时间与频率的测量

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1、3.1.1 3.1.1 时间、频率的基本概念 1 1 1 1）时间和频率的定义）时间和频率的定义时间有两个含义：时间有两个含义： “ “时刻时刻” ”：即某个事件何时发生；：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：时间间隔时间间隔T T T T内周期信号重复变化了内周期信号重复变化了N N N N次，则次，则频率可表达为：频率可表达为：f fN/TN/T时间与频率的关系：时间与频率的关系：可以互相转换。可以互相转换。2) 2) 时频测量的特点最常见和最重要的测量最常见和最重要的测量时间

2、是时间是7 7 7 7个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要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、科学试验、医的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等疗、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。测量准确度高测量准确度高时间频率基准具有最高准确度（可达时间频率基准具有最高准确度（可达10101010-14-14-14-14），校准），校准（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。因此，因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。许多物理量的

3、测量都转换为时频测量。自动化程度高自动化程度高测量速度快测量速度快3）测量方法概述频率的测量方法可以分为：频率的测量方法可以分为：差频法拍频法示波法电桥法谐振法比较法直读法李沙育图形法测周期法模拟法频率测量方法数字法电容充放电法电子计数器法u各种测量方法有着各种测量方法有着不同的实现原理不同的实现原理，其复杂程度，其复杂程度不同。不同。u各种测量方法有着各种测量方法有着不同的测量准确度和适用的频不同的测量准确度和适用的频率范围率范围。u数字化电子计数器法是时间、频率测量的主要方数字化电子计数器法是时间、频率测量的主要方法，是本章的重点。法，是本章的重点。3.1.2 3.1.2 电子计数器概述1

4、 1）电子计数器的分类）电子计数器的分类按功能可以分为如下四类：按功能可以分为如下四类： （1 1 1 1）通用计数器：）通用计数器：可测量频率、频率比、周期、时间间可测量频率、频率比、周期、时间间隔、累加计数等。其测量功能可扩展。隔、累加计数等。其测量功能可扩展。 （2 2 2 2）频率计数器：）频率计数器：其功能限于测频和计数。但测频范围其功能限于测频和计数。但测频范围往往很宽。往往很宽。 （3 3 3 3）时间计数器：）时间计数器：以时间测量为基础，可测量周期、脉以时间测量为基础，可测量周期、脉冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。冲参数等，其测时分辨力和准确度很高。 （4 4 4 4）特

5、种计数器）特种计数器: : : :具有特殊功能的计数器。包括可逆计具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。数器、序列计数器、预置计数器等。用于工业测控。1）电子计数器的分类u按用途可分为：按用途可分为：测量用计数器和控制用计数器。测量用计数器和控制用计数器。u按测量范围可分为：按测量范围可分为：（1 1 1 1）低速计数器（低于）低速计数器（低于10MHz10MHz10MHz10MHz） （2 2 2 2）中速计数器（）中速计数器（10100MHz10100MHz10100MHz10100MHz） （3 3 3 3）高速计数器（高于）高速计数器（高于100

6、MHz100MHz100MHz100MHz） （4 4 4 4）微波计数器（）微波计数器（180GHz180GHz180GHz180GHz） 2 2）主要技术指标（1 1）测量范围：）测量范围：毫赫毫赫 几十几十GHzGHz。（2 2）准确度：）准确度：可达可达1010-9-9以上。以上。（3 3）晶振频率及稳定度：）晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内晶体振荡器是电子计数器的内部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（1010倍）。输出频率为倍）。输出频率为1MHz1MHz、2.5MHz2.5MHz、5MHz5MHz、10M

7、Hz10MHz等，普通晶振稳定度为等，普通晶振稳定度为1010-5-5，恒温晶振达，恒温晶振达1010-7-71010-9-9。（4 4）输入特性：）输入特性：包括耦合方式（包括耦合方式（DCDC、ACAC）、触发电平）、触发电平（可调）、灵敏度（可调）、灵敏度（10100mV10100mV）、输入阻抗（）、输入阻抗（50 50 低阻低阻和和1M 1M /25pF/25pF/25pF/25pF高阻）等。高阻）等。（5 5）闸门时间）闸门时间( (测频测频) )：有：有1ms1ms、10ms10ms、100ms100ms、1s1s、10s10s。（6 6）时标）时标( (测周测周) )：有：有1

8、0ns10ns、100ns100ns、1ms1ms、10ms10ms。（7 7）显示：）显示：包括显示位数及显示方式等。包括显示位数及显示方式等。3 3）电子计数器的发展测量方法的不断发展：测量方法的不断发展：模拟模拟数字技术数字技术智能化。智能化。测量准确度和频率上限是电子计数器的两个重要指测量准确度和频率上限是电子计数器的两个重要指标，电子计数器的发展体现了这两个标，电子计数器的发展体现了这两个指标的不断指标的不断提高提高及及功能的扩展和完善功能的扩展和完善。 例子：例子： 通道：通道：两个两个225MHz225MHz225MHz225MHz通道，也可通道，也可选择第三个选择第三个12.4

9、GHz12.4GHz12.4GHz12.4GHz通道。通道。 每秒每秒12121212位的频率分辨率、位的频率分辨率、150ps150ps150ps150ps的时间间隔分辨率。的时间间隔分辨率。 测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、峰电压、时间间峰电压、时间间隔平均和时间间隔延迟。隔平均和时间间隔延迟。 处理功能：处理功能：平均值、最小值、最大值和标准偏差。平均值、最小值、最大值和标准偏差。3.2 时间与频率标准3.2.1 3.

10、2.1 时间与频率的原始标准 1 1 1 1）天文时标）天文时标 2 2 2 2）原子时标）原子时标3.2.2 3.2.2 石英晶体振荡器 1 1 1 1）组成）组成 2 2 2 2）指标）指标3.2.1 3.2.1 时间与频率的原始标准1 1）天文时标原始标准应具有原始标准应具有恒定不变性恒定不变性。频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。频率和时间互为倒数，其标准具有一致性。宏观标准和微观标准宏观标准和微观标准宏观标准：基于天文观测；宏观标准：基于天文观测；微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。微观标准：基于量子电子学，更稳定更准确。世界时世界时（UT,Universal TimeUT,U

11、niversal TimeUT,Universal TimeUT,Universal Time）: : : :以以地球自转周期地球自转周期(1(1(1(1天天) ) ) )确定确定的时间，即的时间，即1/(246060)=1/864001/(246060)=1/864001/(246060)=1/864001/(246060)=1/86400为为1 1 1 1秒。其误差约为秒。其误差约为101010107 7 7 7量级。量级。 1 1）天文时标为世界时确定时间观测的为世界时确定时间观测的参考点参考点，得到，得到平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想平太阳时：由于地球自转周期存在不均匀

