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1、第6章 频率与时间测量,6.1 频率与时间测量的特点与方法6.2 通用电子计数器6.3 等精度时间/频率测量6.4 EE3376型可程控通用计数器简介思考题6,6.1 频率与时间测量的特点与方法,6.1.1 频率与时间测量的特点与其他各种物理测量相比，频率与时间测量具有如下特点：（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。,6.1.2 频率测量的方法出现并得到过应用的测频方法与仪器主要有以下几种：（1）谐振法：利用LC回路的谐振特性进行测频(如谐振式波长表可测无源LC回路的固有谐振频率）,测频范围为0.51500 MHz。（2）外差法：改
2、变标准信号频率，使它与被测信号混合，取其差频，当差频为零时读取频率。这种外差式频率计可测高达3000 MHz的微弱信号的频率，测频精确度为10-6左右。,（3）示波法：在示波器上根据李沙育图形或信号波形的周期个数进行测频。这种方法的测量频率范围从音频到高频信号皆可。（4）电子计数器法：直接计数单位时间内被测信号的脉冲数，然后以数字形式显示频率值。这种方法测量精确度高、快速，适合不同频率、不同精确度测频的需要。,6.1.3 电子计数器测频法原理计数是电子计数器最基本的功能。因此，尽管电子计数器的种类很多，但其基本的工作原理可用图6.1所示的简化方框图加以说明。,图6.1 电子计数器简化方框图,当
3、把周期为TA的脉冲信号由“1”端加入后，假设在闸门信号的上升沿主门打开，计数器对输入脉冲信号进行累加计数，在闸门信号的下降沿主门关闭，计数器停止计数，显然计数器所计之数N为,（6-1）,6.2 通用电子计数器,6.2.1 通用电子计数器的主要技术性能 用于测频的通用电子计数器其主要技术性能包括：（1）测试性能：仪器所具备的测试功能，如测量频率、周期、频率比等。（2）测量范围：仪器的有效测量范围。在测频和测周期时，测量范围不同。测频时要指明频率的上限和下限；测周期时要指明周期的最大值和最小值。,（3）输入特性：通用电子计数器一般由23个输入通道组成，需分别指出各个通道的特性，包括：输入耦合方式：
4、有AC和DC两种耦合方式。在低频和脉冲信号计数时宜采用DC耦合方式。（4）测量准确度：常用测量误差来表示，主要由时基误差和计数误差决定，时基误差由内部晶体振荡器的稳定度确定。表6.1概括了以上三类振荡器的频率稳定度。,表6.1 振荡器的标准频率稳定度,（5）闸门时间和时标：由机内时标信号源所能提供的时间标准信号决定。根据测频和测周期的范围不同，可提供的闸门时间和时标信号有多种供选择，如通常的0.01 s、0.1 s、1 s、10 s等。（6）显示及工作方式：包括显示位数、显示时间、显示方式等。显示位数：可显示的数字位数，如常见的8位。显示时间：两次测量之间显示结果的时间，一般是可调的。,显示方
5、式：有记忆和不记忆两种显示方式。记忆显示方式只显示最终计数的结果，不显示正在计数的过程。实际上显示的数字是刚结束的一次测量结果，显示的数字保留至下一次计数过程结束时再刷新。不记忆显示方式可显示正在计数的过程。但多数计数器没有这种显示方式。（7）输出：包括仪器可输出的时标信号种类、输出数据的编码方式及输出电平等。6.2.2 通用电子计数器的测量功能1.频率测量频率的测量实际上就是在单位时间内对被测信号的变化次数进行累加计数。其原理框图如图6.2所示。,图6.2 频率测量的原理框图,设开门时间为T，在时间T内，从主门通过的脉冲个数为N，则被测信号的频率fx为用E312A型通用计数器测一输入频率fx
6、=100 000 Hz的信号，显示电路所显示读数随闸门时间的不同而不同，见表6.2。,（6-2）,表6.2 闸门时间与显示,2.周期测量周期是频率的倒数，因此周期的测量和频率的测量正好相反。其原理框图如图6.3所示。,图6.3 周期测量的原理框图,设被测信号的周期为Tx，时标信号的周期为To，在时间Tx内，有N个时标脉冲通过主门，则被测信号的周期为 Tx=N To（6-3）它实际上是多个被测周期的平均值，即（6-4）,3.时间间隔测量 时间间隔测量和周期的测量都是测量信号的时间，因此测量电路大体相同，所不同的是测量时间间隔需要B、C两个通道分别送出起始和停止信号去控制门控双稳电路以形成闸门信号
