電子測量第7次課

1、,第四章 數(shù)字測量方法,1概述2時間與頻率的原始基準(zhǔn)3頻率和時間的測量原理4電子計數(shù)器的組成原理和測量功能,1概述,1.1 時間、頻率的基本概念 1）時間和頻率的定義 2）時頻測量的特點 3）測量方法概述1.2 電子計數(shù)器概述 1）電子計數(shù)器的分類 2）主要技術(shù)指標(biāo) 3）電子計數(shù)器的發(fā)展,1.1 時間、頻率的基本概念,1）時間和頻率的定義◆時間有兩個含義： “時刻”：即

2、某個事件何時發(fā)生； “時間間隔”：即某個時間相對于某一時刻持續(xù)了多久?！纛l率的定義：周期信號在單位時間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時間間隔T內(nèi)周期信號重復(fù)變化了N次，則頻率可表達(dá)為：f＝N/T◆時間與頻率的關(guān)系：可以互相轉(zhuǎn)換。,2) 時頻測量的特點,◆最常見和最重要的測量時間是7個基本國際單位之一，時間、頻率是極為重要的物理量，在通信、航空航天、武器裝備、科學(xué)試驗、醫(yī)療、工業(yè)自動化等民用和軍事方面都存在時頻

3、測量。◆測量準(zhǔn)確度高時間頻率基準(zhǔn)具有最高準(zhǔn)確度（可達(dá)10-14），校準(zhǔn)（比對）方便，因而數(shù)字化時頻測量可達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。因此，許多物理量的測量都轉(zhuǎn)換為時頻測量?！糇詣踊潭雀摺魷y量速度快,3）測量方法概述,◆頻率的測量方法可以分為：,各種測量方法有著不同的實現(xiàn)原理，其復(fù)雜程度不同。各種測量方法有著不同的測量準(zhǔn)確度和適用的頻率范圍。數(shù)字化電子計數(shù)器法是時間、頻率測量的主要方法，是本章的重點。,1.2 電子計數(shù)器概述,1）

4、電子計數(shù)器的分類◆按功能可以分為如下四類： （1）通用計數(shù)器：可測量頻率、頻率比、周期、時間間隔、累加計數(shù)等。其測量功能可擴展。 （2）頻率計數(shù)器：其功能限于測頻和計數(shù)。但測頻范圍往往很寬。 （3）時間計數(shù)器：以時間測量為基礎(chǔ)，可測量周期、脈沖參數(shù)等，其測時分辨力和準(zhǔn)確度很高。 （4）特種計數(shù)器:具有特殊功能的計數(shù)器。包括可逆計數(shù)器、序列計數(shù)器、預(yù)置計數(shù)器等。用于工業(yè)測控。,1）電子計數(shù)器的分類,按用途可分為：測量用計數(shù)器

5、和控制用計數(shù)器。按測量范圍可分為：（1）低速計數(shù)器（低于10MHz） （2）中速計數(shù)器（10~100MHz） （3）高速計數(shù)器（高于100MHz） （4）微波計數(shù)器（1~80GHz）,2）主要技術(shù)指標(biāo),（1）測量范圍：毫赫~幾十GHz。（2）準(zhǔn)確度：可達(dá)10-9以上。（3）晶振頻率及穩(wěn)定度：晶體振蕩器是電子計數(shù)器的內(nèi)部基準(zhǔn)，一般要求高于所要求的測量準(zhǔn)確度的一個數(shù)量級（10倍）。輸出頻率為1MHz、2.

6、5MHz、5MHz、10MHz等，普通晶振穩(wěn)定度為10-5，恒溫晶振達(dá)10-7~10-9。（4）輸入特性：包括耦合方式（DC、AC）、觸發(fā)電平（可調(diào)）、靈敏度（10~100mV）、輸入阻抗（50 Ω低阻和1M Ω//25pF高阻）等。（5）閘門時間(測頻)：有1ms、10ms、100ms、1s、10s。（6）時標(biāo)(測周)：有10ns、100ns、1ms、10ms。（7）顯示：包括顯示位數(shù)及顯示方式等。,3）電子計數(shù)器的發(fā)展,◆測

7、量方法的不斷發(fā)展：模擬?數(shù)字技術(shù)?智能化?！魷y量準(zhǔn)確度和頻率上限是電子計數(shù)器的兩個重要指標(biāo)，電子計數(shù)器的發(fā)展體現(xiàn)了這兩個指標(biāo)的不斷提高及功能的擴展和完善。◆ 例子： ●通道：兩個225MHz通道，也可選擇第三個12.4GHz通道。 ●每秒12位的頻率分辨率、150ps的時間間隔分辨率。 ●測量功能：包括頻率、頻率比、時間間隔、上升時間、下降時間、相位、占空比、正脈沖寬度、負(fù)脈沖寬度、總和、峰電壓、時間間隔