12、性，以假想的的平太阳平太阳作为基本参考点。作为基本参考点。零类世界时（零类世界时（UTUTUTUT0 0 0 0 ）：以平太阳的子夜）：以平太阳的子夜0 0 0 0时为参考。时为参考。第一类世界时（第一类世界时（UTUTUTUT1 1 1 1）：对地球自转的极移效应（自转）：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。轴微小位移）作修正得到。第二类世界时（第二类世界时（UTUTUTUT2 2 2 2）：对地球自转的季节性变化（影）：对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正得到。准确度为响自转速率）作修正得到。准确度为3103103103108 8 8 8 。历书时（历书时（ETETE

13、TET）：）：以地球绕太阳公转为标准以地球绕太阳公转为标准，即公转周，即公转周期（期（1 1 1 1年）的年）的31 556 925.974731 556 925.974731 556 925.974731 556 925.9747分之一为分之一为1 1 1 1秒。参考点为秒。参考点为1900190019001900年年1 1 1 1月月1 1 1 1日日0 0 0 0时（国际天文学会定义）。准确度达时（国际天文学会定义）。准确度达1101101101109 9 9 9 。于于1960196019601960年第年第11111111届国际计量大会接受为届国际计量大会接受为“ “秒秒” ”的标准

14、。的标准。2 2）原子时标 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。原子时标（原子时标（ATAT）的量子电子学基础）的量子电子学基础原子（分子）在能级跃迁中将吸收原子（分子）在能级跃迁中将吸收( ( ( (低能级到高能级低能级到高能级) ) ) )或辐或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。射（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=6.625210h=6.625210h

15、=6.625210-27-27-27-27为普朗克常数，为普朗克常数，E E E En n n n、E E E Em m m m为受激态的为受激态的两个能级，两个能级，f f f fn-mn-mn-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。2 2）原子时标u原子时标的定义1967196719671967年年10101010月，第月，第13131313届国际计量大会正式通过了届国际计量大会正式通过了秒的新定义：秒的新定义：“ “秒是秒是CsCsCsCs133133133133原子原子基态的两个超精细结基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续构能级之间跃迁频率相应的射

16、线束持续9,192,631,7709,192,631,7709,192,631,7709,192,631,770个周期的时间个周期的时间” ”。1972197219721972年起实行，为全世界所接受。秒的定义由年起实行，为全世界所接受。秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了了45454545个量级，达个量级，达510510510510-14-14-14-14( ( ( (相当于相当于62626262万年万年1111秒秒) ) ) )，并仍在提高。并仍在提高。2 2）原子时标uu原子钟原子钟原子时标的实物仪器，可用于时间、频率标准的发布

17、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。uu铯原子钟铯原子钟准确度：准确度：1010-13-131010-14-14。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。uu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。uu氢原子钟氢原子钟短期稳定度高：短期稳定度高：1010-14-141010-15-15，但准确度较低（，但准确度较低（1010-12-12）。）。 对频率源的主要要求: : 准、稳(1)(1)频率

18、准确度(2)(2)频率稳定度：指在一定时间间隔内频率准确度的变化。即频率 的不稳定度。 A A、长期稳定度：按年或月范围内的频率变化。 变化率：一定时间间隔内频率的平均相对漂移。B、短期稳定度：日或小时范围内频率值最大变化(日波动)。C、瞬时稳定度：秒或毫秒范围内频率波动。3.2.2 3.2.2 石英晶体振荡器u电子计数器电子计数器内部时间、频率基准内部时间、频率基准采用采用石英晶体振石英晶体振荡器（简称荡器（简称“ “晶振晶振” ”）为基准信号源。）为基准信号源。u基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频率率易受温度影响易受温度影响（其频率（其频率

19、- -温度特性曲线有拐点，温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为1010-5-5。u采用温度补偿或恒温措施采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）（恒定在拐点处的温度）可得到高稳定、高准确的频率输出。可得到高稳定、高准确的频率输出。u下图为恒温晶振的组成。下图为恒温晶振的组成。2 2）指标晶体振荡器的主要指标有晶体振荡器的主要指标有: :输出频率输出频率:1MHz:1MHz:1MHz:1MHz、2.5MHz2.5MHz2.5MHz2.5MHz、5MHz5MHz5MHz5MHz、10MHz10MHz10MHz10MHz。 日波动日波动

20、:210:210:210:210-10-10-10-10；日老化；日老化:110:110:110:110-10-10-10-10；秒稳；秒稳:510:510:510:510-12-12-12-12。输出波形输出波形: : : :正弦波；输出幅度正弦波；输出幅度:0.5Vrms(:0.5Vrms(:0.5Vrms(:0.5Vrms(负载负载50)50)50)50)。几种不同类型的晶体振荡器指标几种不同类型的晶体振荡器指标 晶振类型晶振类型输出频率输出频率(MHz)(MHz)日稳定度日稳定度准确度准确度普通普通1 1，10101010-5-51010-6-61010-5-5温度补偿温度补偿1 1，

21、5 5，10101010-6-61010-7-71010-6-6单恒温槽单恒温槽1 1，2.52.5，5 5，10101010-7-71010-9-91010-6-61010-8-8双恒温槽双恒温槽2.52.5，5 5，10101010-9-91010-11-11优于优于1010-8-83.3 时间和频率的测量原理3.3.1 3.3.1 模拟测量原理 1 1 1 1）直接法）直接法 2 2 2 2）比较法）比较法3.3.2 3.3.2 数字测量原理 1 1 1 1）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理 2 2 2 2）通用计数器的基本组成）通用计数器的基本组成3.3.1 3.3.1 模拟测量

22、原理 1 1 1 1）直接法）直接法直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值，其又可细分为又可细分为谐振法和电桥法谐振法和电桥法两种。两种。（1 1 1 1）谐振法：谐振法：调节可变电容器调节可变电容器C C使回路发生谐振使回路发生谐振，此时回，此时回路电流达到最大路电流达到最大( (高频电压表指示高频电压表指示) )，则，则 可测量可测量1500MHz1500MHz以下的频率，准确度以下的频率，准确度(0.25(0.25(0.25(0.251)%1)%1)%1)%。 ( ( ( ( 2 2）电桥电桥法：法：利用电桥的平衡条件和频率有关的

23、特性来进利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量行频率测量, ,通常采用如下图所示的文氏电桥来进行测量。通常采用如下图所示的文氏电桥来进行测量。调节调节R R1 1、R R2 2使电桥达到平衡，则有使电桥达到平衡，则有令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：令平衡条件表达式两端实虚部分别相等，得到：和和于是，被测信号频率为：于是，被测信号频率为：通常取通常取R R1 1=R=R2 2=R, C=R, C1 1=C=C2 2=C=C，则，则测量准确度：测量准确度：受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准受桥路中各元件的精确度、判断电桥平衡的准确程度（取决于桥路谐振特性的尖锐度即指示器的

