数数的的信信号号（频频率率测测量量时时为为被被测测信信号号，时时间间测测量量时时为为时时标标信信号号），由由一一个个“闸闸门门”（主主门门）控控制制，并并由由一一个个“门门控控”信信号号控控制制闸闸门门的的开开启启（计计
34、数数允允许许）与与关关闭闭（计数停止）。（计数停止）。4.4 4.4 频率的测量频率的测量2 电子计数式频率计测量原理电子计数式频率计测量原理电子测量技术闸门可由一个与（或闸门可由一个与（或“或或”）逻辑门电路实现）逻辑门电路实现。这种测量。这种测量方法称为方法称为门控计数法。门控计数法。其原理如下图所示。其原理如下图所示。上图为由上图为由“与与”逻辑门作为闸门，其门控信号为逻辑门作为闸门，其门控信号为11时时闸门开启（允许计数），为闸门开启（允许计数），为00时闸门关闭（停止计数）时闸门关闭（停止计数）。 l测频时，闸门开启时间（称为测频时，闸门开启时间（称为“闸门时间闸门时间”）即为采样时
35、间）即为采样时间。l测时间（间隔）时，闸门开启时间即为测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间被测时间。4.4 4.4 频率的测量频率的测量电子测量技术4.4 4.4 频率的测量频率的测量通用电子计数器通用电子计数器测频测频的组成框图：的组成框图：输入输入单元单元逻辑逻辑控制控制十进十进制计制计数数时标时标产生产生电子测量技术通用计数器包括如下几个部分通用计数器包括如下几个部分输入单元输入单元：通常有：通常有A A、B B、C C多个通道，以实现不同的测多个通道，以实现不同的测量功能。输入通道电路对输入信号进行量功能。输入通道电路对输入信号进行放大、整形等放大、整形等（但保持频率不变），得到
36、适合计数的脉冲信号。（但保持频率不变），得到适合计数的脉冲信号。主门电路主门电路：完成计数的：完成计数的闸门控制闸门控制作用。作用。计数与显示电路计数与显示电路：计数电路是通用计数器的：计数电路是通用计数器的核心电路核心电路，完成脉冲计数；显示电路将计数结果（反映测量结果）完成脉冲计数；显示电路将计数结果（反映测量结果）以数字方式显示出来。以数字方式显示出来。时标产生电路时标产生电路：产生：产生机内时间、频率测量的基准机内时间、频率测量的基准，即时，即时间测量的时标和频率测量的闸门信号。间测量的时标和频率测量的闸门信号。控制电路控制电路：控制协调整机工作控制协调整机工作，即准备，即准备测量测量
37、显示。显示。4.4 4.4 频率的测量频率的测量电子测量技术4.4 4.4 频率的测量频率的测量3 脉冲累计的测量脉冲累计的测量电子测量技术原原理理：实实际际上上，前前述述频频率率测测量量的的比比较较测测量量原原理理就就是一种频率比的测量：是一种频率比的测量：f fx x对对f fs s的频率比的频率比。 据据此此，若若要要测测量量f fA A对对f fB B的的频频率率比比（假假设设f fA A f fB B），只只要要用用f fB B的的周周期期T TB B作作为为闸闸门门，在在T TB B时时间间内内对对f fA A作周期计数即可。作周期计数即可。方法：方法： f fA A对对f fB
38、B分别由分别由A A、B B两通道输入。两通道输入。4 频率比的测量频率比的测量4.4 4.4 频率的测量频率的测量电子测量技术4.4 4.4 频率的测量频率的测量fAfB电子测量技术注意：频率较高者由注意：频率较高者由A A通道输入，频率较低者由通道输入，频率较低者由B B通通道输入。道输入。提高频率比的测量精度：提高频率比的测量精度：扩展扩展B B通道信号的周期个数通道信号的周期个数。例例如如：以以B B通通道道信信号号的的1010个个周周期期作作为为闸闸门门信信号号，则则计计数数值值为为： , ,即即计计数数值值扩扩大大了了1010倍倍，相相应应的的测测量量精精度度也也就就提提高高了了1
39、010倍倍。为为得得到到真真实实结结果果，需将计数值需将计数值N N缩小缩小1010倍（小数点左移倍（小数点左移1 1位），即位），即应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。4.4 4.4 频率的测量频率的测量电子测量技术测量误差的来源：测量误差的来源：1 1）量化误差；）量化误差；2 2）标准频率误差）标准频率误差4.4 4.4 频率的测量频率的测量5 误差分析误差分析量化误差量化误差u概概念念：由由前前述述频频率率测测量量f fx x=N/T=N/Ts s= =NfNfs s，可可见见，由由于于计计数数值值N N为为整整数数，f fx x必必然然产产
