电子测量 杜志勇 王鲜芳 第5章

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1、第5章时间和频率的测量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通用电子计数器5.5其它测量频率的方法5.1概述时间和频率是电子技术中两个重要的基本参量，目前，在电子测量中，时间和频率的测量精确度是最高的。在检测技术中，常常将一些非电量或其供电参量转换成频率进行测量。5.1.1频率和周期的基本概念频率定义为相同的现象在单位时间内重复出现的次数。周期则是指出现相同现象的最小时间间隔。（5.1）式中：f表示频率；N表示相同的现象重复出现的次数；Ts表示单位时间。5.1.2时间与频率测

2、量的特点与比他各种物理测量相比，时间与频率测量具有如下特点：（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。5.1.3频率测量的基本方法频率的测量方法按工作原理可分为直接法和比对法两大类。1.直接法直接法是指直接利用电路的某种频率响应特性来测量频率的方法。电桥法和谐振法是这类测量方法的典型代表。直接法常常通过数学模型先求出频率表达式，然后利用频率与其他己知参数的关系测量频率如谐振法测频。就是将被测信号加到谐振电路上，然后根据电路对信号发生谐振时频率与

3、电路的参数关系。由电路参数L、C的值确定被测频率。2.比对法比对法是利用标准颇率与被测频率进行比较来测量频率的。其测量准确度主要取决于标准频率的准确度。拍频法、外差法及计数器测频法是这类测量方法的典型代表。尤其利用电子计数器测量频率和时间。具有测量精度高、速度快。操作简单、可直接显示数字、便于与计算机结合实现测量过程自动化等优点，是目前最好的测频方法。5.2电子计数法测量频率5.2.1测频的基本原理电子计数器测频是严格按照频率的定义进行的。它在某个已知的标准时间间隔Ts内,测出被测信号重复的次数N，然

4、后由公式f=N/Ts计算出频率。测量的原理框图如图5.1所示。图5.1电子计数器测频原理图5.2.2测频方法的误差分析电子计数器测频是采用间接测量方式进行的，即在某个己知的标准时间间隔Ts内,测出被测信号重复的次数N，然后由公式f=N/Ts计算出频率。根据误差合成理论，可求得测频的相对误差为：式中：γf为频率测量的相对误差；为计数的相对误差，也称量化误差。——闸门开启时间的相对误差。可见，电子计数器测频的相对误差由两部分组成。一是计数的相对误差也叫量化误差；二是闸门开启时间的相对误差。按最坏结果考虑，

5、频率测量的公式误差应是两种误差之和。1.量化误差利用电子计算器测量频率，只能对整个脉冲进行计数，它不可能测出半个脉冲，即量化的最小单位是数码的一个字。这种测量误差是所有数字式仪器所固有的，是量化过程带来的误差。量化误差的最大值都是士1个字，也就是说量化误差的绝对误差N<±1。因此，有时又把这种误差称为“±1个字误差”，简称“±1误差”。量化误差的相对值为：（5.3）式中：为量化误差的相对值，即计数的相对误差；fx为被测信号的频率；Ts——选定的主门开启时间。由上式可以看出，被测值的读数N不同时，对量化

6、误差的影响是不同的，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.闸门开启时间的误差闸门时间准确与否，取决于石英晶体振荡器的频率稳定度、准确度，也取决于分频电路和开关的速度及其稳定性。在尽量排除了电路和闸门开关速度的影响后，闸门开启时间的误差主要由晶振的频率误差引起。设晶振频率为fc（周期为Tc）、分频系数为常数k，则：（5.4）式中：k表示闸门时间的相对误差；fc表示标准频率误差。由

7、式（5.5）可知，闸门时间相对误差在数值上与晶振频率的相对误差相等。3.测频公式误差将式（5.3）、（5.4）代入式（5.2）得出测频的公式误差为：（5.5）由于Δfx的符号可正可负，若按最坏情况考虑，可得电子计数器测量频率的最大相对误差计算公式为：（5.6）4.测频计数误差前面讨论的是测频的系统误差，实际上输入信号受到噪声干扰，还会产生噪声干扰误差，这是一种随机误差，也称为计数误差。5.结论通过以上分析可知，利用电了计数器测量频率时要提高频率测量的准确度（减少测量误差）可采取如下措施：（1）选择准确

8、度和稳定度高的晶振作为时标信号发生器，以减小闸门时间误差。（2）在不使计数器产生溢出的前提下，加大分频器的分频系数k，扩大主门的开启时间Ts，以减小量化误差的形响。（3）当被测信号频率较低时，用测频方法测得的频率误差较大应选用其他方法进行测量。（4）对随机的计数误差，可通过提高信噪比或调小通道增益来减小误差程度。5.3电子计数法测量周期5.3.1电子计数法测周期的基本原理电子计数器测量周期的原理如图5.4所示。电路构成与测频电路类似，包括输入整形电时标、