24、灵敏度）确程度（取决于桥路谐振特性的尖锐度即指示器的灵敏度）和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为和被测信号的频谱纯度的限制，准确度不高，一般约为(0.5(0.5(0.5(0.51)%1)%1)%1)%。 2 2）比较法基本原理基本原理利用利用标准频率标准频率f f f fs s s s和被测量频率和被测量频率f f f fx x x x进行比较进行比较来测量频率。有来测量频率。有拍频法、外差法、示波法以及计数法拍频法、外差法、示波法以及计数法等。等。数学模型为：数学模型为：拍频法：拍频法：将标准频率与被测频率叠加，由指示器（耳将标准频率与被测频率叠加，由指示器（耳机或电压表）指示。

25、适于机或电压表）指示。适于音频测量音频测量（很少用）。（很少用）。外差法：外差法：将标准频率与被测频率混频，取出差频并测将标准频率与被测频率混频，取出差频并测量。可测量范围达量。可测量范围达几十几十MHzMHzMHzMHz（外差式频率计）。（外差式频率计）。示波法：示波法：李沙育图形法：将李沙育图形法：将f f f fx x x x和和f f f fs s s s分别接到示波器分别接到示波器Y Y Y Y轴和轴和X X X X轴（轴（X-YX-YX-YX-Y图示方式），当图示方式），当f f f fx x x xf f f fs s s s时显示为斜线时显示为斜线（椭圆或园）；测周期法：直接根

26、据显示波形由（椭圆或园）；测周期法：直接根据显示波形由X X X X通通道道扫描速率扫描速率得到周期，进而得到频率。得到周期，进而得到频率。3.3.2 3.3.2 数字测量原理1 1 1 1）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理时间、频率量的特点时间、频率量的特点 频率是在时间轴上无限延伸的频率是在时间轴上无限延伸的，因此，对频率量的测量，因此，对频率量的测量需确定一个需确定一个取样时间取样时间T T，在该时间内对被测信号的周期累，在该时间内对被测信号的周期累加计数加计数( (若计数值为若计数值为N)N)，根据，根据f fx x=N/T=N/T得到频率值。得到频率值。为实现时间（这里指时间间

27、隔）的数字化测量，需将被测为实现时间（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测时间按尽可能小的时间按尽可能小的时间单位（称为时标）时间单位（称为时标）进行量化，通过进行量化，通过累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）得到。得到。测量原理测量原理将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信号），由一个时为时标信号），由一个“ “闸门闸门” ”（主门）控制，并由一个（主门）控制，并由一个“ “门控门控” ”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停

28、止）。止）。3.3.2 3.3.2 数字测量原理闸门可由闸门可由一个与（或一个与（或“ “或或” ”）逻辑门电路实现）逻辑门电路实现。这种测量方。这种测量方法称为门控计数法。其原理如下图所示。法称为门控计数法。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时闸门开启（允许计时闸门开启（允许计数），为数），为 00时闸门关闭（停止计数）。时闸门关闭（停止计数）。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” ”）即为采样时间）即为采样时间。 测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间测时间（间隔）时，

29、闸门开启时间即为被测时间。2 2）通用计数器的基本组成通用电子计数器的组成框图如下图所示：通用电子计数器的组成框图如下图所示：2 2）通用计数器的基本组成u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通道：通常有输入通道：通常有A A A A、B B B B、C C 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。通过预定标器还可通过预定标器还可扩展频率测量范围扩展频率测量范围。主门电路：完成计数的

30、主门电路：完成计数的闸门控制闸门控制作用。作用。计数与显示电路：计数电路是通用计数器的计数与显示电路：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。时基产生电路：产生时基产生电路：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，即时间测量的时标和频率测量的闸门信号。时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，即准备测量测量显示。显示。3.4 电子计数器的组成原理和测量功能3.4.1 3.4.1 3.4.

31、1 3.4.1 电子计数器的组成电子计数器的组成 1 1 1 1）A A A A、B B B B输入通道输入通道 2 2 2 2）主门电路）主门电路 3 3 3 3）计数与显示电路）计数与显示电路 4 4 4 4）时基产生电路）时基产生电路 5 5 5 5）控制电路）控制电路3.4.2 3.4.2 3.4.2 3.4.2 电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能 1 1 1 1）频率测量）频率测量 2 2 2 2）频率比测量）频率比测量 3 3 3 3）周期测量）周期测量 4 4 4 4）时间间隔测量）时间间隔测量 5 5 5 5）自检）自检放 大 整形 电 路闸门十 进 制计 数 器显示器晶

32、振分频器门控电路逻 辑 控制 电 路A输入工作波形：放大整形电路：二 极 管 限 幅宽 带 放大器整 形施密特触发器至主门T工作过程：寄存1 1）A A、B B输入通道作用：作用：它们主要由放大它们主要由放大/ / / /衰减、滤波、整形、触发（包括衰减、滤波、整形、触发（包括出发电平调节）等单元电路构成。其作用是出发电平调节）等单元电路构成。其作用是对输入信号处对输入信号处理以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号理以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号。通过预定标器（外插件）还可通过预定标器（外插件）还可扩展频率测量范围扩展频率测量范围。斯密特触发电路：斯密特触发电路：利用斯密特触发

33、器的利用斯密特触发器的回差特性回差特性，对输，对输入信号具有较好的抗干扰作用。入信号具有较好的抗干扰作用。1 1）A A、B B输入通道uu通道组合可完成不同的测量功能：通道组合可完成不同的测量功能：被计数的信号（常从被计数的信号（常从A A A A通道输入）称为计数端；控制闸门开启的信通道输入）称为计数端；控制闸门开启的信号通道（常从号通道（常从B B B B、C C C C通道输入）称为控制端。通道输入）称为控制端。从计数端输入的信号有：被测信号从计数端输入的信号有：被测信号(fx);(fx);(fx);(fx);内部时标信号等内部时标信号等; ; ; ;从控制端输入的信号有：闸门信号；被

34、测信号从控制端输入的信号有：闸门信号；被测信号(Tx)(Tx)(Tx)(Tx)等；等；序号计数端信号控制端信号测试功能计数结果1内时钟（T0）内时钟（T）自检N=T/T02被测信号（fx）内时钟（T）测量频率（A）fxN/T3内时钟（T0）被测周期（Tx）测量周期（B）TxNT04被测信号（fA）被测信号（fB）测量频率比（A/B）fA/fB=N5内时钟（T0）被测信号相应间隔tB-C测量时间间隔（A-B）tB-C=NT06外输入（TA）被测信号相应间隔tB-C测量外控时间间隔B-CtB-C=NTA7外待测信号（Nx）手控或遥控累加计数（A）NxN8内时钟（秒信号）手控或遥控计时 N（秒）2

