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1、第第5章章 时间与与频率的丈量率的丈量5.1 概述频率的丈量可以分为模拟法和数字法两大类，模拟法又可分为直接法和比较法两种，直接法又有谐振法和电桥法两种。谐振法是利用电路的频率呼应特性来丈量频率。电桥法是利用电桥平衡原理来丈量频率。比较法有拍频法、差频法和示波器法。比较法是利用知的参考频率同被测频率进展比较而测得被测频率的。示波器法是先读出波形在示波器上显示的周期再换算成频率。电子计数器法是丈量频率最常用的方法，目前的电子计数器由于运用大规模集成电路，因此具有丈量频率范围宽、准确度高、丈量速度快、数字显示、体积小、可靠性高等一系列优点。电子计数器是一种最常见、最根本的数字化丈量仪器。1直接测频
2、法 常用的直接测频法分为谐振法和电桥法两种。1谐振法 谐振法测频的根本原理如图5-1所示。将被测信号作为谐振电路的电源，经互感与串联谐振回路进展松耦合，经过改动电路参数使电路谐振，调理可变电容器使回路发生串联谐振。谐振时回路电流到达最大电流表指示，被测频率可用下式计算。图5-1 谐振法测频率0if2电桥法 利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进展频率丈量。凡是平衡条件与频率有关的任何电桥都可用作测频用，但要求电桥的频率特性尽能够锋利。可用于测频的电桥种类很多，常用的有文氏电桥、谐振电桥和双T电桥。如图5-2所示为电桥法测频原理图。调理R1、R2使电桥可在被测频率点上到达平衡，根据以前学过的电桥
3、平衡的原理，最终可求得被测频率。2比较测频法常用的比较法有拍频法、差频法和示波器法。1拍频法 拍频法是将被测信号与规范信号经线性元件如耳机、电压表直接进展叠加来实现频率丈量的，其原理电路如图5-3所示。当两个音频信号逐渐接近时，耳机中可以听到两个高低不同的音调。当这两个频率接近到差值不到46Hz时，就只能听到一个近于单一音调的声音。这时，声音的响度作周期性的变化，再察看电压表，会发现指针在有规律地来回摆动，被测信号的频率近似等于规范信号频率。拍频法通常只用于音频的丈量，而不宜用于高频丈量。2差频法 高频段测频通常采用差频法。差频法是利用非线性器件和规范信号对被测信号进展差频变换来实现频率丈量的
4、。其根本任务原理如图5-4所示。和两个信号经混频器混频和滤波器滤波后输出二者的差频信号，该差频信号落在音频信号范围内，调理规范信号频率，当耳机中听不到声音时，阐明两个信号频率近似相等。5.2 通用电子计数器及其运用5.2.1 计数器概述计数器概述1电子计数器的分类电子计数器的分类按其测试功能的不同，电子计数器分为以下几按其测试功能的不同，电子计数器分为以下几类：类：1通用电子计数器：是多功能电子计数器。通用电子计数器：是多功能电子计数器。它可以丈量频它可以丈量频率、频率比、周期、时间间隔及累加计数等，率、频率比、周期、时间间隔及累加计数等，通常还具有自检通常还具有自检功能。功能。2频率计数器：
5、指专门用于丈量高频和微波频率计数器：指专门用于丈量高频和微波频率的电子计数频率的电子计数器，它具有较宽的频率范围。器，它具有较宽的频率范围。3计算计数器计算计数器 指的是一种带有微处置器、指的是一种带有微处置器、可以进展数学运可以进展数学运算、求解较复杂方程式等功能的电子计数器。算、求解较复杂方程式等功能的电子计数器。4特种计数器特种计数器 是指具有特殊功能的电子计是指具有特殊功能的电子计数器。如可逆计数器。如可逆计数器、预置计数器、程序计数器和差值计数器数器、预置计数器、程序计数器和差值计数器等，它们主要用等，它们主要用于工业消费自动化，尤其在自动控制和自动丈于工业消费自动化，尤其在自动控制
