电子测量技术频率时间与相位测量幻灯片资料.ppt

电子测量原理第1页第6章 频率（时间）与相位测量 6.1 时频标准及测量方法 6.2 电子计数器测频率 6.3 电子计数器测时间 6.4 电子计数器测量相位 电子测量原理第2页 在自然界中，周期现象是极为普遍的，在电信号内（特别是电子技术中）也是常见的而频率和周期是从不同的两个侧面来描述周期现象的，二者互为倒数关系周期实质上是时间（即时间间隔），而时间是国际单位制中七个基本物理量之一，单位为秒，用s表示相位与时间也是密切相关的，其关系表述为： （6-1）式中的表示相位，f和T分别是频率和周期电子测量原理第3页 所以，频率、时间、相位三个量可归结为一个量的测量问题在电子技术领域内，频率是最基本的参数之一，它指单位时间内周期变化或振荡的次数，许多电参数的测量方案及结果都与之密切相关因此，频率的测量是十分重要的，而且到目前为止频率的测量在电测量中精确度是最高的电子测量原理第4页电子测量原理第5页6.1.2 频率或时间标准 人们早期根据在地球上看到太阳的“运动”较为均匀这一现象建立了计时标准，把太阳出现于天顶的平均周期（即平均太阳日）的86400分之一定为一秒，称零类世界时（记作UTo），其准确度在10-6量级。

考虑到地球受极运动（即极移引起的经度变化）的影响，可加以修正，修正后称为第一世界时（记作UT1）此外，地球的自转不稳定，进行季节性、年度性变化校正，引出第二世界时（记作UT2），其稳定度在310-8而公转周期却相当稳定，于是人们以1900回归年的31556925.9747分之一作为历书时的秒（记作ET），其标准度可达110-9电子测量原理第6页 上述为宏观记时标准，需要精密的天文观测，手续烦杂，准确度有限，不便于作为测量过程的参照标准而近几十年来引进了微观计时标准，即原子钟，它以原子或分子内部能级跃迁所辐射或吸收的电磁波的频率作为基准来计量时间铯-133（Cs133）原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的9192631770个周期的持续时间为一秒，以此定出的时间标准称为原子时（记作AT），其准确度可达10-13量级 原子时比天文时和石英标准都稳定，这是由原子本身结构及其运动的永恒性决定的自1972年1月1日零时起，时间单位秒由天文秒改为原子秒，使时间标准由实物基准电子测量原理第7页转变为自然基准 需要指出的是，在电子仪器中常采用石英频率标准其原因在于：其一，石英晶体的机械稳定性和热稳定性很高，它的振荡频率受外界因数的影响较小，因而比较稳定；其二，石英频率标准发展快，六十年来将准确度和稳定度提高了4个数量级；其三，石英晶体振荡器结构简单，制造、维护、使用均方便，而且准确度能满足大多数测量的需要。

因此，石英频率作为一种次级标准，已成为最常用的频率标准 最后还要指出，时间标准就是频率标准，这是因为频率与时间互为倒数电子测量原理第8页6.1.3 频率（时间）测量方法 1.直读法 在工程中，工频信号的频率常用电动系频率表进行测量，并用电动系相位表测量相位，因为这种指针式电工仪表的操作简便、成本低，在工程测量中能满足其测量准确度这种电动系频率表和相位表，可见本书第二章 2.电路参数测量法 通过测量电路参数达到测量频率目的的方法有两种首先是电桥法，把被测信号作为交流电桥的电源，调节桥臂参数使电桥平衡，由平衡条件可得出被测频率的结果 电子测量原理第9页这种方法误差较大，目前已很少用参见本书第二章） 其次是谐振法，将被测信号作用为谐振电路的电源，通过改变电路参数使电路谐振，然后由电路参数可得被测频率这两种方法都可在所调节的电路参数上直接按频率刻度，测量时可直接读出结果 3.示波器法 用示波器来进行测量是非常直观的，下面介绍几种常用方法 (1)直接测量法测频率 用示波器直接测量频率已在第三章中讨论过，这里再简要介绍一下 电子测量原理第10页 扫描微调应置“校正”位，调节“时基开关”（即扫描速度），使选择的扫描恰当，屏上显示适中稳定的波形，则由屏上读得的一个周期的距离（单位cm）和时基开关档位（单位s/cm）可得： （6-2）式中：T为被测周期（单位s），S为扫描速度（单位s/cm）。