35、2）主门电路功能：功能：主门也称为闸门，通过主门也称为闸门，通过“ “门控信号门控信号” ”控制进入计数器控制进入计数器的脉冲，使计数器只对预定的的脉冲，使计数器只对预定的“ “闸门时间闸门时间” ”之内的脉冲计数。之内的脉冲计数。 电路：电路：由由“ “与门与门” ”或或“ “或门或门” ”构成。其原理如下图：构成。其原理如下图：由由“ “与门与门” ”构成的主门，其构成的主门，其“ “门控信号门控信号” ”为为 11时，允许计数脉时，允许计数脉冲通过；冲通过；由由“ “或门或门” ”构成的主门，其构成的主门，其“ “门控信号门控信号” ”为为 00时，允时，允许计数脉冲通过。许计数脉冲通过

36、。 “ “门控信号门控信号” ”还可还可手动操作手动操作得到，如实现手动累加计数。得到，如实现手动累加计数。3 3）计数与显示电路功能：功能：计数电路对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表计数电路对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表了被测频率或时间），并通过数码显示器将测量结果直观了被测频率或时间），并通过数码显示器将测量结果直观地显示出来。地显示出来。为了便于观察和读数，通常使用为了便于观察和读数，通常使用十进制计数电路十进制计数电路。计数电路的重要指标：最高计数频率。计数电路的重要指标：最高计数频率。计数电路一般由多级双稳态电路构成，受内部状态翻转的计数电路一般由多级双稳态电路构成，受内部状

37、态翻转的时间限制，使计数电路存在时间限制，使计数电路存在最高计数频率的限制最高计数频率的限制。而且对。而且对多位计数器，最高计数频率主要由多位计数器，最高计数频率主要由个位计数器个位计数器决定。决定。不同电路具有不同的工作速度：不同电路具有不同的工作速度：如如74LS74LS74LS74LS（74HC74HC74HC74HC）系列）系列为为3040MHz3040MHz3040MHz3040MHz；74S74S74S74S系列为系列为100MHz100MHz100MHz100MHz；CMOSCMOSCMOSCMOS电路约电路约5MHz5MHz5MHz5MHz；ECLECLECLECL电电路可达路

38、可达600MHz600MHz600MHz600MHz。3 3）计数与显示电路u类型：单片集成与可编程计数器类型：单片集成与可编程计数器单片集成的中小规模单片集成的中小规模ICIC如：如：74LS9074LS90（MC11C90MC11C90）十进）十进制计数器；制计数器；74LS39074LS390、CD4018(MC14018)CD4018(MC14018)为双十进制为双十进制计数器。计数器。可编程计数器可编程计数器ICIC如：如：Intel8253/8254Intel8253/8254等。等。u显示器显示器LEDLED、LCD LCD 、荧光（、荧光（VFDVFD）等。）等。u显示电路：显

39、示电路：包括锁存、译码、驱动电路。包括锁存、译码、驱动电路。如如74LS4774LS47、CD4511CD4511等。等。u专用计数与显示单元电路：专用计数与显示单元电路：如如ICM7216DICM7216D。4 4）时基产生电路功能：功能：产生测频时的产生测频时的“ “门控信号门控信号” ”（多档闸门时间可选）及（多档闸门时间可选）及时间测量时的时间测量时的“ “时标时标” ”信号（多档可选）。信号（多档可选）。实现：实现：由内部晶体振荡器（也可外接），通过倍频或分频由内部晶体振荡器（也可外接），通过倍频或分频得到。再得到。再通过门控双稳态触发器得到通过门控双稳态触发器得到“ “门控信号门控

40、信号” ”。 如，若如，若fc=1MHz,fc=1MHz,fc=1MHz,fc=1MHz,经经101010106 6 6 6分频后，可得到分频后，可得到fs=1Hz(fs=1Hz(fs=1Hz(fs=1Hz(周期周期Ts=1s)Ts=1s)Ts=1s)Ts=1s)的时基信号，经过的时基信号，经过门控双稳态电路得门控双稳态电路得到宽度为到宽度为Ts=1sTs=1sTs=1sTs=1s的的门控信号。门控信号。4 4）时基产生电路要求：要求：标准性标准性： “ “门控信号门控信号” ”和和“ “时标时标” ”作为计数器频率和时间作为计数器频率和时间测量的本地工作基准，应当具有高稳定度和高准确度。测量

41、的本地工作基准，应当具有高稳定度和高准确度。多值性多值性：为了适应计数器较宽的测量范围，要求：为了适应计数器较宽的测量范围，要求“ “闸门闸门时间时间” ”和和“ “时标时标” ”可多档选择。可多档选择。常用常用“ “闸门时间闸门时间” ”有：有：1ms1ms、10ms10ms、100ms100ms、1s1s、10s10s。常用的常用的“ “时标时标” ”有：有：10ns10ns、100ns100ns、1us1us、10us10us、100us100us、1ms1ms。5 5）控制电路功能：功能：产生各种控制信号，控制、协调各电路单元的工作，产生各种控制信号，控制、协调各电路单元的工作，使整机

42、按使整机按“ “复零测量显示复零测量显示” ”的工作程序完成自动测量的的工作程序完成自动测量的任务。如下图所示：任务。如下图所示：准备期 （ 复零，等待） 测量期 （开门，计数） 显示期（关门，停止计数）3.4.2 3.4.2 电子计数器的测量功能1 1）频率测量）频率测量原理：计数器严格按照原理：计数器严格按照 的定义实现频率测量。的定义实现频率测量。根据上式的频率定义，根据上式的频率定义，T T为采样时间，为采样时间，N N为为T T内的周期数。内的周期数。采样时间采样时间T T预先由闸门时间预先由闸门时间TsTs确定（时基频率为确定（时基频率为fs fs）。则）。则或或该式表明，在数字化

43、频率测量中，可用计数值该式表明，在数字化频率测量中，可用计数值N N表示表示fxfx。它体。它体现了数字化频率测量的比较法测量原理。现了数字化频率测量的比较法测量原理。例如：例如：闸门时间闸门时间Ts=1sTs=1s，若计数值，若计数值N=10000N=10000，则显示的，则显示的fxfx为为“ “10000”Hz10000”Hz，或，或“ “10.000”kHz10.000”kHz。如闸门时间。如闸门时间Ts=0.1sTs=0.1s，则计数值，则计数值N=1000N=1000，则显示的，则显示的fxfx为为 “ “10.00”kHz10.00”kHz。请注意：请注意：显示结果的有效数字末位