8、平均和時間間隔延遲。 ●處理功能：平均值、最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。,2 時間與頻率標(biāo)準(zhǔn),2.1 時間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn) 1）天文時標(biāo) 2）原子時標(biāo)2.2 石英晶體振蕩器 1）組成 2）指標(biāo),2.1 時間與頻率的原始標(biāo)準(zhǔn),1）天文時標(biāo)◆原始標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有恒定不變性。◆頻率和時間互為倒數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)具有一致性。◆宏觀標(biāo)準(zhǔn)和微觀標(biāo)準(zhǔn)宏觀標(biāo)準(zhǔn)：基于天文觀測；微觀標(biāo)準(zhǔn)：基于量子電子學(xué)，更穩(wěn)定更準(zhǔn)確?！羰澜?/p>

9、時（UT,Universal Time）:以地球自轉(zhuǎn)周期(1天)確定的時間，即1/(24×60×60)=1/86400為1秒。其誤差約為10－7量級。,1）天文時標(biāo),◆為世界時確定時間觀測的參考點，得到平太陽時：由于地球自轉(zhuǎn)周期存在不均勻性，以假想的平太陽作為基本參考點。零類世界時（UT0 ）：以平太陽的子夜0時為參考。第一類世界時（UT1）：對地球自轉(zhuǎn)的極移效應(yīng)（自轉(zhuǎn)軸微小位移）作修正得到。第二類世界時（U

10、T2）：對地球自轉(zhuǎn)的季節(jié)性變化（影響自轉(zhuǎn)速率）作修正得到。準(zhǔn)確度為3×10－8 。歷書時（ET）：以地球繞太陽公轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，即公轉(zhuǎn)周期（1年）的31 556 925.9747分之一為1秒。參考點為1900年1月1日0時（國際天文學(xué)會定義）。準(zhǔn)確度達(dá)1×10－9 。于1960年第11屆國際計量大會接受為“秒”的標(biāo)準(zhǔn)。,2）原子時標(biāo),◆ 基于天文觀測的宏觀標(biāo)準(zhǔn)用于測試計量中的不足設(shè)備龐大、操作麻煩；觀測時間長；準(zhǔn)確

11、度有限?！粼訒r標(biāo)（AT）的量子電子學(xué)基礎(chǔ)原子（分子）在能級躍遷中將吸收(低能級到高能級)或輻射（高能級到低能級）電磁波，其頻率是恒定的。 hfn-m=En-Em式中，h=6.6252×10-27為普朗克常數(shù)，En、Em為受激態(tài)的兩個能級，fn-m為吸收或輻射的電磁波頻率。,2）原子時標(biāo),原子時標(biāo)的定義1967年10月，第13屆國際計量大會正式通過了秒的新定義：“秒是Cs133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)結(jié)

12、構(gòu)能級之間躍遷頻率相應(yīng)的射線束持續(xù)9,192,631,770個周期的時間”。1972年起實行，為全世界所接受。秒的定義由天文實物標(biāo)準(zhǔn)過渡到原子自然標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確度提高了4~5個量級，達(dá)5×10-14(相當(dāng)于62萬年±1秒)，并仍在提高。,2）原子時標(biāo),原子鐘原子時標(biāo)的實物儀器，可用于時間、頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和比對。銫原子鐘準(zhǔn)確度：10-13~10-14。大銫鐘，專用實驗室高穩(wěn)定度頻率基準(zhǔn)；小銫鐘，頻率工作基準(zhǔn)。

13、銣原子鐘準(zhǔn)確度： 10-11，體積小、重量輕，便于攜帶，可作為工作基準(zhǔn)。氫原子鐘短期穩(wěn)定度高：10-14~10-15，但準(zhǔn)確度較低（10-12）。,2.2 石英晶體振蕩器,電子計數(shù)器內(nèi)部時間、頻率基準(zhǔn)采用石英晶體振蕩器（簡稱“晶振”）為基準(zhǔn)信號源。基于壓電效應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率輸出。但是晶振頻率易受溫度影響（其頻率-溫度特性曲線有拐點，在拐點處最平坦），普通晶體頻率準(zhǔn)確度為10-5。采用溫度補償或恒溫措施（恒定在拐點處的溫度）可

