電子測量 杜志勇 王鮮芳 第5章

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1、第5章時間和頻率的測量5.1概述5.2電子計數(shù)法測量頻率5.3電子計數(shù)法測量周期5.4通用電子計數(shù)器5.5其它測量頻率的方法5.1概述時間和頻率是電子技術(shù)中兩個重要的基本參量，目前，在電子測量中，時間和頻率的測量精確度是最高的。在檢測技術(shù)中，常常將一些非電量或其供電參量轉(zhuǎn)換成頻率進行測量。5.1.1頻率和周期的基本概念頻率定義為相同的現(xiàn)象在單位時間內(nèi)重復出現(xiàn)的次數(shù)。周期則是指出現(xiàn)相同現(xiàn)象的最小時間間隔。（5.1）式中：f表示頻率；N表示相同的現(xiàn)象重復出現(xiàn)的次數(shù)；Ts表示單位時間。5.1.2時間與頻率測

2、量的特點與比他各種物理測量相比，時間與頻率測量具有如下特點：（1）時頻測量具有動態(tài)性質(zhì)。（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。5.1.3頻率測量的基本方法頻率的測量方法按工作原理可分為直接法和比對法兩大類。1.直接法直接法是指直接利用電路的某種頻率響應特性來測量頻率的方法。電橋法和諧振法是這類測量方法的典型代表。直接法常常通過數(shù)學模型先求出頻率表達式，然后利用頻率與其他己知參數(shù)的關(guān)系測量頻率如諧振法測頻。就是將被測信號加到諧振電路上，然后根據(jù)電路對信號發(fā)生諧振時頻率與

3、電路的參數(shù)關(guān)系。由電路參數(shù)L、C的值確定被測頻率。2.比對法比對法是利用標準頗率與被測頻率進行比較來測量頻率的。其測量準確度主要取決于標準頻率的準確度。拍頻法、外差法及計數(shù)器測頻法是這類測量方法的典型代表。尤其利用電子計數(shù)器測量頻率和時間。具有測量精度高、速度快。操作簡單、可直接顯示數(shù)字、便于與計算機結(jié)合實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是目前最好的測頻方法。5.2電子計數(shù)法測量頻率5.2.1測頻的基本原理電子計數(shù)器測頻是嚴格按照頻率的定義進行的。它在某個已知的標準時間間隔Ts內(nèi),測出被測信號重復的次數(shù)N，然

4、后由公式f=N/Ts計算出頻率。測量的原理框圖如圖5.1所示。圖5.1電子計數(shù)器測頻原理圖5.2.2測頻方法的誤差分析電子計數(shù)器測頻是采用間接測量方式進行的，即在某個己知的標準時間間隔Ts內(nèi),測出被測信號重復的次數(shù)N，然后由公式f=N/Ts計算出頻率。根據(jù)誤差合成理論，可求得測頻的相對誤差為：式中：γf為頻率測量的相對誤差；為計數(shù)的相對誤差，也稱量化誤差?！l門開啟時間的相對誤差?？梢?，電子計數(shù)器測頻的相對誤差由兩部分組成。一是計數(shù)的相對誤差也叫量化誤差；二是閘門開啟時間的相對誤差。按最壞結(jié)果考慮，

5、頻率測量的公式誤差應是兩種誤差之和。1.量化誤差利用電子計算器測量頻率，只能對整個脈沖進行計數(shù)，它不可能測出半個脈沖，即量化的最小單位是數(shù)碼的一個字。這種測量誤差是所有數(shù)字式儀器所固有的，是量化過程帶來的誤差。量化誤差的最大值都是士1個字，也就是說量化誤差的絕對誤差N<±1。因此，有時又把這種誤差稱為“±1個字誤差”，簡稱“±1誤差”。量化誤差的相對值為：（5.3）式中：為量化誤差的相對值，即計數(shù)的相對誤差；fx為被測信號的頻率；Ts——選定的主門開啟時間。由上式可以看出，被測值的讀數(shù)N不同時，對量化

6、誤差的影響是不同的，增大N能夠減少量化誤差。也就是，當被測信號頻率一定時，主門開啟時間越長，量化的相對誤差就越??；當主門開啟時間一定時，提高被測信號的頻率，也可減小量化誤差的影響。2.閘門開啟時間的誤差閘門時間準確與否，取決于石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度、準確度，也取決于分頻電路和開關(guān)的速度及其穩(wěn)定性。在盡量排除了電路和閘門開關(guān)速度的影響后，閘門開啟時間的誤差主要由晶振的頻率誤差引起。設晶振頻率為fc（周期為Tc）、分頻系數(shù)為常數(shù)k，則：（5.4）式中：k表示閘門時間的相對誤差；fc表示標準頻率誤差。由

7、式（5.5）可知，閘門時間相對誤差在數(shù)值上與晶振頻率的相對誤差相等。3.測頻公式誤差將式（5.3）、（5.4）代入式（5.2）得出測頻的公式誤差為：（5.5）由于Δfx的符號可正可負，若按最壞情況考慮，可得電子計數(shù)器測量頻率的最大相對誤差計算公式為：（5.6）4.測頻計數(shù)誤差前面討論的是測頻的系統(tǒng)誤差，實際上輸入信號受到噪聲干擾，還會產(chǎn)生噪聲干擾誤差，這是一種隨機誤差，也稱為計數(shù)誤差。5.結(jié)論通過以上分析可知，利用電了計數(shù)器測量頻率時要提高頻率測量的準確度（減少測量誤差）可采取如下措施：（1）選擇準確

8、度和穩(wěn)定度高的晶振作為時標信號發(fā)生器，以減小閘門時間誤差。（2）在不使計數(shù)器產(chǎn)生溢出的前提下，加大分頻器的分頻系數(shù)k，擴大主門的開啟時間Ts，以減小量化誤差的形響。（3）當被測信號頻率較低時，用測頻方法測得的頻率誤差較大應選用其他方法進行測量。（4）對隨機的計數(shù)誤差，可通過提高信噪比或調(diào)小通道增益來減小誤差程度。5.3電子計數(shù)法測量周期5.3.1電子計數(shù)法測周期的基本原理電子計數(shù)器測量周期的原理如圖5.4所示。電路構(gòu)成與測頻電路類似，包括輸入整形電時標、