44、的意义，它显示结果的有效数字末位的意义，它表示了频率测量的分辨力表示了频率测量的分辨力（应等于时基频率（应等于时基频率fs fs ）。1）频率测量uu原理框图和工作波形图（原理框图和工作波形图（fxfx由由A A通道输入，内部时基）通道输入，内部时基）uu为便于测量和显示，计数器通常为为便于测量和显示，计数器通常为十进制计数器十进制计数器，多档，多档闸闸门时间设定为门时间设定为1010的幂次方的幂次方，这样可直接显示计数结果，并，这样可直接显示计数结果，并通过移动小数点和单位的配合，就可得到被测频率。通过移动小数点和单位的配合，就可得到被测频率。uu测量速度与分辨力：闸门时间测量速度与分辨力：

45、闸门时间TsTs为频率测量的采样时间，为频率测量的采样时间，TsTs愈大，则测量时间愈长，但计数值愈大，则测量时间愈长，但计数值N N愈大，分辨力愈高。愈大，分辨力愈高。TB放大、整形闸门门控电路计数显示Afx分频电路时基Ts3.4.2 3.4.2 电子计数器的测量功能2 2）频率比的测量）频率比的测量原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频率比的测量：率比的测量：fxfx对对fs fs的频率比的频率比。据此，若要测量据此，若要测量f fA A对对f fB B的频率比（假设的频率比（假设f fA AffB B），只要用），只要用f f

46、B B的周期的周期T TB B作为闸门，在作为闸门，在T TB B时间内对时间内对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 B分别由分别由A A、B B两通道输入，如下图。两通道输入，如下图。 注意：注意：频率较高者由频率较高者由A A通道输入，频率较低者由通道输入，频率较低者由B B通道输通道输入。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。例如：以例如：以B B通道信号的通道信号的1010个周期作为闸门信号，则计数值个周期作为闸门信号，则计数值为：为： , ,即计数值扩大了即计数值扩大了10

47、10倍，相应的测量精度也倍，相应的测量精度也就提高了就提高了1010倍。为得到真实结果，需将计数值倍。为得到真实结果，需将计数值N N缩小缩小1010倍倍（小数点左移（小数点左移1 1位），即位），即应用：应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。可方便地测得电路的分频或倍频系数。2）频率比的测量3 3）周期的测量）周期的测量原理：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TxTx，用已知的较小单位时间刻度，用已知的较小单位时间刻度T T0 0（“ “时标时标” ”）去量化，由去量化，由TxTx所包含的所包含的“ “时标时标” ”数数N N即可得到即可得到Tx

48、Tx。即。即该式表明，该式表明，“ “时标时标” ”的计数值的计数值N N可表示周期可表示周期TxTx。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TxTx得到得到闸门闸门；在；在TxTx内计数器对时标计数。内计数器对时标计数。TxTx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通通道外部输入断开）。道外部输入断开）。3.4.2 3.4.2 电子计数器的测量功能原理框图：原理框图：例如：例如：时标时标T T0 0=1us=1us，若计数值，若计数值N=10000N=10000，则显示的，则显示的

49、TxTx为为“ “10000”us10000”us，或或“ “10.000”ms10.000”ms。如时标。如时标T T0 0=10us=10us，则计数值，则计数值N=1000N=1000，显示的，显示的TxTx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，它表示了周期测量的分辨力表示了周期测量的分辨力（应等于时标（应等于时标T T0 0 ）。为便于显示，多档。为便于显示，多档时标设定为时标设定为1010的幂次方。的幂次方。测量速度与分辨力：测量速度与分辨力：一次测量时间即为一个周期一次测量时间即为一个周期TxTx

50、，TxTx愈大愈大( (频率频率愈低愈低) )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，时标愈小分辨力愈高。与时标有关，时标愈小分辨力愈高。3）周期的测量4 4）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。之间的时间段。在测量技术中，两在测量技术中，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相位点周期信号的两个同相位点（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

51、信号波形上两个不同点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，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经过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，门控时间即为被测的时间间隔。在门控时间内，仍的时间间隔。在门控时间内，仍采用采用“ “时标计数时标计数” ”方法方法测量测量（即所测时间间隔由（即所测时间间隔由“ “时标时标” ”量化）。量化）。3.4.2 3.4.2 电子计数器的测量功

52、能4）时间间隔的测量u原理框图原理框图欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由B B、C C通道通道输入。时标由机内提供。如下图。输入。时标由机内提供。如下图。 触发极性选择和触发电平调节触发极性选择和触发电平调节：为增加测量的灵活性，：为增加测量的灵活性，B B、C C输入通道都设置有触发极性输入通道都设置有触发极性(+(+、-) -)和触发电平调节，和触发电平调节，以完成各种时间间隔的测量。如下图的脉冲参数测量。以完成各种时间间隔的测量。如下图的脉冲参数测量。VBVc起始停止开门时间C(50%)B(50%)起始停止开门时间VBVcB(50%)C- (50%)

53、(50%) B B+ (50%) C +(50%) (50%) C(90%)闸门信号关门信号开门信号B (10%)4）时间间隔的测量4）时间间隔的测量u相位差的测量相位差的测量利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。间的相位差。两个信号分别由两个信号分别由B B、C C通道输入，并选择相同的触发极通道输入，并选择相同的触发极性和触发电平。性和触发电平。测量原理如下图：测量原理如下图：为减小测量误差，分别取为减小测量误差，分别取+ +、- -触发极性作两次测量，触发极性作两次测量，得到得到t t1 1、t t2 2再取平均，则再取平

54、均，则3.4.2 3.4.2 电子计数器的测量功能5 5）自检（自校）自检（自校）功能：功能：检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。实现方法：实现方法：为判断自检结果是否正确，该结果应该在自为判断自检结果是否正确，该结果应该在自检实施前即是已知的。为此，用机内的时基检实施前即是已知的。为此，用机内的时基TsTs（闸门信号）（闸门信号）对时标对时标T T0 0计数，则计数结果应为：计数，则计数结果应为：自检的方框图：自检的方框图：例如：例如：若选择若选择Ts=10ms,Ts=10ms,T T0 0=1us,=1us,则自检显示应则自检显示应稳定在稳定在N=100

55、00N=10000。自检自检不能检测内部基准源不能检测内部基准源。放 大 、整形晶振放 大 、整形闸门计数器显示门控电路分频电路T0Tx3.5 电子计数器的测量误差3.5.1 3.5.1 测量误差的来源1 1 1 1）量化误差；）量化误差；2 2 2 2）触发误差；）触发误差；3 3 3 3）标准频率误差）标准频率误差3.5.2 3.5.2 频率测量的误差分析1 1 1 1）误差表达式；）误差表达式；2 2 2 2）量化误差的影响；）量化误差的影响；3 3 3 3）实例分析）实例分析3.5.3 3.5.3 周期测量的误差分析1 1 1 1）误差表达式；）误差表达式；2 2 2 2）量化误差的影