若使用了“X扩展”，则应除以扩展系数被测信号频率为： （6-3）电子测量原理第11页 (2)时标法测频率 直接测量法中，除需对扫描速度校准外，其准确度还与示波器分辨率和扫描线性及放大器增益稳定性有关然而，时标法可克服扫描非线性所引起的误差 时标法的原理是：在扫描发生器控制下，扫描正程期间时标发生器工作，产生方波（或正弦波）时标信号 ，此信号加在示波管的控制栅极和阴极之间进行辉度调节时标信号周期远小于被测信号周期，则屏上显示的被测信号波形明暗相间，这一明一暗正好是时标信号周期，从而被测信号周期为： （6-4）电子测量原理第12页式中：To为时标信号周期； n为T内的标记数 (3)李沙育图形法测频率 李沙育图形法测频率在第四章中已介绍应注意的是在Y和X输入中必有一个标准频率信号，同时对Y和X输入信号的波形、幅值、频率都有一定要求，而且测量的频率范围不宽此外，测量时应使屏上显示的图形要明了直观. (4)相位测量 示波器测量相位差有下述测量方法: a.单踪示波器法 将被测二信号先后接入Y输入进行显示，记住第一个电子测量原理第13页输入信号显示时的位置，则显示第二个输入信号时就可读出相位差对应的距离，同时再读出信号一个周期的距离，则被测结果为： （6-5） 利用这种方法还可以测试出三相交流信号的相序。

不管是测相位差还是测三相电的相序，这种方法较为费时，操作也相对复杂些 b.双踪示波器法利用双踪示波器或双线示波器来测量信号的相位差非常方便，第四章已作介绍，不再重述电子测量原理第14页 c.李沙育图形法 第四章对此也作了介绍，示波器工作在 “XY方式”，通过屏上显示的椭圆程度来判断二信号的相位差 对三相交流对称电路相位的测量，可用两块功率表进行测量，见第七章内容 4.F/V变换测量法 这种方法是将被测频率f经“F/V”变换环节变换成电压，然后用电压表对电压进行测量，通过电压反映被测频率也有按“F/I”转换将频率转换成电流，通过测电流来反映被测频率的采用“F/V”集成电路做成的测频仪器，最高可测几兆赫的频率F/V”变换法测频的优点，在于可连电子测量原理第15页续监测被测频率的变化 当然，也可采用“T/V”变换来测信号的周期，由周期得被测频率 5.比较法 比较法是将被测频率与标准已知频率进行比较来得到测量结果常用方法有下述两种： (1).拍频法 原理电路见图6-1所示它将 被测频率信号与标准频率信 号通过线性电路进行迭加，然 后把迭加结果在示波器上观察 图图6-1 6-1 拍频法测频率原理电路拍频法测频率原理电路电子测量原理第16页波形，或者送入耳机进行监听。

当ffs时，线性迭加结果振幅恒定；若ffs，线性迭加结果振幅是变化的这种方法适于测低频，且被测与标准信号波形应相同，目前很少应用 (2)差频法 原理电路见图6-2所示 被测与标准信号送入非线 性电路进行混频，然后再 用示波器等来监测混频 结果中有foffs，若f fs，则fo0，输出直流 图 6-2 差频法测频率电子测量原理第17页 6.计算法 以上各测量方法都有它的局限性，特别是在测量范围和准确性方面有不足之处目前，由于数字电路的飞速发展和数字集成电路的普及，电子计数器的应用已十分普遍，利用电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速以及便于实现测量的自动化等突出优点，故已成为近代频率测量的重要手段所以，本章对电子计数器测量频率等加以重点介绍电子测量原理第18页6.2 电子计数器测频率 广为应用的电子计数器不但能测频率，还能测周期、相位差等，故称为“通用计数器”6.2.1 测频基本原理 频率的定义，是指周期性信号在一秒钟内变化的周期如果在一定的时间间隔Ts内计有周期信号的重复变化次数N，则频率可写为： （6-6）电子测量原理第19页 电子计数器就是严格按照式（6-6）进行测频的，原理框图见图6-3所示。