7、，其工作原理如图6.4所示。,图6.4 时间间隔测量的原理框图,若计数器在主门打开时间内计得脉冲个数为N，则B和C两脉冲信号之间的时间间隔为tB-C=NTo（6-5）选取两个输入信号的上升沿或下降沿的某电平点作为时间间隔的始点和终点，这样就可以测量两个输入信号任意两点之间的时间间隔，如图6.5所示。,图6.5 输入信号任意两点间的时间间隔测量示意图,4.相位差测量相位差测量通常是指两个同频率的信号之间的相位差的测量。相位差测量的主要方法有示波器法、比较器法、直读法等。利用电子计数器也可进行相位差的测量，它是时间间隔测量的一个应用。瞬时值数字相位差测量原理框图如图6.6所示，通过测量两个正弦波上
8、两个相应点之间的时间间隔，可换算出它们之间的相位差。,图6.6 瞬时值数字相位差测量原理框图,其工作波形如图6.7所示。,图6.7 瞬时值数字相位差测量工作波形,设被测信号周期为Tx，门控信号u3的宽度，亦即两个信号相位差对应的时间为t，则式中，Ts为时标信号周期。由以上两式可得：,（6-6）,（6-7）,两次测量结果取平均值：再利用式（6-7）可得相位差。5.频率比fB/fA测量频率比是指两路信号源的频率的比值。其测量原理与频率、周期测量的原理类似，如图6.8所示。,图6.8 频率比测量原理框图,6.累加计数和计时累加计数是电子计数器最基本的功能，是指在一段较长时间内累加被测信号的脉冲个数，
9、测量原理框图如图6.9所示。,图6.9 累加计数和计时的原理框图,7.自校在使用电子计数器测量之前，应对电子计数器进行自校，一是检验电子计数器的逻辑关系是否正常，二是检验电子计数器能否准确地进行定量测量。自校的原理框图如图6.10所示。,图6.10 电子计数器的自校原理框图,6.2.3 通用电子计数器的基本组成通用电子计数器一般由六大部分组成，如图6.11所示。,图6.11 通用电子计数器的基本组成框图,1.输入通道部分通用计数器的输入电路一般包含A、B、C三个输入通道（图6.11中只画出A、B两个通道，因此在测量时间间隔时需配时间间隔测量插件通道C），其中A为主通道，频带较宽；B、C主要在测
10、量周期、频率比以及时间间隔时使用，称为辅助通道。三个输入通道都由放大器、衰减器及整形电路等组成。2.计数器计数器由触发器构成,对来自主门的脉冲信号进行计数。在数字仪表中，最常用的是按8421码进行编码的十进制计数器。计数器的最高工作频率决定了仪器的最高测量频率。目前计数器都已集成化，在使用时可当做一个逻辑部件使用。,3.显示部分显示部分将累计的结果以十进制数字的形式显示出来。它包括译码和显示电路。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。LED为数码显示，其优点是工作电压低，能与COMS/TTL电路兼容，发光亮度高，响应快，寿命长。LCD为液晶显示，其突出优点是
11、供电电压低和微功耗，它是各类显示器中功耗最低的。同时，LCD制造工艺简单，体积小而薄，特别适用于小型数字仪表。特别是近年来图形点阵LCD的大量应用，为仪器带来了更加丰富、直观、智能的操作界面。,4.时间基准部分时间基准电路包括晶体振荡器、分频器、倍频器以及时基选择电路。5.主门及控制部分控制电路一般由双稳电路、单稳电路等构成，它包括门控电路，工作方式选择电路，记忆、显示时间和复原控制电路等。,控制电路的作用是产生各种指令信号，如闸门脉冲、闭锁脉冲、显示脉冲、复零脉冲、记忆脉冲等，控制和协调各单元电路的工作，使整机按一定的工作程序完成测量任务。6.电源部分这部分电路包括整机电源电路、晶体振荡器和
12、恒温槽电源电路。,6.2.4 通用电子计数器的测量误差1.测量误差的来源1）量化误差如图6.12所示，虽然闸门开启时间都为T，但因为闸门开启时刻不一样，计数值一个为9，另一个却为8，两个计数值相差1。,图6.12 量化误差的形成,量化误差的相对误差为（6-8）2）触发误差 施密特电路输出规则的矩形波，如图6.13（a）所示。,图6.13 噪声和干扰产生的触发误差,3）标准频率误差电子计数器在测量频率和时间时是以晶振产生的各种时标信号作为基准的。显然，如果时标信号不稳定，则会产生测量误差，这种误差称为标准频率误差。2.测量误差分析与提高测量精度的方法1）测频误差通过前面的介绍，测频量化误差可用下