40、生生“截截断断误误差差”，该该误误差差即即为为“量量化化误误差差”。也也称称为为“11误误差差”，它它是是所所有有数数字字化仪器都存在的误差。化仪器都存在的误差。电子测量技术产产生生原原因因：量量化化误误差差并并非非由由于于计计数数值值N N的的不不准准确确（也也并并非非标标准准频频率率源源f fs s或或时时标标T T0 0的的不不准准确确）造造成成。而而是是由由于于闸闸门门开开启启和和关关闭闭的的时时间间与与被被测测信信号号不不同同步步引引起起（亦亦即即开开门门和和关关门门时时刻刻与与被被测测信信号号出出现现的的时时刻刻是是随随机机的的），使使得得在在闸闸门门开开始始和和结结束束时时刻刻有
41、有一部分一部分时间零头时间零头没有被计算在内而造成的测量误差。没有被计算在内而造成的测量误差。下图为频率测量时量化误差的下图为频率测量时量化误差的示意图。示意图。4.4 4.4 频率的测量频率的测量电子测量技术标准频率误差标准频率误差机内时基（闸门时间）和时标是频率和时间间隔测量的参机内时基（闸门时间）和时标是频率和时间间隔测量的参考基准，它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍考基准，它们由内部晶体振荡器（标准频率源）分频或倍频后产生。因此，其准确度和测量时间之内的短期稳定度频后产生。因此，其准确度和测量时间之内的短期稳定度将直接影响测量结果。将直接影响测量结果。 通常，要求通常，要求标准
42、频率误差小于测量误差的一个数量级标准频率误差小于测量误差的一个数量级。因此，内部晶振要求较高稳定性。若不能满足测量要求，因此，内部晶振要求较高稳定性。若不能满足测量要求，还可外接更高准确度的外部基准源。还可外接更高准确度的外部基准源。4.4 4.4 频率的测量频率的测量电子测量技术误差表达式误差表达式u由频率测量表达式：由频率测量表达式：f fx x=N/T=N/Ts s= =NfNfs s，计数器直接测计数器直接测频的误差主要由两项组成：即量化误差（频的误差主要由两项组成：即量化误差（11误误差）和标准频率误差。总误差采用分项误差绝对差）和标准频率误差。总误差采用分项误差绝对值合成，即值合成
43、，即: :式中，式中， 即为即为11误差，其最大值为误差，其最大值为 , ,而而 由于由于f fs s由晶振由晶振( (f fc c) )分频得到，设分频得到，设f fs s= =f fc c/k/k，则则于是，频率测量的误差表达式可写成：于是，频率测量的误差表达式可写成：4.4 4.4 频率的测量频率的测量电子测量技术误差曲线误差曲线分析：分析：误差曲线直观地表示了误差曲线直观地表示了测频误差与被测频率测频误差与被测频率fx和和闸门时间闸门时间T的关系的关系。fx愈大则误差愈小，闸门时间愈大误愈大则误差愈小，闸门时间愈大误差也愈小，并且，测频误差以标准频率误差为极限。差也愈小，并且，测频误差
44、以标准频率误差为极限。4.4 4.4 频率的测量频率的测量电子测量技术量化误差的影响量化误差的影响从频率测量的误差表达式：从频率测量的误差表达式：可知，量化误差为可知，量化误差为它是频率测量的主要误差（标准频率误差一般可忽略）。它是频率测量的主要误差（标准频率误差一般可忽略）。为减小量化误差，需增大计数值为减小量化误差，需增大计数值N N：增大闸门时间增大闸门时间T T或在相或在相同的闸门时间内测量同的闸门时间内测量较高的频率较高的频率可得到较大的可得到较大的N N。但需注意：增大闸门时间将降低测量速度，并且计数值的但需注意：增大闸门时间将降低测量速度，并且计数值的增加不应超过计数器的计数容量
45、，否则将产生溢出（高位增加不应超过计数器的计数容量，否则将产生溢出（高位无法显示）。无法显示）。例如：一个例如：一个6 6位的计数器，最大显示为位的计数器，最大显示为999999999999，当用，当用T=10sT=10s的闸门测量的闸门测量fxfx=1MHz=1MHz时时, ,应显示应显示“1000000.0”Hz1000000.0”Hz或或1.0000000”MHz ,1.0000000”MHz ,显然溢出显然溢出。4.4 4.4 频率的测量频率的测量电子测量技术原理：原理：“时标计数法时标计数法”周期测量。周期测量。对被测周期对被测周期T Tx x，用已知的较小单位时间刻度用已知的较小单
46、位时间刻度T Ts s（“时标时标”）去量化，由去量化，由T Tx x所包含的所包含的“时标时标”数数N N即可得到即可得到T Tx x。即即该式表明，该式表明，“时标时标”的计数值的计数值N可表示周期可表示周期T Tx x。也体现了时也体现了时间间隔（周期）的比较测量原理。间间隔（周期）的比较测量原理。实现：实现：由由T Tx x得到得到闸门闸门；在；在T Tx x内计数器对时标计数。内计数器对时标计数。T Tx x由由B B通道输入，内部时标信号由通道输入，内部时标信号由A A通道输入（通道输入（A A通道外通道外部输入断开）。部输入断开）。4.5 4.5 周期的测量周期的测量1 周期的测