56、响；）量化误差的影响；3 3 3 3）中界频率；）中界频率； 4 4 4 4）触发误差）触发误差3.5.1 3.5.1 测量误差的来源1 1 1 1）量化误差）量化误差什么是量化误差：什么是量化误差：由前述频率测量由前述频率测量fx=N/Ts=Nfsfx=N/Ts=Nfs和周期和周期测量测量Tx=NTTx=NT0 0，可见，可见，由于计数值由于计数值N N为整数为整数，fxfx和和TxTx必然必然产生产生“ “截断误差截断误差” ”，该误差即为，该误差即为“ “量化误差量化误差” ”。也称为。也称为“ “11误误差差” ”，它是所有数字化仪器都存在的误差。，它是所有数字化仪器都存在的误差。产生

57、原因：产生原因：量化误差并非由于计数值量化误差并非由于计数值N N的不准确（也并非的不准确（也并非标准频率源标准频率源fs fs或时标或时标T T0 0的不准确）造成。而是由于的不准确）造成。而是由于闸门开闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步引起（亦即开门和关门启和关闭的时间与被测信号不同步引起（亦即开门和关门时刻与被测信号出现的时刻是随机的），使得在闸门开始时刻与被测信号出现的时刻是随机的），使得在闸门开始和结束时刻有一部分时间零头没有被计算在内而造成的测和结束时刻有一部分时间零头没有被计算在内而造成的测量误差。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。1

58、1）量化误差uu如图，对同一被测信号，在相同的闸门时间内，计数结如图，对同一被测信号，在相同的闸门时间内，计数结果不同。根据频率定义，准确的果不同。根据频率定义，准确的fxfx应为应为式中，式中，即，即， 或或 因此，量化误差的影响相当于计数值因此，量化误差的影响相当于计数值N N的的“ “”个字。个字。 是随机的，它们是随机的，它们 服从均匀分布，其差值服从均匀分布，其差值 则服从三角分布。则服从三角分布。3.5.1 3.5.1 测量误差的来源2 2 2 2）触发误差）触发误差什么是什么是触发误差：触发误差：输入信号都需经过通道电路放大、整输入信号都需经过通道电路放大、整形等，得到脉冲信号，

59、即形等，得到脉冲信号，即输入信号输入信号( ( ( (转换为转换为) ) ) )脉冲信号脉冲信号。这种这种转换要求只对信号幅值和波形变换，不能改变其频率转换要求只对信号幅值和波形变换，不能改变其频率。但是，若输入被测信号但是，若输入被测信号叠加有干扰信号叠加有干扰信号，则信号的频率，则信号的频率（周期）及相对闸门信号的触发点就可能变化。由此产生（周期）及相对闸门信号的触发点就可能变化。由此产生的测量误差称为的测量误差称为“ “触发误差触发误差” ”，也称为，也称为“ “转换误差转换误差” ”。如图。周期为如图。周期为T T T Tx x x x的输的输入信号，触发电平在入信号，触发电平在A A

60、 A A1 1 1 1点，但在点，但在A A A A1 1 1 1点上有点上有干扰信号干扰信号( ( ( (幅度幅度V V V Vn n n n) ) ) )。提前触发提前触发, , , ,周期周期T T T Tx x x xT T T Tx x x x。3.5.1 3.5.1 测量误差的来源3 3 3 3）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

61、，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。因此，内部晶振要求较高稳定性。若不能满足测量要求，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。3.5.2 3.5.2 频率测量的误差分析1 1 1 1）误差表达式）误差表达式由频率测量表达式：由频率测量表达式：fx=N/Ts=Nfsfx=N/Ts=Nfsfx=N/Ts=Nfsfx=N/Ts=Nfs，计数器直接测频的误差，计数器直接测频的误差主要由两项组成：

62、即量化误差（主要由两项组成：即量化误差（1111误差）和标准频率误差。误差）和标准频率误差。总误差采用分项误差绝对值合成，即总误差采用分项误差绝对值合成，即: : : :式中，式中， 即为即为1111误差，其最大值为误差，其最大值为 , , , ,而而 由于由于fsfsfsfs由晶振由晶振(fc)(fc)(fc)(fc)分频得到，设分频得到，设fs=fc/kfs=fc/kfs=fc/kfs=fc/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：1 1）误差表达式u误差曲线误差曲线u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

63、频率fxfx和闸门时间和闸门时间TsTs的关系的关系。fxfx愈大则误差愈小，闸门时间愈大愈大则误差愈小，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。误差也愈小，并且，测频误差以标准频率误差为极限。3.5.2 3.5.2 频率测量的误差分析2 2 2 2）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TsTs或在或在相同的闸门时间

64、内测量相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：但需注意：增大闸门时间将降低测量速度，并且计数值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，否则将产生溢出（高的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）。位无法显示）。例如：例如：一个一个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Ts=10sTs=10s的闸门测的闸门测量量fx=1MHzfx=1MHz时时, ,应显示应显示“ “1000000.0”Hz1000000.0”Hz或或1.0000000”MHz ,1.000

65、0000”MHz ,显然溢出显然溢出。3.5.2 3.5.2 频率测量的误差分析3 3 3 3）实例分析）实例分析 例例 被被测测频频率率f f f fx x x x1MHz1MHz1MHz1MHz，选选择择闸闸门门时时间间T T T Ts s s s1s1s1s1s，则则由由1111误误差差产生的测频误差产生的测频误差( ( ( (不考虑标准频率误差不考虑标准频率误差) ) ) )为：为： 若若T T T Ts s s s增增加加为为10s10s10s10s，则则计计数数值值增增加加10101010倍倍，相相应应的的测测频频误误差差也也降低降低10101010倍，为倍，为1101101101

66、107 7 7 7，但测量时间将延长，但测量时间将延长10101010倍。倍。注注意意：该该例例中中，当当选选择择闸闸门门时时间间T T T Ts s s s1s1s1s1s时时，要要求求标标准准频频率率误误差差优优于于1101101101107 7 7 7 （即即比比量量化化误误差差高高一一个个数数量量级级），否否则则，标准频率误差在总测量误差中不能忽略。标准频率误差在总测量误差中不能忽略。3.5.3 3.5.3 周期测量的误差分析1 1 1 1）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： 根据误差合成公式，可得：根据误差合成公式，可得： 式中，式中， 和和 分别为量化误

67、差和时标周期误差。分别为量化误差和时标周期误差。 由由 (Tc(Tc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，3.5.3 3.5.3 周期测量的误差分析2 2 2 2）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：其中，第一项即为量化误差。它表示其中，第一项即为量化误差。它表示TxTx愈大（被测信号愈大（被测信号的频率愈低），则量化误差愈小，其意义为的频率愈低），则量化误差愈小，其意义为TxTx愈大则计愈大则计入的时标周期数入的时标周期数N N愈大。另外，晶振的分频系数愈大。另外，晶振的分频