6、和自动丈量方面。量方面。2. 电子子计数器根本数器根本组成成 1 输入通道入通道 2 计数数显示示电路路 3 逻辑控制控制电路路 4 规范范时间产生生电路路电子子计数器根本数器根本组成方框成方框1输入通道入通道 输入通道即输入电路。其作用是接受被测信号，并对被测信号进展放大整形，然后送入闸门即主门或信号门。输入通道通常包括A、B 两个独立的单元电路。 A通道是计数脉冲信号的通道。它对输入信号进行放大整形、变换，输出计数脉冲信号。计数脉冲信号经过闸门进入十进制计数器, 是十进制计数器的触发脉冲源。 B通道是闸门时间信号的通道，用于控制闸门的开启和封锁。输入信号经整形后用来触发门控电路双稳态触发器
7、，使其形状翻转。以一个脉冲开启闸门，而以随后的一个脉冲封锁闸门，两脉冲的时间间隔为闸门时间。在此期间，十进制计数器对经过A通道的计数脉冲进展计数。 2计数数显示示电路路 计数数显示示电路是一个十路是一个十进制制计数数显示示电路，将路，将被被测信号信号转换成于之成比例的脉冲信号，由成于之成比例的脉冲信号，由放大整形放大整形电路完成。再路完成。再对经过闸门的脉冲的脉冲即即计数脉冲数脉冲进展展计数，并以十数，并以十进制方式制方式显示示计数数结果。果。计数数显示示电路由路由计数器、存放数器、存放器、器、译码器、器、显示示电路路组成。成。3规范范时间产生生电路路 规范时间信号由石英晶体振荡器提供，作为电
8、子计数器的内部时间基准。测周期时，规范时间信号经过放大整形和倍频或分频，用作测周期时的计数脉冲，称为时标信号；测频时，规范时间信号经过放大整形和一系列分频，用作控制门控电路的时基信号，时基信号经过门控电路构成门控信号。4逻辑控制控制电路路逻辑控制控制电路路 其主要功能是其主要功能是产生各种控制生各种控制信号，如信号，如产生生测频时的的门控信号、控信号、时间丈量丈量的的时标信号等，用于控制信号等，用于控制电子子计数器各数器各单元元电路的路的协调任任务。普通每一次丈量的任。普通每一次丈量的任务程程序是：序是： 预备计数数显示示复零复零预备下次丈量下次丈量测周期周期时: 规范范时间信号晶振信号晶振经
9、过放大放大整形和倍整形和倍频电路，送入路，送入A通道，用作通道，用作测周周期期时的的计数脉冲，称数脉冲，称为时标信号；信号；测频率率时: 规范范时间信号晶振信号晶振经过放大放大整形和一系列分整形和一系列分频，送入，送入B通道，用作控制通道，用作控制门控控电路的信号，称路的信号，称为时基信号。基信号。3. 电子子计数器的主要技数器的主要技术目的目的 1) 测试功能：功能： 2) 丈量范丈量范围：仪器的有效丈量器的有效丈量范范围 3) 晶振晶振频率及率及稳定度定度 4) 输入特性入特性 ： 1输入耦合方式入耦合方式 2触触发电平及其平及其可可调范范围 3输入灵敏度入灵敏度 4最高最高输入入电压 5
10、输入阻抗入阻抗 (5) 丈量准确度丈量准确度 (6) 闸门时间和和时标 (7) 显示及任示及任务方式方式 (8) 输出出 5.2.2 电子子计数器丈量数器丈量频率率倍倍频系数系数 m 分分频系数系数 Kf fx 被测信号频率，其倒数为周期 Tx； N 闸门开启期间十进制计数器计出 的计数脉冲个数； fs 晶振信号频率；Ts 晶振信号周期；m 倍频系数；Kf 分频系数；闸门时间 Kf Ts 闸门时间选择 调理 Kf 的旋钮；公式关系设计数结果为 N：N个计数的周期门控时间为了使N值可以直接表示 fx :即当闸门时间为 110n s (n为整数)，并且使闸门开启时间的改动与计数器显示屏上小数点位置
11、的挪动同步进展时，无需对计数结果进展换算，就可直接读出丈量结果。常取 mKf Ts = 1ms、10ms、0.1s、1s、10s等几种闸门时间。5.2.3 电子子计数器丈量周期数器丈量周期TX Kf 为闸门时间 ； Kf 分频器分频次数 ； Ts 为晶振信号周期；调理 Kf 的旋钮称为 “周期倍乘率 ;改动 Ts / m 的大小的旋钮称为“时标选择开关。 5.2.4 电子子计数器的其他运用数器的其他运用1. 丈量丈量频率比率比 2. 丈量累加丈量累加计数数 累加计数指的是在限定时间内，对输入的计数脉冲进展累加。 累加计数的丈量是在限定时间内，对输入的计数脉冲进展累加。其丈量原理与丈量频率是类似