13、式表示：,（6-9）,2）测周误差测周误差包括测周量化误差和触发误差。(1)测周量化误差。参照图6.3，以及对测频量化误差的分析，测周量化误差为,（6-10）,(2)测周触发误差。因为一般门电路采用过零触发，可以证明触发误差可按下式近似表示：3）中界频率的确定忽略随机误差，根据中界频率的定义，可得到中界频率的计算公式：（6-12）,（6-11）,例如，用电子计数器测量fx=2 kHz信号的频率，分别采用测频（闸门时间为1s）和测周（晶振频率fc=10 MHz）两种测量方法，由于量化误差所引起的相对误差如下：测频时，量化误差为测周时，量化误差为,中界频率为4）多周期测量除采取以上措施外，测量时还
14、应注意以下事项：(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)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。(3)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 等精度时间/频率测量,6.3.1 等精度测量原理 图6.14示出了等精度测量原理。测量时，仪器先产生闸门预备信号，由被测信号脉冲的上升沿触发同步门E，主门E开启，E计数器计数。与此同时，时钟脉冲的上升沿触发同步门T，主门T开启，T计数器计数。图6.15是等精度测量的逻辑时序图。,图6.14 等精度测量原理,图6.15 等精度测量逻辑时序图,在
15、闸门时间T内，E计数器累计了NE=fxT个被测信号脉冲，T计数器累计了NT=f0T个时钟脉冲，由运算部分（微处理器）可算出：，并显示出来。当钟频f0选为100 MHz时，对1 s闸门时间测量的分辨力恒为10-8，如图6.16所示。,图6.16 1 s闸门时间测量分辨力示意图,6.3.2 时间间隔平均测量原理时间间隔测量时序图如图6.17所示。,图6.17 时间间隔测量时序图,6.4 EE3376型可程控通用计数器简介,6.4.1 EE3376型可程控通用计数器原理及电路介绍图6.18示出了EE3376型可程控通用计数器的原理框图。,图6.18 EE3376型可程控通用计数器逻辑原理框图,1.A
16、、B输入通道A 通道中输入保护电路包括由两只二极管组成的双向限幅电路及由一只稳压管等组成的源极跟随器，其作用是过压保护、阻抗变换及电平移位。B通道同A通道。2.C输入通道C通道由放大、分频及电平控制三大部分组成，其中放大器由五级ERB90组成，分频由SP8668完成。图6.19所示为C通道方框图。,图6.19 C通道方框图,3.预定标EE3376的钟频周期为100 ns，最大可测信号频率为10 MHz。为了测量高于10 MHz的信号频率，需进行预定标法。A 通道频宽为DC120 MHz，C通道频宽为100 MHz1.5 GHz。在C通道中，信号经放大、整形后通过SP8668预先进行分频。4.主
17、门电路主门电路是实现倒数计数的关键部件，由微机送出各种不同的功能码，经由选择开关选择，来实现各种功能的测量。,5.预选闸门电路 EE3376的预选闸门电路是由单稳电路T555组成的。单稳电路的脉宽受控于前面板上的可调电位器，因此闸门时间约在0.0510 s之间连续可调。6.计数电路EE3376采用两块40位二进制计数器 LS7061和两块十六进制计数器 74LS93分别组成 E、T计数器。其中LS7061包括32位二进制计数器、40位寄存器、扫描选通译码电路及8位三态门输出电路。微处理器接到测量结束指令后开始取数。,7.送显电路送显电路是由扫描驱动显示器7812 完成的。8.取样率电路取样率电
18、路是由T555 组成单稳电路来执行的。9.微处理器单元微处理器单元对仪器的运行进行管理、数据交换和数据处理。10.GPIB通用接口EE3376配置了GPIB接口，其通用性强，加上通用接口所需的应用软件，可以很方便地将该机接入自动测试系统。,6.4.2 EE3376型可程控通用计数器的使用1.面板功能启动“POWER”键，接通电源,这时面板上除“LEVEL A”、“LEVEL B”两灯外，所有指示灯全亮，显示器显示全“8”1秒钟，然后显示本机型号“EE3376”。2.功能键操作 功能键可以上下换挡，只要分别按、键即可。按一次键功能上（或下）移一次。按“RESET”键是对微机重新进行初始化。在进行