14、得到高穩(wěn)定、高準(zhǔn)確的頻率輸出。下圖為恒溫晶振的組成。,,1）組成,,2）指標(biāo),◆晶體振蕩器的主要指標(biāo)有:輸出頻率:1MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz。 日波動:2×10-10；日老化:1×10-10；秒穩(wěn):5×10-12。輸出波形:正弦波；輸出幅度:0.5Vrms(負(fù)載50Ω)?！魩追N不同類型的晶體振蕩器指標(biāo),3 時間和頻率的測量原理,3.1 模擬測量原理 1）直接法

15、 2）比較法3.2 數(shù)字測量原理 1）門控計數(shù)法測量原理 2）通用計數(shù)器的基本組成,3.2 數(shù)字測量原理,1）門控計數(shù)法測量原理◆時間、頻率量的特點 頻率是在時間軸上無限延伸的，因此，對頻率量的測量需確定一個取樣時間T，在該時間內(nèi)對被測信號的周期累加計數(shù)(若計數(shù)值為N)，根據(jù)fx=N/T得到頻率值。為實現(xiàn)時間（這里指時間間隔）的數(shù)字化測量，需將被測時間按盡可能小的時間單位（稱為時標(biāo)）進(jìn)行量化，通過累計被測時

16、間內(nèi)所包含的時間單位數(shù)（計數(shù)）得到。◆測量原理將需累加計數(shù)的信號（頻率測量時為被測信號，時間測量時為時標(biāo)信號），由一個“閘門”（主門）控制，并由一個“門控”信號控制閘門的開啟（計數(shù)允許）與關(guān)閉（計數(shù)停止）。,,3.2 數(shù)字測量原理,閘門可由一個與（或“或”）邏輯門電路實現(xiàn)。這種測量方法稱為門控計數(shù)法。其原理如下圖所示。上圖為由“與”邏輯門作為閘門，其門控信號為‘1’時閘門開啟（允許計數(shù)），為‘0’時閘門關(guān)閉（停止計

17、數(shù)）?！魷y頻時，閘門開啟時間（稱為“閘門時間”）即為采樣時間。 測時間（間隔）時，閘門開啟時間即為被測時間。,2）通用計數(shù)器的基本組成,通用電子計數(shù)器的組成框圖如下圖所示：,2）通用計數(shù)器的基本組成,通用計數(shù)器包括如下幾個部分輸入通道：通常有A、B、C多個通道，以實現(xiàn)不同的測量功能。輸入通道電路對輸入信號進(jìn)行放大、整形等（但保持頻率不變），得到適合計數(shù)的脈沖信號。通過預(yù)定標(biāo)器還可擴展頻率測量范圍。主門電路：完成計數(shù)的閘

18、門控制作用。計數(shù)與顯示電路：計數(shù)電路是通用計數(shù)器的核心電路，完成脈沖計數(shù)；顯示電路將計數(shù)結(jié)果（反映測量結(jié)果）以數(shù)字方式顯示出來。時基產(chǎn)生電路：產(chǎn)生機內(nèi)時間、頻率測量的基準(zhǔn)，即時間測量的時標(biāo)和頻率測量的閘門信號?？刂齐娐罚嚎刂茀f(xié)調(diào)整機工作，即準(zhǔn)備?測量?顯示。,4 電子計數(shù)器的組成原理和測量功能,4.1 電子計數(shù)器的組成 1）A、B輸入通道 2）主門電路 3）計數(shù)與顯示電路 4）時基產(chǎn)生電路 5）控制電

19、路4.2 電子計數(shù)器的測量功能 1）頻率測量 2）頻率比測量 3）周期測量 4）時間間隔測量 5）自檢,26,2024/3/21,4.4.1 電子計數(shù)器的組成,組成原理框圖,,,1）A、B輸入通道,◆作用：它們主要由放大/衰減、濾波、整形、觸發(fā)（包括出發(fā)電平調(diào)節(jié)）等單元電路構(gòu)成。其作用是對輸入信號處理以產(chǎn)生符合計數(shù)要求（波形、幅度）的脈沖信號。通過預(yù)定標(biāo)器（外插件）還可擴展頻率測量范圍?！羲姑芴赜|發(fā)

20、電路：利用斯密特觸發(fā)器的回差特性，對輸入信號具有較好的抗干擾作用。,1）A、B輸入通道,通道組合可完成不同的測量功能：被計數(shù)的信號（常從A通道輸入）稱為計數(shù)端；控制閘門開啟的信號通道（常從B、C通道輸入）稱為控制端。從計數(shù)端輸入的信號有：被測信號(fx);內(nèi)部時標(biāo)信號等;從控制端輸入的信號有：閘門信號；被測信號(Tx)等；,2）主門電路,◆功能：主門也稱為閘門，通過“門控信號”控制進(jìn)入計數(shù)器的脈沖，使計數(shù)器只對預(yù)定的“閘門時間”之