12、的，其电路原理框图如图5-9所示，计数脉冲信号由A输入通道输入，经放大整形电路转换成脉冲信号。控制信号由B输入通道输入，当参与一个启动信号后，时间闸门翻开，计数器立刻对计数信号脉冲进展累加计数，当再参与一个停顿信号时，时间闸门封锁，计数器停顿计数。此时计数器所显示的计数值N，就是从启动到停顿两信号间输入计数脉冲信号的脉冲个数，即Nx=N 。 3. 丈量时间间隔丈量时间间隔如图5-10所示为计数器丈量两个脉冲之间时间间隔的原理框图，其丈量原理与丈量周期原理类似，相当于用被测信号来控制计数。两个被测信号分别由A端和B端输入，用其跳变沿来控制闸门的开启和封锁。A信号用来翻开闸门，B信号用来封锁闸门，
13、时标信号Tc作为计数脉冲，在闸门翻开的时间内，由计数器进展计数，那么两个信号之间的时间间隔为 tab = NTC 。4. 自检自校 检查仪器本身的器本身的逻辑功能以及功能以及电路的任路的任务能否正常。能否正常。 由图可见，自检就是电子计数器对内部时间基准信号源进展丈量，检测过程与丈量频率的原理类似，不过自检时的计数脉冲不再是被测信号而是晶振信号经分频后产生的时标信号Tc。显然，此时计数值为 N=TS / TC 。5.3 电子子计数器的丈量数器的丈量误差分析差分析1. 丈量丈量误差的来源差的来源 量化量化误差差 触触发误差差 规范范频率率误差差1量化量化误差差量化量化误差是在将模差是在将模拟量量
14、转换为数字量的量数字量的量化化过程中程中产生的生的误差，是数字化差，是数字化仪器所特器所特有的有的误差，是不可消除的差，是不可消除的误差。差。量化量化误差的特点是：差的特点是：无无论计数数值为多少多少, 每次的每次的计数数值总是相差是相差1。量化量化误差的公式差的公式为：量化量化误差的相差的相对误差公式差公式为：量化误差公式分析:从公式可看出，从公式可看出，总读N数越大，数越大，N 越小，丈量越小，丈量的相的相对准确度就越高。准确度就越高。例如：例如：计数器数器读数数 N=100时， N =1% 读数数 N=10000时， N =0.01% 同是同是1个字的个字的误差，但差，但对丈量准确度的影
15、响丈量准确度的影响 却大不一却大不一样。2触发误差触发误差 触触发误差又称差又称为转换误差差产生生缘由：被由：被测信号在整形信号在整形过程中，由于程中，由于 整形整形电路本身触路本身触发电平的抖平的抖动， 被被测信号叠加有噪声，信号叠加有噪声， 各种干各种干扰信号等信号等缘由，由，使得整形后的脉冲周期不等于被使得整形后的脉冲周期不等于被测信号的周信号的周期，由此而期，由此而产生的生的误差称差称为触触发误差。差。 闸门开启开启时间为 :触触发误差的相差的相对误差差 ：Un 为噪声或干噪声或干扰信号的最大幅度信号的最大幅度, Um 为被被测信号信号电压幅度幅度, Kf 为B通道分通道分频器分器分频
16、次数。次数。触触发误差差 对丈量周期的影响丈量周期的影响较大，大， 对丈量丈量频率的影响率的影响较小。小。3规范范频率率误差差 规范范频率率误差指的是由于晶振信号不差指的是由于晶振信号不稳定等定等缘由而由而产生的生的误差。差。 2. 丈量丈量误差的分析差的分析2测周周误差：差：1测频误差：差：要减小量化要减小量化误差差对测频的影响，的影响，应设法增大法增大计数数值N。在在A通道中通道中选用倍用倍频次数次数m较大的倍大的倍频器，即器，即选用短用短时标信号；信号；在在B通道中增大分通道中增大分频次数次数Kf ，延伸，延伸闸门时间；可以直接丈量高；可以直接丈量高频信号的信号的频率。率。要减小要减小测
