电子测量技术频率时间测量.pptx
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1、 2频率的定义与标准 生活中的“周期”现象人们早已熟悉。如地球自转的日出日落现象是确定的周期现象;重力摆或平衡摆轮的摆动、电子学中的电磁振荡也都是确定的周期现象。自然界中类似上述的周而复始重复出现的事物或事件还可以举出很多,这里不能一一列举。周期过程重复出现 一次所需要的时间称为它的周期,记为T。在数学中,把这类具有周期性的现象概括为一种函数关系描述,即)()(mTtFtF(5.1-1) 式中,m为整实数,即m0,1,;t为描述周期过程的时间变量;T为周期过程的周期。第1页/共59页 频率是单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数,记为f。联系周期与频率的定义,不难看出f与T之间有下述重要关
2、系,即Tf1(5.1-2) 若周期T的单位是秒,那么由式(512)可知频率的单位就是1秒,即赫兹(Hz)。第2页/共59页二、频率测量方法概述 对于频率测量所提出的要求,取决于所测频率范围和测量任务。例如,在实验室中研究频率对谐振回路、电阻值、电容的损耗角或其他被研究电参量的影响时,能将频率测到 量级的精确度或稍高一点也就足够了;对于广播发射机的频率测量,其精确度应达到 量级;对于单边带通信机则应优于 量级;而对于各种等级的频率标准,则应在 量级之间。由此可见,对频率测量来讲,不同的测量对象与任务,对其测量精确度的要求十分悬殊。210151017101138101101第3页/共59页 根据测
3、量方法的原理,对测量频率的方法大体上可作如下分类:第4页/共59页 测试方法是否可以简单?所使用的仪器是否可以低廉?完全取决于对测量精确度的要求。 用电子计数器测量信号的周期、频率和时间等参数,具有准确度高,测量范围大,速度快等优点,因此它已成为测量周期、频率和时间等参数的主要仪器。 第5页/共59页5.2 电子计数法测量频率一、电子计数法测频原理 若某一信号在T秒时间内重复变化了N次,则根据频率的定义,可知该信号的频率fx为TNfx(5.2-1) 通常取1s或其它十进时间,如10s,0.1s,0.01s等等。第6页/共59页图5.21 计数式频率计框图、波形图第7页/共59页图5.21 计数
4、式频率计框图、波形图第8页/共59页 (1)时间基准T产生电路。这部分的作用就是提供准确的计数时间T。 (2)计数脉冲形成电路。这部分电路的作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲。 (3)计数显示电路。这部分电路的作用,简单地说,就是计数被测周期信号重复的次数,显示被测信号的频率。第9页/共59页二、误差分析计算 在测量中,误差分析计算是不可少的。理论上讲,不管对什么物理量的测量,不管采用什么样的测量方法,只要进行测量,就有误差存在。误差分析的目的就是要找出引起测量误差的主要原因,从而有针对性地采取有效措施,减小测量误差,提高测量的精确度。在5.1中,曾明确过计数式测量频率的方法有许多优点
5、,但也存在着这种测量方法的测量误差。下面我们来分析电子计数测频的测量误差。第10页/共59页由式(5.21),得 TTNNffxx 从式(522)可以看出:电子计数测量频率方法引起的频率测量相对误差,由计数器累计脉冲数相对误差和标准时间相对误差两部分组成。因此,对这两种相对误差我们可以分别加以讨论,然后相加得到总的频率测量相对误差。第11页/共59页1量化误差1误差 在测频时,主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的,即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样,既便在相同的主门开启时间T(先假定标准时间相对误 差为零)内,计数器所计得的数却不一定相同,这便是量化误差(又称脉冲计数误差
6、)即1误差产生的原因。第12页/共59页 5.22中T为计数器的主门开启时间,Tx为被测信号周期,t1为主门开启时刻至第一个计数脉冲前沿的时间(假设计数脉冲前沿使计数器翻转计数), t2为闸门关闭时刻至下一个计数脉冲前沿的时间。设计数值为N(处在T区间之内窄脉冲个数,图中N6),由图可见,xxxxTttNTTttNttNTT212121(5.2-3)(5.2-4)第13页/共59页图5.22 脉冲计数误差示意图第14页/共59页 脉冲计数最大绝对误差即1误差1N(5.2-5)联系式(5.25),脉冲计数最大相对误差为TfNNNx11(5.2-6) 由上式可以看出,被测值的读数N不同时,对量化误
7、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。第15页/共59页2闸门时间误差(标准时间误差) 闸门时间不准,造成主门启闭时间或长或短,显然要产生测频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc。(周期为Tc),分频系数为m,所以有ccfmmTT1(5.2-7) 对式(5.2-7)微分,得22ccccTfdfTdTfdfmd由式(52-8)、(52-7)可知(5.2-8)(5.2-9)第16页/共59页 考虑相对误差定义中使用的是增量符号,所以用增量符
8、号代替式(5.29)中微分符号,改写为ccffTT(5.2-10) 式(5,2-10)表明:闸门时间相对误差在数值上等于晶振频率的相对误差。 将式(52-6)、(5,2-10)代入式(52-2)得 ccxxxffTfff1(5.2-11)第17页/共59页 fc有可能大于零,也有可能小于零。若按最坏情况考虑,测量频率的最大相对误差应写为ccxxxffTfff1(5.2-12)(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m,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
9、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,可通过提高信噪比或调小通道增益来减小误差程度。第18页/共59页标准频率比较测量法 用两组计数器在相同的时间门限内同时计数,测得待测信号的脉冲个数为N1、已知的标准频率信号的脉冲个数为N2,设待测信号的频率为fx ,已知的标准频率信号的频率为f0;由于测量时间相同,则可得到如下等式: 021fNfNx第19页/共59页图 一般测量时可能产生的误差时序波形图 第20页/共59页 等精度测量法 等精度测量法的机理是在标准频率比较测量法的基础上改变计数器的计数开始和结束与闸门门限的上升沿和下降沿的严格关系。当闸门门限的上升沿到来时,如果待测
10、量信号的上升沿未到时两组计数器也不计数,只有在待测量信号的上升沿到来时,两组计数器才开始计数;当闸门门限的下降沿到来时,如果待测量信号的一个周期未结束时两组计数器也不停止计数,只有在待测量信号的一个周期结束时两组计数器才停止计数。这样就克服了待测量信号的脉冲周期不完整的问题,其误差只由标准频率信号产生, 与待测量信号的频率无关。最大误差为正负一个标准频率周期,即t=1/f0。由于一般标准信号频率都在几十兆赫兹以上,因此误差小于 10-6。 第21页/共59页图 等精度测量法的时序波形图 第22页/共59页第23页/共59页 若频率测量模块计数器的计数值为Na, 待测频率为fx,恒温晶振的计数值
11、为Nb,恒温晶振的频率为f0 ,则频率的运算公式为: fx= Nb f0 / Na第24页/共59页频率测量硬件电路原理图第25页/共59页三、测量频率范围的扩大 电子计数器测量频率时,其测量的最高频率主要取决于计数器的工作速率,而这又是由数字集成电路器件的速度所决定的。目前计数器测量频率的上限为1GHz左右,为了能测量高于1GHz的频率,有许多种扩大测量频率范围的方法。这里我们只介绍一种称之为外差法扩大频率测量范围的基本原理。第26页/共59页图5. 23 外差法扩频测量原理框图第27页/共59页 图5,23为外差法扩频测量的原理框图。设计数器直接计数的频率为fA。被测频率为fx , fx高
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