第6章頻率與時間測量6.1頻率與時間測量的特點與方法6.2通用電子計數器6.3等精度時間/頻率測量6.4EE3376型可程控通用計數器簡介

6.1頻率與時間測量的特點與方法

6.1.1頻率與時間測量的特點頻率(Frequency)是指周期性信號在單位時間(1s)內變化的次數,其單位是Hz。周期則是指出現相同現象的最小時間間隔。

與其他各種物理測量相比,頻率與時間測量具有如下特點:

(1)時頻測量具有動態性質。

(2)測量精度高。

(3)測量范圍廣。

(4)頻率信息的傳輸和處理比較容易。

6.1.2頻率測量的方法

出現并得到過應用的測頻方法與儀器主要有以下幾種:

(1)諧振法:利用LC回路的諧振特性進行測頻(如諧振式波長表可測無源LC回路的固有諧振頻率),測頻范圍為0.5~1500MHz。

(2)外差法:改變標準信號頻率,使它與被測信號混合,取其差頻,當差頻為零時讀取頻率。這種外差式頻率計可測量高達3000MHz的微弱信號的頻率,測頻精確度為10-6左右。

(3)示波法:在示波器上根據李沙育圖形或信號波形的周期個數進行測頻。這種方法的測量頻率范圍可以從音頻到高頻信號。

(4)電子計數器法:直接計量單位時間內被測信號的脈沖數,然后以數字形式顯示頻率值。這種方法的測量精確度高、速度快,可滿足不同頻率、不同精確度測頻的需要。

以上四種方法中前三種可歸結為模擬測頻方法,而最后一種屬于數字測頻方法。目前,主要采用的是數字測頻法,也就是電子計數器測頻法。

6.1.3電子計數器測頻法原理

計數是電子計數器最基本的功能。盡管電子計數器的種類很多,但其基本的工作原理可用圖6.1所示的簡化方框圖加以說明。

圖6.1電子計數器簡化方框圖

圖6.1中標注“主門”的方框,就是脈沖電路中所介紹的“門電路”的一種,“1”和“2”分別表示主門的兩個輸入端。設由“1”端輸入待計數脈沖,其周期為TA,由“2”端輸入開門時間控制脈沖信號(閘門信號),其寬度為TB。因而,當把周期為TA的脈沖信號由“1”端加入后,假設在閘門信號的上升沿主門打開,計數器對輸入脈沖信號進行累加計數,在閘門信號的下降沿主門關閉,計數器停止計數,顯然計數器所計之數N為

此結果經顯示電路以數字形式顯示出來。

6.2通用電子計數器

6.2.1通用電子計數器的主要技術性能用于測頻的通用電子計數器其主要技術性能包括:(1)測試性能:儀器所具備的測試功能(如測量頻率、周期、頻率比等)。(2)測量范圍:儀器的有效測量范圍。在測頻和測周期時,測量范圍不同。測頻時要指明頻率的上限和下限;測周期時要指明周期的最大值和最小值。

(3)輸入特性:通用電子計數器一般由2~3個輸入通道組成,需分別指出各個通道的特性,包括以下幾個方面:

·輸入耦合方式:有AC和DC兩種耦合方式。在低頻和脈沖信號計數時宜采用DC耦合方式。

·輸入靈敏度:指在儀器正常工作時輸入的最小電壓。例如,通用計數器A輸入通道的靈敏度一般為10~100mV。

·最高輸入電壓:即允許輸入的最大電壓。超過最高輸入電壓后儀器不能正常工作,甚至會損壞。

·輸入阻抗:包括輸入電阻和輸入電容。輸入阻抗通常分為高阻(1MΩ)和低阻(50Ω)兩種。

(4)測量準確度:常用測量誤差來表示,主要由時基誤差和計數誤差決定。時基誤差由內部晶體振蕩器的穩定度確定。頻率計的時基通常是精確控制的晶體振蕩器,它經分頻后產生需要的頻率。因此,計時精度完全由晶體振蕩器的穩定度和精度來決定。因為這種振蕩器的工作頻率只有一個,所以通過設計可使它的頻率極其穩定。

