电子测量技术第5章频率时间测量

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1、第5章频率时间测量5.1概述5.2电子计数法测量频率5.3电子计数法测量周期5.4电子计数法测量时间间隔5.5典型通用电子计数器5.1概述一、时间、频率的基本概念1．时间的定义与标准时间是国际单位制中七个基本物理量之一，它的基本单位是秒，用s表示。在年历计时中嫌秒的单位太小，常用日、星期、月、年；在电子测量中有时又嫌秒的单位太大，常用毫秒(ms，10-3s)、微秒(s，10-6s)、纳秒(nS，l0-9s)、皮秒(ps，l0-12s)。2．频率的定义与标准生活中的“周期”现象人们早已熟悉。如地球自转的日出日落现象是

2、确定的周期现象；重力摆或平衡摆轮的摆动、电子学中的电磁振荡也都是确定的周期现象。自然界中类似上述的周而复始重复出现的事物或事件还可以举出很多，这里不能一一列举。周期过程重复出现一次所需要的时间称为它的周期，记为T。在数学中，把这类具有周期性的现象概括为一种函数关系描述，即（5.1-1）式中，m为整实数，即m＝0，±1，…；t为描述周期过程的时间变量；T为周期过程的周期。频率是单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数，记为f。联系周期与频率的定义，不难看出f与T之间有下述重要关系，即(5.1-2)若周期T的单位是秒

3、，那么由式(5．1—2)可知频率的单位就是1／秒，即赫兹(Hz)。二、频率测量方法概述对于频率测量所提出的要求，取决于所测频率范围和测量任务。例如，在实验室中研究频率对谐振回路、电阻值、电容的损耗角或其他被研究电参量的影响时，能将频率测到量级的精确度或稍高一点也就足够了；对于广播发射机的频率测量，其精确度应达到量级；对于单边带通信机则应优于量级；而对于各种等级的频率标准，则应在量级之间。由此可见，对频率测量来讲，不同的测量对象与任务，对其测量精确度的要求十分悬殊。根据测量方法的原理，对测量频率的方法大体上可作如下分

4、类：测试方法是否可以简单?所使用的仪器是否可以低廉?完全取决于对测量精确度的要求。用电子计数器测量信号的周期、频率和时间等参数，具有准确度高，测量范围大，速度快等优点，因此它已成为测量周期、频率和时间等参数的主要仪器。5.2电子计数法测量频率一、电子计数法测频原理若某一信号在T秒时间内重复变化了N次，则根据频率的定义，可知该信号的频率fx为(5.2-1)通常取1s或其它十进时间，如10s，0.1s，0.01s等等。图5.2—1计数式频率计框图、波形图图5.2—1计数式频率计框图、波形图(1)时间基准T产生电路。这部

5、分的作用就是提供准确的计数时间T。(2)计数脉冲形成电路。这部分电路的作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲。(3)计数显示电路。这部分电路的作用，简单地说，就是计数被测周期信号重复的次数，显示被测信号的频率。二、误差分析计算在测量中，误差分析计算是不可少的。理论上讲，不管对什么物理量的测量，不管采用什么样的测量方法，只要进行测量，就有误差存在。误差分析的目的就是要找出引起测量误差的主要原因，从而有针对性地采取有效措施，减小测量误差，提高测量的精确度。在§5.1中，曾明确过计数式测量频率的方法有许多优点，但也存

6、在着这种测量方法的测量误差。下面我们来分析电子计数测频的测量误差。由式(5.2—1)，得从式(5．2—2)可以看出：电子计数测量频率方法引起的频率测量相对误差，由计数器累计脉冲数相对误差和标准时间相对误差两部分组成。因此，对这两种相对误差我们可以分别加以讨论，然后相加得到总的频率测量相对误差。1．量化误差—±1误差在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，既便在相同的主门开启时间T(先假定标准时间相对误差为零)内，计数器所计得的数却不一定相同，这便是量

7、化误差(又称脉冲计数误差)即±1误差产生的原因。5.2—2中T为计数器的主门开启时间，Tx为被测信号周期，△t1为主门开启时刻至第一个计数脉冲前沿的时间(假设计数脉冲前沿使计数器翻转计数)，△t2为闸门关闭时刻至下一个计数脉冲前沿的时间。设计数值为N(处在T区间之内窄脉冲个数，图中N＝6)，由图可见，(5.2-3)(5.2-4)图5.2—2脉冲计数误差示意图脉冲计数最大绝对误差即±1误差(5.2-5)联系式(5.2—5)，脉冲计数最大相对误差为(5.2-6)由上式可以看出，被测值的读数N不同时，对量化误差的影响是不

8、同的，增大N能够减少量化误差。也就是，当被测信号频率一定时，主门开启时间越长，量化的相对误差就越小；当主门开启时间一定时，提高被测信号的频率，也可减小量化误差的影响。2．闸门时间误差(标准时间误差)闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc。(周期为Tc)，分频系数为m，所以有(5.2-7)对