21、內(nèi)的脈沖計數(shù)?！?電路：由“與門”或“或門”構(gòu)成。其原理如下圖：◆由“與門”構(gòu)成的主門，其“門控信號”為‘1’時，允許計數(shù)脈沖通過；由“或門”構(gòu)成的主門，其“門控信號”為‘0’時，允許計數(shù)脈沖通過?！?“門控信號”還可手動操作得到，如實現(xiàn)手動累加計數(shù)。,3）計數(shù)與顯示電路,◆功能：計數(shù)電路對通過主門的脈沖進(jìn)行計數(shù)（計數(shù)值代表了被測頻率或時間），并通過數(shù)碼顯示器將測量結(jié)果直觀地顯示出來。為了便于觀察和讀數(shù)，通常使用十進(jìn)制

22、計數(shù)電路?！粲嫈?shù)電路的重要指標(biāo)：最高計數(shù)頻率。計數(shù)電路一般由多級雙穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成，受內(nèi)部狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時間限制，使計數(shù)電路存在最高計數(shù)頻率的限制。而且對多位計數(shù)器，最高計數(shù)頻率主要由個位計數(shù)器決定?！舨煌娐肪哂胁煌墓ぷ魉俣龋喝?4LS（74HC）系列為30~40MHz；74S系列為100MHz；CMOS電路約5MHz；ECL電路可達(dá)600MHz。,3）計數(shù)與顯示電路,類型：單片集成與可編程計數(shù)器單片集成的中小規(guī)模IC如：74LS

23、90（MC11C90）十進(jìn)制計數(shù)器；74LS390、CD4018(MC14018)為雙十進(jìn)制計數(shù)器?？删幊逃嫈?shù)器IC如：Intel8253/8254等。顯示器LED、LCD 、熒光（VFD）等。顯示電路：包括鎖存、譯碼、驅(qū)動電路。如74LS47、CD4511等。專用計數(shù)與顯示單元電路：如ICM7216D。,4）時基產(chǎn)生電路,◆功能：產(chǎn)生測頻時的“門控信號”（多檔閘門時間可選）及時間測量時的“時標(biāo)”信號（多檔可選）?！魧崿F(xiàn)：

24、由內(nèi)部晶體振蕩器（也可外接），通過倍頻或分頻得到。再通過門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門控信號”。如，若fc=1MHz,經(jīng)106分頻后，可得到fs=1Hz(周期Ts=1s)的時基信號，經(jīng)過門控雙穩(wěn)態(tài)電路得到寬度為Ts=1s的門控信號。,4）時基產(chǎn)生電路,◆要求：標(biāo)準(zhǔn)性： “門控信號”和“時標(biāo)”作為計數(shù)器頻率和時間測量的本地工作基準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)具有高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度。多值性：為了適應(yīng)計數(shù)器較寬的測量范圍，要求“閘門時

25、間”和“時標(biāo)”可多檔選擇。常用“閘門時間”有：1ms、10ms、100ms、1s、10s。常用的“時標(biāo)”有：10ns、100ns、1us、10us、100us、1ms。,,5）控制電路,◆功能：產(chǎn)生各種控制信號，控制、協(xié)調(diào)各電路單元的工作，使整機按“復(fù)零－測量－顯示”的工作程序完成自動測量的任務(wù)。如下圖所示：,4.2 電子計數(shù)器的測量功能,1）頻率測量◆原理：計數(shù)器嚴(yán)格按照 的定義實現(xiàn)頻率測量。

26、根據(jù)上式的頻率定義，T為采樣時間，N為T內(nèi)的周期數(shù)。采樣時間T預(yù)先由閘門時間Ts確定（時基頻率為fs）。則或該式表明，在數(shù)字化頻率測量中，可用計數(shù)值N表示fx。它體現(xiàn)了數(shù)字化頻率測量的比較法測量原理?！衾纾洪l門時間Ts=1s，若計數(shù)值N=10000，則顯示的fx為“10000”Hz，或“10.000”kHz。如閘門時間Ts=0.1s，則計數(shù)值N=1000，則顯示的fx為 “10.00”kHz。請注意：顯示結(jié)果的有效數(shù)字末