被测信号通过脉冲形成电路转变成脉冲信号送入闸门，在门控信号作用时间内闸门打开，脉冲通过闸门进入计数器计数若闸门在控制信号作用下开启时间为1s，则计数器所计的数即为被测频率值 电子测量原理第20页6.2.2 电子计数器测频的组成框图 电子计数器的组成框图见图6-4所示 图中各电路的作用如下： 放大整形：放大是对小信号而言，整形是将各种被测波形整形成脉冲（如采用施密特电路） 晶振：石英晶体振荡器，产生频率非常稳定的脉冲信电子测量原理第21页号通常是1MHz或5MHz，稳定度达1010数量量级 分频器：实为计数器，每输入十个脉冲才输出一个脉冲通过多次分频可获得不同的时间基准（或时标信号）. 门控：是双稳电路，提高分频信号的前沿陡度，使时基准确 主闸门：具有与门电路一样的功能，只有在门控信号作用下才能开启，即在门控信号高电平期间脉冲通过闸门进入计数器被计数 此外，计数、译码、显示等电路是数字仪表所共性的，这里不多述电子测量原理第22页6.2.3 频率测量原理 被测信号经放大整形后送入闸门晶振信号经分频得到的时间基准信号送入门控电路，门控电路在所选的时间基准内输出高电平，从而打开主闸门在主闸门打开期间，被测信号整形后的脉冲通过主闸门进入计数器被计数，然后再译码和显示。

显示按式（6-6）所示关系进行 闸门的开启时间是可以改变的如8位显示电子计数器式频率计，取显示单位为KHz，设被测f=10MHz，若选闸门时间T=1s，则显示10000.000KHz；若选T=0.1s，因闸门开启时间小10倍，所计脉冲数也小10倍，则小数点右移一电子测量原理第23页位，显示010000.00KHz，如此类推可见，选择闸门时间T大一些，数据有效位多，因而测量准确度高 图6-4中各处信号的波形关系，可见图6-5 所示图中的被测信号为正弦波形，整形后只是在过零变正的瞬间产生脉冲，而且一个周期只产生一个脉冲电子测量原理第24页6.2.4 误差分析 由式（6-6）可得： （6-7） 最大误差： （6-8） 可见误差有两部分，第一项是计数相对误差；第二项是主闸门开启时间误差，它决定于石英振荡器所提供的标准频率的准确度 1.计数误差 计数误差也叫量化误差或1个字误差，它是电子计数器的固有误差，也是数字仪表特有的误差 电子测量原理第25页 产生计数误差的原因，是由被测信号和门控信号之间不同步及周期关系任意性引起的因被测信号与门控信号之间没有同步锁定关系，门控信号的起始点随开机时刻完全是随机的；而且被测信号周期是任意的，而门控信号周期是一定的。

当闸门开启时间Ts与被测信号周期T的整数倍相当时，产生1误差更为典型在图6-5中，Ts与8 T相当，无论t时刻是提前还是推迟均计数脉冲N =8对图示t时刻，若Ts约小于8 T，则计数脉冲N =7（即前后两个脉冲不被计入）；若Ts约大于8 T，则计数脉冲N =9（即前后两个脉冲被计入）电子测量原理第26页 因此，dN=1，由式（6-8）和式（6-6）可得： （6-9） 可见，与fTs成反比也就是说，当被测f一定，闸门开启时间Ts越大，1量化误差对测频误差影响越小；当 闸门开启时间Ts一定，被测 频率越高，1量化误差对测 频误差影响越小从这点 讲，电子计数器测频适于测 高频频率图图6-6 6-6 电子计数器测频误差电子计数器测频误差 电子测量原理第27页 2.标准频率误差 闸门时间不准引起闸门时间相对误差，是晶振频率准确度和整形电路、分频电路、闸门的开关速度等因素影响的结果，但主要决定于晶振频率的准确度设晶振频率fc，分频系数为K，则Ts=KTc=K/fc，其误差为： （6-10） 可见闸门时间的准确度在数值上等于晶振 (标准频率)的准确度，而符号相反 综上，将式（6-9）、（6-10）代入式（6-8），得电子计数器测频的最大误差为:电子测量原理第28页 。