表6.1概括了三類振蕩器的頻率穩定度。

(5)閘門時間和時標:由機內時標信號源所能提供的時間標準信號決定。

(6)顯示及工作方式:包括顯示位數、顯示時間、顯示方式等。

·顯示位數:可顯示的數字位數,如常見的8位。

·顯示時間:兩次測量之間顯示結果的時間,一般是可調的。

·顯示方式:有記憶和不記憶兩種顯示方式。

(7)輸出:包括儀器可輸出的時標信號種類、輸出數據的編碼方式及輸出電平等。

6.2.2通用電子計數器的測量功能

1.頻率測量

頻率的測量實際上就是在單位時間內對被測信號的變化次數進行累加計數,其原理框圖如圖6.2所示。

設開門時間為T,在時間T內,從主門通過的脈沖個數為N,則被測信號的頻率fx為

圖6.2頻率測量的原理框圖

當然,在測量中并非一定要選閘門時間為1s,也可以選擇其他時間,如0.1s、10s等。不論閘門時間怎樣選擇,對于同一被測信號,其測量結果應是相同的。在測量過程中不需要對測量結果進行折算,當我們選擇不同的閘門時間時,顯示電路則自動按所選時間移動小數點。例如,用E312A型通用計數器測一輸入頻率fx

=100000Hz的信號,顯示電路所顯示讀數隨閘門時間的不同而不同,見表6.2。

2.周期測量

周期是頻率的倒數,因此周期的測量和頻率的測量正好相反,其原理框圖如圖6.3所示。

設被測信號的周期為Tx,時標信號的周期為To,在時間Tx內,有N個時標脈沖通過主門,則被測信號的周期為

圖6.3周期測量的原理框圖

在實際測量中,如果被測信號周期較短,則為了減小測量誤差,常采用多周期測量法來讀取輸入信號的周期的平均值。這種方法將被測信號的周期擴大10n倍,這樣在開門時間內計數器所計脈沖的個數也相應增多了,將最終計數器的計數值除以10n,便可得到一個周期的周期測量值。它實際上是多個被測周期的平均值,即

3.時間間隔測量

時間間隔測量和周期的測量都是測量信號的時間,因此測量電路大體相同,所不同的是測量時間間隔需要B、C兩個通道分別送出起始和停止信號去控制門控雙穩電路以形成

閘門信號,其工作原理如圖6.4所示。

時標信號作為計數脈沖,B通道輸入的信號作為主門的開門信號,當主門打開時,時標脈沖通過主門進入計數顯示電路;C通道輸入的信號作為主門的關門信號。若計數器在

主門打開時間內計得脈沖個數為N,則B和C兩脈沖信號之間的時間間隔為

圖6.4時間間隔測量的原理框圖

為增強測量的靈活性,在B、C兩通道內分別設有極性選擇開關和電平調節電位器,通過觸發電平的選擇,可以選取兩個輸入信號的上升沿或下降沿的某電平點作為時間間隔

的始點和終點,這樣就可以測量兩個輸入信號任意兩點之間的時間間隔,如圖6.5所示。

圖6.5輸入信號任意兩點間的時間間隔測量示意圖

4.相位差測量

相位差測量通常是指兩個同頻率的信號之間的相位差的測量。相位差測量的主要方法有示波器法、比較器法、直讀法等。利用電子計數器也可進行相位差的測量,它是時間間隔測量的一個應用。瞬時值數字相位差測量原理框圖如圖6.6所示,通過測量兩個正弦波上兩個相應點之間的時間間隔,可換算出它們之間的相位差。

圖6.6瞬時值數字相位差測量原理框圖

當被測信號u1、u2由負變正通過零點時,分別由過零比較器1和2產生脈沖信號u'1、u'2。設u'1超前于u'2,則u'1、u'2分別作為門控電路的開啟信號、關閉信號,使門控電路產生門控信號u3。u3的脈寬與兩個信號的相位差相對應。在u3脈寬期間,打開計數門,時標信號則經由計數門至計數顯示電路,得到對應的相位差數值。其工作波形如圖6.7所示。圖6.7瞬時值數字相位差測量工作波形