27、位的意義，它表示了頻率測量的分辨力（應(yīng)等于時基頻率fs ）。,,,1）頻率測量,原理框圖和工作波形圖（fx由A通道輸入，內(nèi)部時基）為便于測量和顯示，計數(shù)器通常為十進(jìn)制計數(shù)器，多檔閘門時間設(shè)定為10的冪次方，這樣可直接顯示計數(shù)結(jié)果，并通過移動小數(shù)點和單位的配合，就可得到被測頻率。測量速度與分辨力：閘門時間Ts為頻率測量的采樣時間，Ts愈大，則測量時間愈長，但計數(shù)值N愈大，分辨力愈高。,4.2 電子計數(shù)器的測量功能,2）頻率比的

28、測量◆原理：實際上，前述頻率測量的比較測量原理就是一種頻率比的測量：fx對fs的頻率比。據(jù)此，若要測量fA對fB的頻率比（假設(shè)fA>fB），只要用fB的周期TB作為閘門，在TB時間內(nèi)對fA作周期計數(shù)即可。◆方法： fA對fB分別由A、B兩通道輸入，如下圖。,◆注意：頻率較高者由A通道輸入，頻率較低者由B通道輸入?！?提高頻率比的測量精度：擴展B通道信號的周期個數(shù)。例如：以B通道信號的10個周期作為閘門信號，則計數(shù)值

29、為： ,即計數(shù)值擴大了10倍，相應(yīng)的測量精度也就提高了10倍。為得到真實結(jié)果，需將計數(shù)值N縮小10倍（小數(shù)點左移1位），即◆應(yīng)用：可方便地測得電路的分頻或倍頻系數(shù)。,2）頻率比的測量,3）周期的測量◆原理：“時標(biāo)計數(shù)法”周期測量。對被測周期Tx，用已知的較小單位時間刻度T0（“時標(biāo)”）去量化，由Tx所包含的“時標(biāo)”數(shù)N即可得到Tx。即該式表明，“時標(biāo)”的計數(shù)值N可表示周期Tx。也體現(xiàn)了時

30、間間隔（周期）的比較測量原理。◆實現(xiàn)：由Tx得到閘門；在Tx內(nèi)計數(shù)器對時標(biāo)計數(shù)?！猅x由B通道輸入，內(nèi)部時標(biāo)信號由A通道輸入（A通道外部輸入斷開）。,4.2 電子計數(shù)器的測量功能,◆原理框圖：◆例如：時標(biāo)T0=1us，若計數(shù)值N=10000，則顯示的Tx為“10000”us，或“10.000”ms。如時標(biāo)T0=10us，則計數(shù)值N=1000，顯示的Tx為 “10.00”ms。請注意：顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義，它

31、表示了周期測量的分辨力（應(yīng)等于時標(biāo)T0 ）。為便于顯示，多檔時標(biāo)設(shè)定為10的冪次方?！魷y量速度與分辨力：一次測量時間即為一個周期Tx，Tx愈大(頻率愈低)則測量時間愈長；計數(shù)值N與時標(biāo)有關(guān)，時標(biāo)愈小分辨力愈高。,3）周期的測量,4）時間間隔的測量◆時間間隔：指兩個時刻點之間的時間段。在測量技術(shù)中，兩個時刻點通常由兩個事件確定。如，一個周期信號的兩個同相位點（如過零點）所確定的時間間隔即為周期?！魞蓚€事件的例子及測量參數(shù)還有：同

32、一信號波形上兩個不同點之間?脈沖信號參數(shù)；兩個信號波形上，兩點之間?相位差的測量；手動觸發(fā)?定時、累加計數(shù)?！?測量方法：由兩個事件觸發(fā)得到起始信號和終止信號，經(jīng)過門控雙穩(wěn)態(tài)電路得到“門控信號”，門控時間即為被測的時間間隔。在門控時間內(nèi)，仍采用“時標(biāo)計數(shù)”方法測量（即所測時間間隔由“時標(biāo)”量化）。,4.2 電子計數(shù)器的測量功能,,4）時間間隔的測量,,原理框圖欲測量時間間隔的起始、終止信號分別由B、C通道輸入。時標(biāo)由機內(nèi)提

33、供。如下圖。,,4）時間間隔的測量,相位差的測量利用時間間隔的測量，可以測量兩個同頻率的信號之間的相位差。兩個信號分別由B、C通道輸入，并選擇相同的觸發(fā)極性和觸發(fā)電平。測量原理如下圖：為減小測量誤差，分別取+、-觸發(fā)極性作兩次測量，得到t1、t2再取平均，則,,,4.2 電子計數(shù)器的測量功能,5）自檢（自校）◆功能：檢驗儀器內(nèi)部電路及邏輯關(guān)系是否正常?！魧崿F(xiàn)方法：為判斷自檢結(jié)果是否正確，該結(jié)果應(yīng)該在自檢實施前即是已