68、系数k k愈小，愈小，则时标周期愈小，在相同的则时标周期愈小，在相同的TxTx内计数值愈大。内计数值愈大。此外，第二项为标准频率误差，通常也要求小于测量误差此外，第二项为标准频率误差，通常也要求小于测量误差的一个数量级，这时就可作为微小误差不予考虑。的一个数量级，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，但也需注意不可使其溢出。溢出。例如：例如：一个一个6 6位的计数器，最大显示为位的计数器，最大显示为999999,999999,当用当用T T0 0=1us=1us的时标测的时标测量量Tx=10s(fx=0.1Hz)Tx=

69、10s(fx=0.1Hz)时时, ,应显示应显示“ “10000000”us10000000”us或或“ “10.000000”s,10.000000”s,显然溢显然溢出出。3.5.3 3.5.3 周期测量的误差分析3 3 3 3）中界频率）中界频率测频时，被测频率测频时，被测频率f fx x愈低，则量化误差愈大；愈低，则量化误差愈大； 测周时，被测频率测周时，被测频率f fx x愈高，则量化误差愈大。愈高，则量化误差愈大。可见，在测频与测周之间，存在一个中界频率可见，在测频与测周之间，存在一个中界频率f fmm，当当f fx xffmm时，应采用测频；当时，应采用测频；当f fx xffmm

70、时，应采用测周方案。时，应采用测周方案。中界频率中界频率f fmm的确定的确定量化误差取决于计数值量化误差取决于计数值N N，测频时，测频时 ; ; 测周时测周时 。令两式相等，并用令两式相等，并用T Tmm表示表示TxTx：于是，有：于是，有： 或或例：若例：若Ts=1s,TTs=1s,T0 0=1us=1us，则，则f fmm=1kHz,=1kHz,在该频率上在该频率上, ,测频与测周的量化误差相等。测频与测周的量化误差相等。3.5.3 3.5.3 周期测量的误差分析4 4 4 4）触发误差）触发误差频率测量时触发误差的影响频率测量时触发误差的影响 尖峰脉冲的干扰尖峰脉冲的干扰如图，尖峰脉

71、冲只如图，尖峰脉冲只引起触发点的改变，引起触发点的改变，对测频影响不大。对测频影响不大。 高频叠加干扰高频叠加干扰如图，产生错误计数。如图，产生错误计数。 措施措施增大触发窗或减小信号幅度；增大触发窗或减小信号幅度；输入滤波。输入滤波。 周期测量时触发误差的影响周期测量时触发误差的影响 尖峰脉冲尖峰脉冲 周期测量时，尖峰脉冲的干扰对测量结果的影响非常严周期测量时，尖峰脉冲的干扰对测量结果的影响非常严重。如图，测量误差为：重。如图，测量误差为： 分析分析 设输入为正弦波：设输入为正弦波： , ,干扰幅度为干扰幅度为V Vn n。 对触发点对触发点A A1 1作切线作切线abab，其斜率为，其斜率

72、为 则，则， 可见，可见， 愈大，即愈大，即触发点愈陡峭，误差愈小触发点愈陡峭，误差愈小。4 4）触发误差4 4）触发误差进一步推导触发点的斜率，如下：进一步推导触发点的斜率，如下：实际中，对正弦输入信号，常选择过零点为触发点（具有最实际中，对正弦输入信号，常选择过零点为触发点（具有最陡峭的斜率），则触发点电压陡峭的斜率），则触发点电压V VB B满足：满足：于是，有：于是，有：若考虑在一个周期开始和结束时可能都存在触发误差，分别若考虑在一个周期开始和结束时可能都存在触发误差，分别用用 表示，并按随机误差的均方根合成，得到：表示，并按随机误差的均方根合成，得到： 结论：结论：测周时为减小触发误

73、差，应提高信噪比测周时为减小触发误差，应提高信噪比。3.6.1 3.6.1 多周期同步测量技术1 1 1 1）多周期同步法）多周期同步法多周期同步测频多周期同步测频测频时量化误差是由于闸门与被测信号的非同步引起的。为测频时量化误差是由于闸门与被测信号的非同步引起的。为减小量化误差，必须减小量化误差，必须使闸门时间等于被测信号整周期数使闸门时间等于被测信号整周期数。 设计原理设计原理采用预置闸门，用采用预置闸门，用f fx x对预置闸门同步，在实际对预置闸门同步，在实际的同步闸门时间内同时对的同步闸门时间内同时对f fx x计数得被测信号整周期计数得被测信号整周期计数得计数得N Nx x 。为确

74、定同步。为确定同步闸门时间，用另一计数器闸门时间，用另一计数器对标准频率对标准频率f f0 0计数得计数得N N0 0。2 2）多周期同步法 工作波形工作波形如图，同步闸门时如图，同步闸门时间间TsTs由由N N0 0T T0 0确定，确定，则：则： 误差：误差：NxNx无无11误误差差，N N0 0存在存在11误差，误差，但一般但一般N N0 0较大，较大， 1/N1/N0 0较小。较小。 实现：实现：基于微处理器基于微处理器，控制预置闸门（软件发出），计算频，控制预置闸门（软件发出），计算频率结果。可实现率结果。可实现不同闸门时间内的等精度测量不同闸门时间内的等精度测量。2 2）多周期同步

75、法多周期测周多周期测周基本测周模式下，闸门时间由单个周期确定。在干扰信号下，基本测周模式下，闸门时间由单个周期确定。在干扰信号下，被测信号周期的触发前后存在被测信号周期的触发前后存在 的触发误差（转换的触发误差（转换误差）。误差）。 原理：为降低原理：为降低 对单个周期测量的影响，利用对单个周期测量的影响，利用 的的随机性，可由多个周期构成闸门时间，使相邻周期的随机性，可由多个周期构成闸门时间，使相邻周期的 相互抵消。如下图。相互抵消。如下图。例如：由例如：由1010个周期构成闸门时间测量，触发误差降为个周期构成闸门时间测量，触发误差降为1/101/10。同时，同时，由于计数值也增大了由于计数

76、值也增大了1010倍，则倍，则11误差也减小为误差也减小为1/101/10。电子计数器面板上的电子计数器面板上的“ “周期倍乘周期倍乘” ”可选择周期数，通常有：可选择周期数，通常有：11、 1010、 100100、 10001000等多档选择。等多档选择。10TxT1T210TxTx1Tx10T2TxA1A1VnA2A2A9A9A10A102 2）多周期同步法 误差表达式：误差表达式：式中，式中，mm为周期倍乘数。为周期倍乘数。3.6.2 3.6.2 模拟内插法一般时间间隔测量的局限性：一般时间间隔测量的局限性：为减小量化误差，需减小时标以增大计数值，但时标为减小量化误差，需减小时标以增大