17、周量化周量化误差差应设法增大法增大计数数值N。在在A通道中通道中选用倍用倍频次数次数m较大的倍大的倍频器，器，即即选用短用短时标信号；信号；在在B通道中增大分通道中增大分频次数次数Kf ，即延伸，即延伸闸门时间，该方法称方法称为多周期丈量法；可以直接多周期丈量法；可以直接丈量低丈量低频信号的周期。信号的周期。5.4 通用通用计数器数器实例例1. NFC-100多功能多功能计数器数器1技技术目的目的 1测试功能功能 ：频率、周期、累加率、周期、累加计数、自数、自检。 2丈量范丈量范围：测频0.1Hz100MHz, 测周周0.4s10s 累加累加计数数1108。 3输入特性入特性 1输入耦合方式入
18、耦合方式 AC。2输入入电压范范围 30mV10V，但不，但不 同量程的范同量程的范围不同。不同。3输入阻抗入阻抗 ； 。 4 闸门时间 10ms、0.1s、1s、10s 。 5 时标晶振晶振 0.1s 。 6 显示位数及示位数及显示器件示器件 8位位 LED 。 7 输出出: 频率率:10MHz 电压:1VP-P 波形波形:正弦波正弦波 2任任务原理原理主要主要组成：成：输入通道，入通道，预定定标分分频器器 主机丈量主机丈量单元，晶振，元，晶振，显示示单元元 。 主机丈量主机丈量单元直接元直接计数数频率率为10MHZ，在，在输入入高于高于10MHZ频率信号率信号时，需求，需求经过预定定标分分
19、频器除器除以以10后，后，送入主机丈量。送入主机丈量。 主机丈量单元 电路由大路由大规模集成模集成电路路ICM7226B组成。成。 ICM7226B: 多位多位计数器，数器， 存放器存放器电路路, 时基基电路路, 逻辑控制控制电路路, 显示示译码驱动电路路, 溢出和消溢出和消隐电路，路，并可直接并可直接驱动外接的共阴极外接的共阴极LED显示数示数码管，管，以以扫描方式描方式显示丈量示丈量结果。果。当当IC7226B功能功能输入端和入端和闸门时间输入端分入端分别接入不同的接入不同的扫描位脉冲信号描位脉冲信号时，其丈量，其丈量逻辑功能功能发生生变化。分化。分别完成完成“频率、率、“周周期、期、“计
20、数、数、“自自检 等功能。等功能。闸门时间在在时标为10MHz时为10ms、0.1s、1s、10s，在其他，在其他时标时，闸门时间将随之将随之作相作相应变化。化。3电子子计数器的运用及本卷数器的运用及本卷须知知简介介 NFC-100型型电子子计数器的前面板如数器的前面板如图5-16所示：所示：“功能功能键FUNCTION包括包括“累加累加计数数TOT、“周期周期(PER)、“频率率(FREQ)、“自自检(CHK)四个按四个按键，每个按，每个按键对应一种丈量功能；一种丈量功能；功能功能键右右边的四个按的四个按键在丈量在丈量频率、周期率、周期时，分，分别称称为“频率丈量率丈量时间FREQ MEAS
21、URE TIME、“周周期倍乘率期倍乘率PERIOD AVERAGE选择开关，用于开关，用于选择频率丈量率丈量时间和周期倍乘率，它和周期倍乘率，它们与被与被丈量的范丈量的范围配合运用。配合运用。本章小结本章引见了时间和频率的丈量方法、电子计数器的组成、通用电子计数器的功能、丈量原理和丈量误差分析，以及电子计数器实例引见等。频率的丈量方法有很多，如示波器丈量法、电子计数器、数字频率计，其中电子计数器丈量频率具有精度高、运用方便、丈量速度快以及便于实现丈量过程自动化等优点。频率的丈量可以分为模拟法和数字法两大类，模拟法又可分为直接法和比较法两种，直接法又有谐振法和电桥法两种。谐振法是利用电路的频率呼应特性来丈量频率。电桥法是利用电桥平衡原理来丈量频率。比较法有拍频法、差频法和示波器法。比较法是利用知的参考频率同被测频率进展比较而测得被测频率的。示波器法是先读出波形在示波器上的周期再换算成频率。 电子计数器中运用最广泛的是通用电子计数器。通用电子计数器输入通道、计数显示电路、规范时间产生电路和逻辑控制电路组成。具有丈量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数以及自检等功能。它的丈量原理是闸门开启时间等于计数脉冲周期与计数脉冲计数值之积。在进展不同参数丈量时，由任务方式选择开关经过改动计数脉冲信号和闸门时间来实现选择。本章小结