19、某一测量时，如不需要继续测量，而要重新测量时可按下“CLEAR”键，此时仍进行原功能的测量。,3.A通道频率测量（fA）、周期测量（PA）被测信号fx从“INPUT A”输入，“COM”键弹起。“LEVEL A”可以调节触发电平，调节范围为-1.5+1.5 V，触发电平可用万用表从旁边的检测孔测量。当电位器调至灯闪亮时，触发灵敏度为最高。如 fx 为正信号，触发电平往“+”方向调节；如fx为负信号，触发电平往“-”方向调节。4.AB 时间间隔测量(TA-B)启动信号从“INPUT A”输入，停止信号从“INPUT B”输入，调节触发电平使A、B通道触发指示灯闪烁。调节LEVEL A和LEVEL
20、 B的电平要一致（用万用表在检测孔检测）。,5.TOT A（累计测量）信号从“INPUT A”输入，同时按下“STA/STP”键，灯亮，表示计数开始；再按一次该键，灯灭，表示停止计数，显示计数结果；再按一次，灯亮，则表示继续计数，并在上次测量结果上继续累计。如果需观测测量的结果，则可将取样率电位器调节到需要的位置观察。6.FC（C通道测频）当被测信号频率在100 MHz1.5 GHz范围时，fx应从“INPUT C”输入。,7.GPIB通用接口GPIB通用接口具有完全的源挂钩功能、完全的受者挂钩功能、除只讲外的完全讲功能、除只听外的完全听功能、完全的串行点名功能和完全的远控/本控功能。,8.E
21、E3376用于自动测试EE3376 型可程控通用计数器用于自动测试时，其使用说明如下：(1)由于接入自动测试系统的主控机不同，发布程控命令的方式也不同。(2)在远控状态下，每次测量完毕数据送显示的同时，用这组数据去刷新数据存储区，以备系统主控机随时读数。(3)当系统主控机要求该仪器“听”时，无论仪器处于什么测量状态，均能立即响应，并按输入的程控命令调整状态。,(4)当系统主控机要求该仪器“讲”时，若这时仪器正处于测量状态，则该仪器暂不响应，直到本仪器测量完毕，数据刷新之后，再响应系统主控机的“讲”命令，将这组数据上传；若此时该仪器未处于测量状态，则仪器立即响应此命令，并将最新测量的一组数据上传
22、。(5)接口输出格式：以一行为单位，一行最多为32个字符（包括空白字符）。,思考题6,1.目前常用的测频方法有哪些？电子计数器法有何特点？2.画出通用电子计数器测量频率、周期的原理框图，简述其基本原理，并说明二者的主要区别。3.使用电子计数器测量频率时，如何选择闸门时间？使用电子计数器测量周期时，如何选择周期倍乘？闸门时间与测量结果位数间是怎样的关系？4.通用电子计数器测量频率、周期时存在哪些主要误差？如何减小这些误差？,5.为什么测频时选用不同的闸门时间会改变测量的准确度？用7位电子计数器测量5 MHz的信号频率，当闸门时间置于1 s、0.1 s、10 ms时，试分别计算电子计数器测频量化误
23、差。6.用电子计数器多周期法测量周期。已知被测信号重复周期为50 s时，计数值为 100 000，内部时标信号频率为1 MHz。保持电子计数器状态不变，测量另一未知信号，已知计数值为15 000，求未知信号的周期。7.欲用电子计数器测量1 kHz的信号频率，采用测频（闸门时间为1 s）和测周（时标为0.1 ms）两种方案，试比较这两种方案由1误差所引起的测量误差。,8.欲测量一个1 MHz的石英振荡器，要求测量准确度优于110-6，在下列几种方案中，哪种是正确的?为什么？（1）选用E312型通用计数器（10-6），闸门时间置于1 s；（2）选用E323型通用计数器（10-6），闸门时间置于1 s（3）选用E323型通用计数器，闸门时间置于10 s。9.利用频率倍增方法，可提高测量准确度。设被测频率源的标称频率为1 MHz，闸门时间置于1 s，欲把1误差产生的测频误差减少到10-11，试问倍增系数应为多少？,10.利用下述哪种测量方案产生的测量误差最小？（1）测频，闸门时间1 s；（2）测周期，时标100 s；（3）周期倍乘，N1000。11.什么是等精度测量？简要叙述其原理。,