5.頻率比測量

頻率比是指兩路信號源的頻率的比值。其測量原理與頻率、周期測量的原理類似,如圖6.8所示。圖6.8頻率比測量原理框圖

6.累加計數和計時

累加計數是電子計數器最基本的功能,是指在一段較長時間內累加被測信號的脈沖個數,測量原理框圖如圖6.9所示。圖6.9累加計數和計時的原理框圖

7.自校

在使用電子計數器測量之前,應對電子計數器進行自校。自校的目的:一是檢驗電子計數器的邏輯關系是否正常,二是檢驗電子計數器能否準確地進行定量測量。自校的原理框圖如圖6.10所示。

圖6.10電子計數器的自校原理框圖

6.2.3通用電子計數器的基本組成

通用電子計數器一般由六大部分組成,如圖6.11所示。圖6.11通用電子計數器的基本組成框圖

1.輸入通道

通用計數器的輸入電路一般包含A、B、C三個輸入通道(圖6.11中只畫出A、B兩個通道,因此在測量時間間隔時需配時間間隔測量插件——通道C),其中A為主通道,頻帶較寬;B、C主要在測量周期、頻率比以及時間間隔時使用,稱為輔助通道。

2.計數器

計數器由觸發器構成,對來自主門的脈沖信號進行計數。

3.顯示器

顯示器將累計的結果以十進制數字的形式顯示出來。它包括譯碼和顯示電路。

4.時間基準電路

時間基準電路包括晶體振蕩器、分頻器、倍頻器以及時基選擇電路。

5.主門及控制電路

控制電路一般由雙穩電路、單穩電路等構成,它包括門控電路,工作方式選擇電路,記憶、顯示時間和復原控制電路等。

6.電源

電源部分包括整機電源電路、晶體振蕩器和恒溫槽電源電路。

6.2.4通用電子計數器的測量誤差

1.測量誤差的來源

電子計數器的測量誤差來源主要包括量化誤差、觸發誤差和標準頻率誤差。

1)量化誤差

量化誤差是在將模擬量轉換為數字量的量化過程中產生的誤差,是數字化儀器所特有的誤差,是不可能消除的誤差。對于電子計數器而言,它是由于電子計數器閘門的開啟與輸入被測脈沖在時間上的不確定性(即相位隨機性)而產生的誤差。如圖6.12所示

圖6.12量化誤差的形成

量化誤差的特點是無論計數值N為多少,每次的計數值總是相差±1,因此量化誤差又稱為±1誤差或±1字誤差。又因為量化誤差是在十進制計數器的計數過程中產生的,故又稱為計數誤差。

量化誤差的相對誤差為

2)觸發誤差

觸發誤差又稱為轉換誤差。測量頻率時,需對被測信號進行放大、整形,轉換為計數脈沖;測量時間或周期時,也需對被測信號放大、整形,轉換為門控信號。由于輸入信號中干擾和噪聲的影響,以及利用施密特電路進行轉換時電路本身觸發電平的抖動,使得整形后的脈沖周期不等于被測信號的周期,由此而產生的誤差稱為觸發誤差,誤差的大小與被測信號的大小和轉換電路的信噪比有關。

施密特電路具有上、下兩個觸發電平,即具有回差特性。被測信號進入輸入通道放大后,加至施密特觸發器。如果不存在干擾信號和噪聲,則它在信號的同一相位點上觸發,施密特電路輸出規則的矩形波,如圖6.13(a)所示。

圖6.13噪聲和干擾產生的觸發誤差

3)標準頻率誤差

電子計數器在測量頻率和時間時是以晶振產生的各種時標信號作為基準的。顯然,如果時標信號不穩定,則會產生測量誤差,這種誤差稱為標準頻率誤差。測頻率時,晶振信號用來產生門控信號(即時基信號),標準頻率誤差稱為時基誤差;測周期時,晶振信號用來產生時標信號,標準頻率誤差稱為時標誤差。由于電子計數器中對晶振都采取了較好的穩頻措施,其穩定度很高,與量化誤差和觸發誤差相比,標準頻率誤差要小得多,故可不考慮其影響。

