电子测量 教学课件 ppt 作者 杜志勇 王鲜芳 第5章
177页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
2、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:f 为频率测量的相对误差; 为计数的相对误差,也称量化误差。,
3、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,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N1。,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
4、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fx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
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