47、量周期的测量电子测量技术原理图原理图4.5 4.5 周期的测量周期的测量电子测量技术例如：时标例如：时标T Ts s=1us=1us，若计数值，若计数值N=10000N=10000，则显示的，则显示的T Tx x为为“10000”us10000”us，或，或“10.000”ms10.000”ms。如时标。如时标T Ts s=10us=10us，则计数值，则计数值N=1000N=1000，显示的，显示的T Tx x为为 “ “10.00”ms10.00”ms。请注意：请注意：显示结果的有效数字末位的意义，它显示结果的有效数字末位的意义，它表示了周期测表示了周期测量的分辨力（应等于时标量的分辨力（
48、应等于时标T Ts s）。为便于显示，多档。为便于显示，多档时标设定时标设定为为1010的幂次方。的幂次方。测量速度与分辨力：一次测量时间即为一个周期测量速度与分辨力：一次测量时间即为一个周期T Tx x，T Tx x愈愈大大( (频率愈低频率愈低) )则测量时间愈长；计数值则测量时间愈长；计数值N N与时标有关，时标与时标有关，时标愈小分辨力愈高。愈小分辨力愈高。4.5 4.5 周期的测量周期的测量电子测量技术误差表达式误差表达式由测周的基本表达式：由测周的基本表达式： 根据误差合成，可得：根据误差合成，可得： 式中，式中， 和和 分别为量化误差和时标周分别为量化误差和时标周期误差。期误差。
49、 由由 ( (T Tc c为晶振周期，为晶振周期，k k为倍频或分频比为倍频或分频比) )， 有：有： 而计数值而计数值N N为：为： 所以，所以，4.5 4.5 周期的测量周期的测量电子测量技术量化误差的影响量化误差的影响由测周的误差表达式：由测周的误差表达式：其其中中，第第一一项项即即为为量量化化误误差差。它它表表示示T Tx x愈愈大大（被被测测信信号号的的频频率率愈愈低低），则则量量化化误误差差愈愈小小，其其意意义义为为T Tx x愈愈大大则则计计入入的的时时标标周周期期数数N N愈愈大大。另另外外，晶晶振振的的分分频频系系数数k k愈愈小小，则则时时标标周周期期愈愈小，在相同的小，在
50、相同的T Tx x内计数值愈大。内计数值愈大。此此外外，第第二二项项为为标标准准频频率率误误差差，通通常常也也要要求求小小于于测测量量误误差差的的一个数量级，这时就可作为微小误差不予考虑。一个数量级，这时就可作为微小误差不予考虑。为减小量化误差，应增加计数值为减小量化误差，应增加计数值N N，但也需注意不可使其溢出。但也需注意不可使其溢出。例例如如：一一个个6 6位位的的计计数数器器，最最大大显显示示为为999999,999999,当当用用T T0 0=1us=1us的的时时 标标 测测 量量 TxTx=10s(fx=0.1Hz)=10s(fx=0.1Hz)时时 , ,应应 显显 示示 “10
51、000000”us10000000”us或或“10.000000”s,10.000000”s,显然溢出显然溢出。4.5 4.5 周期的测量周期的测量电子测量技术2 时间间隔的测量时间间隔的测量时间间隔时间间隔：指：指两个时刻点两个时刻点之间的时间段。在测量技术中，两之间的时间段。在测量技术中，两个时刻点通常由个时刻点通常由两个事件两个事件确定。如，一个确定。如，一个周期信号的两个同周期信号的两个同相位点相位点（如过零点）所确定的时间间隔即为周期。（如过零点）所确定的时间间隔即为周期。两个事件的例子及测量参数还有：两个事件的例子及测量参数还有：同一信号波形上两个不同点之间同一信号波形上两个不同点
52、之间脉冲信号参数脉冲信号参数；两个信号波形上，两点之间两个信号波形上，两点之间相位差的测量相位差的测量；手动触发手动触发定时、累加计数。定时、累加计数。测量方法测量方法：由两个事件触发得到起始信号和终止信号，经过：由两个事件触发得到起始信号和终止信号，经过门控双稳态电路得到门控双稳态电路得到“门控信号门控信号”，门控时间即为被测的时，门控时间即为被测的时间间隔。在门控时间内，仍间间隔。在门控时间内，仍采用采用“时标计数时标计数”方法方法测量（即测量（即所测时间间隔由所测时间间隔由“时标时标”量化）。量化）。4.5 4.5 周期的测量周期的测量电子测量技术4.5 4.5 周期的测量周期的测量电子测量技术3 长时间的测量（外控时间间隔测量）长时间的测量（外控时间间隔测量）4.5 4.5 周期的测量周期的测量电子测量技术4.6 4.6 相位的测量相位的测量脉冲计数法测相位脉冲计数法测相位电子测量技术4.6 4.6 相位的测量相位的测量电子测量技术