2.測量誤差分析與提高測量精度的方法

1)測頻誤差

通過前面的介紹,測頻量化誤差可用下式表示:

式中:fx為被測信號的頻率;Ts為閘門時間。

2)測周誤差

測周誤差包括測周量化誤差和測周觸發誤差。

(1)測周量化誤差。參照圖6.3,以及對測頻量化誤差的分析,測周量化誤差為

式中:fc

為時標信號的頻率;Tx為被測信號的周期。

(2)測周觸發誤差。因為一般門電路采用過零觸發,可以證明觸發誤差可按下式近似表示:

式中:ΔTn/Tx為干擾所引起的主門開啟時間誤差;m為B通道中分頻器的分頻系數;M為輸入信號信噪比。

3)中界頻率的確定

通過上述分析可以知道直接測頻與測周法測頻的相對誤差是不一樣的。被測信號頻率越高,用電子計數器直接測量頻率的誤差就越小;反之,被測信號頻率越低(周期Tx越大),用電子計數器測量周期的誤差就越小。

忽略隨機誤差,根據中界頻率的定義,可得到中界頻率的計算公式:

4)多周期測量

為提高周期測量的精度,多周期測量法是非常有效的方法。它是指在測量被測信號的周期時,時間間隔的起點在一個信號點上取出,終點在其若干個周期后的信號點上取出。由于采用多周期測量,兩相鄰周期因轉換產生的誤差互相抵消,最后剩下的只有第一個和最后一個的轉換誤差。

除采取以上措施外,測量時還應注意以下事項:

(1)每次測試前應先對儀器進行自校檢查,當顯示正常時再進行測試。

(2)當被測信號的信噪比較差時,應降低輸入通道的增益或加低通濾波器。

(3)為保證機內晶體穩定,應避免溫度有大的波動和機械振動,避免強的工業磁電干擾,儀器的接地應良好。

6.3等精度時間/頻率測量

等精度時間/頻率測量技術也叫多周期平均技術,它是將被測信號經輸入通道放大整形后產生的計數脈沖和由時基電路產生的時鐘計數脈沖分別在事件(E)計數器和時間(T)計數器中累加存放,然后根據預先編制好的管理程序,由微處理器對存儲在兩個計數器中的數據進行運算、比較等處理,并把處理結果送到顯示單元顯示。

6.3.1等精度測量原理

等精度時間/頻率測量是新一代的測量時間/頻率的方法,由于采用微處理器技術,因而可取得較高的分辨力。該方法采用倒數測量技術,保證了在同一閘門時間內對不同頻率信號的等精度測量。

實現等精度時間/頻率測量的儀器是等精度計數器。

圖6.14示出了等精度測量原理。

圖6.14等精度測量原理

圖6.15是等精度測量的邏輯時序圖。

圖6.15等精度測量邏輯時序圖

當時鐘脈沖頻率f0選為100MHz時,對1s閘門時間測量的分辨力恒為10-8,如圖6.16所示。圖6.161s閘門時間測量分辨力示意圖

6.3.2時間間隔平均測量原理

時間間隔測量時序圖如圖6.17所示。圖6.17時間間隔測量時序圖

6.4EE3376型可程控通用計數器簡介

6.4.1EE3376型可程控通用計數器原理圖6.18示出了EE3376型可程控通用計數器的原理框圖。

圖6.18EE3376型可程控通用計數器邏輯原理框圖

圖6.18EE3376型可程控通用計數器邏輯原理框圖

1.A、B輸入通道

A通道中輸入保護電路包括由兩只二極管組成的雙向限幅電路及由一只穩壓管等組成的源極跟隨器,其作用是過壓保護、阻抗變換及電平移位。放大整形電路由三級組成,其中第一級是差分放大器,后兩級組成整形器。極性控制電路采用MC10102的“線或”結構,觸發電平指示電路采用由E/T轉換器MC10125組成的脈沖展寬器來實現。

B通道同A通道。整個輸入電路基本上能滿足用戶對測量的不同要求。它包括AC/DC耦合電路、×1/×10衰減電路、正負極性選擇電