77、计数值，但时标的减小受时基电路和计数器的减小受时基电路和计数器最高工作频率最高工作频率限制，而计数器限制，而计数器也有最大计数容量的限制（也有最大计数容量的限制（最大计数值最大计数值）。）。内插法对已存在的量化误差，测量出内插法对已存在的量化误差，测量出量化单位以下的量化单位以下的尾数尾数( (零头时间零头时间) )。如下图所示，。如下图所示，则准确的则准确的TxTxTxTx为：为：Tx=TTx=TTx=TTx=T0 0 0 0+T+T+T+T1 1 1 1-T-T-T-T2 2 2 2为实现为实现T T T T1 1 1 1-T-T-T-T2 2 2 2的测量，的测量，有有模拟和数字两种方法

78、模拟和数字两种方法。3.6.2 3.6.2 模拟内插法1 1 1 1）模拟内插法原理）模拟内插法原理uu由于由于T T T T1 1 1 1和和T T T T2 2 2 2均很小（小于时标），采用普通的均很小（小于时标），采用普通的“ “时标计数法时标计数法” ”难以实现（需要非常小的时标）。其实现的基本思路是：难以实现（需要非常小的时标）。其实现的基本思路是：对对T T T T1 1 1 1和和T T T T2 2 2 2作时间扩展（放大）后测量作时间扩展（放大）后测量。u三次测量三次测量若若T T1 1、T T2 2均扩展均扩展k k倍，倍， 采用同一个时标（设为采用同一个时标（设为 ）分

79、别测）分别测量量T T0 0、kTkT1 1、kTkT2 2，设计数值分别为：，设计数值分别为：N N0 0、N N1 1、N N2 2，则：则：u意义：意义：上式由于上式由于 不存在量化误差，总量化误差由不存在量化误差，总量化误差由(N(N1 1-N-N2 2) )引起，降低了引起，降低了k k倍。倍。相当于用相当于用 时标的普通时间测量。时标的普通时间测量。3.6.2 3.6.2 模拟内插法2 2 2 2）时间扩展电路）时间扩展电路时间扩展电路时间扩展电路如下图所示：如下图所示：工作原理工作原理以恒流源对电容以恒流源对电容器器C C充电，设充电时充电，设充电时间为间为T T1 1，而以，而

80、以(k-1)T(k-1)T1 1（可近似为（可近似为kTkT1 1）时间缓慢放电，当放电到原电平时，所经历）时间缓慢放电，当放电到原电平时，所经历的时间为：的时间为： T T1 1=T=T1 1+(k-1)T+(k-1)T1 1=kT=kT1 1，即得到，即得到T T1 1的的k k倍时间扩倍时间扩展。在展。在kTkT1 1时间内对时标计数。时间内对时标计数。例如，例如，扩展器控制的开门时间为扩展器控制的开门时间为T T T T1 1 1 1的的1000100010001000倍倍(k(k(k(k取取999)999)999)999)，即：即：T T T T1 1 1 1T T T T1 1 1

81、 1999T999T999T999T1 1 1 11000T1000T1000T1000T1 1 1 1在在T T T T1 1 1 1时间内对时标时间内对时标 计数得计数得N N N N1 1 1 1，则，则类似地：类似地： T T T T2 2 2 2T T T T2 2 2 2999T999T999T999T2 2 2 21000T1000T1000T1000T2 2 2 2在在T T T T2 2 2 2时间内对时标时间内对时标 计数得计数得N N N N2 2 2 2，则，则于是：于是：内插后测量分辨力提高了内插后测量分辨力提高了1000100010001000倍。倍。校准技术校准技

82、术内插扩展技术可大大提高测时分辨力内插扩展技术可大大提高测时分辨力, , , ,但测量前需进行校准。但测量前需进行校准。3.6.2 3.6.2 模拟内插法3.6.4 3.6.4 平均法1 1 1 1）平均法原理）平均法原理硬件平均法测量硬件平均法测量 测频：在基本频率测量中，取样时间（即闸门时间）内测频：在基本频率测量中，取样时间（即闸门时间）内对对N N个周期脉冲进行累加计数，实际上已是对个周期脉冲进行累加计数，实际上已是对N N个周期进个周期进行了平均。行了平均。 测周：多周期测量即是硬件上的平均测量。测周：多周期测量即是硬件上的平均测量。 硬件平均法的局限：单次测量的时间有限；计数容量有

83、硬件平均法的局限：单次测量的时间有限；计数容量有限。限。软件平均法软件平均法 单次测量（测频和测周）总是存在量化误差，这是一种单次测量（测频和测周）总是存在量化误差，这是一种随机误差随机误差, ,它在它在1/N1/N1/N1/N1/N1/N1/N1/N范围内范围内( ( ( (误差限误差限1/N)1/N)1/N)1/N)均匀分布。均匀分布。 多次测量取平均。利用随机误差的抵偿性，可采取多次多次测量取平均。利用随机误差的抵偿性，可采取多次测量取平均的办法，减小测量误差。测量取平均的办法，减小测量误差。 设连续进行有限次（设连续进行有限次（n n次）测量，计数值分别为次）测量，计数值分别为N N1

84、 1、N N2 2、N Nn n，其算术平均值为：，其算术平均值为： 由于由于N N1 1NN2 2 N Nn n N N，各次的量化误差为：，各次的量化误差为： 对各单次测量的量化误差采用均方根合成，根据算术平均对各单次测量的量化误差采用均方根合成，根据算术平均值的性质，其误差将减小到单次测量的值的性质，其误差将减小到单次测量的即：即：3.6.4 3.6.4 平均法3.6.4 3.6.4 平均法2 2 2 2）时基脉冲的随机调相技术）时基脉冲的随机调相技术 软件平均法依赖于各单次测量的量化误差的随机性，即要软件平均法依赖于各单次测量的量化误差的随机性，即要求求闸门开启闸门开启/ / / /关闭时刻和被测信号脉冲之间具有真正的随关闭时刻和被测信号脉冲之间具有真正的随机性。否则，各单次测量的量化误差就不具有随机误差的机性。否则，各单次测量的量化误差就不具有随机误差的抵偿性。抵偿性。实现原理实现原理采用齐纳二极管产生的噪声对时基脉冲进行随机相位调制，采用齐纳二极管产生的噪声对时基脉冲进行随机相位调制，使时基脉冲具有随机的相位抖动。使时基脉冲具有随机的相位抖动。 原理图原理图下图是一个实用的测量方案。下图是一个实用的测量方案。3.6.4 3.6.4 平均法