第四章  频率和时间测量及仪器
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第四章 频率和时间测量及仪器. 4.1 概述. * 基本概念. 1 、时间有两个含义: “时刻”:即某个事件何时发生; “时间间隔”:即某个时间相对于某一时刻持续了多久。 2 、频率的定义:周期信号在单位时间( 1s )内的变化次数(周期数) 如果在一定时间间隔 T 内周期信号重复变化了 N 次,则频率可表达为: f = N/T 3 、时间与频率的关系:可以互相转换。. * 频率测量的方法. 谐振法. 无源测频法 (直读法). 电桥法. 频率 — 电压变换法. 模拟法. 拍频法. 差频法. 比较法. 李沙育图形法. 示波法.

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第四章 频率和时间测量及仪器

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第四章 频率和时间测量及仪器


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4.1 概述

* 基本概念

1、时间有两个含义:

“时刻”:即某个事件何时发生;

“时间间隔”:即某个时间相对于某一时刻持续了多久。

2、频率的定义:周期信号在单位时间(1s)内的变化次数(周期数)

如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化了N次,则频率可表达为:

f=N/T

3、时间与频率的关系:可以互相转换。


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* 频率测量的方法

谐振法

无源测频法

(直读法)

电桥法

频率—电压变换法

模拟法

拍频法

差频法

比较法

李沙育图形法

示波法

测周期法

电容充放电法

数字法

电子计数器法


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fx=f0=1/ 2πLC

M

C

fx

~

L

v

fx

谐振法测频原理

c

4.1.1 无源测频法

被测信号经互感M与LC串联谐振回路

进行松耦合,改变可变电容C,使回路发生

串联谐振。谐振时回路电流达到最大。

1、谐振法:


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C1

R3

R1

fx

~

R2

R4

C2

平衡条件与频率有关的电桥都可以用来测量

频率,电桥的频率特性应尽可能尖锐。常用的电

桥有:文氏电桥、谐振电桥、双T电桥。

2、电桥法:

(R1+1/jωxc1)R4=R2/(1+j ωxc2 R2)R3

取R1= R2=R,C1=C2=C,则由f= ω/2 π 得 fx=1/2πRC


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fx

fx= ωx/2 π =1/ 2 π R1 R2 C1 C2

RC


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ux

A

B

U0

脉冲形成

单稳态多谐振荡器

积分

3、频率—电压变换法:

频率—电压变换法测频就是先把频率信号变换为

电压或电流信号,然后用带有频率刻度的电压表或

电流表直接得出被测频率。


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示波器

fx

~

v

耳机

~

fs

拍频法测频原理图

4.1.2 比较法

1、拍频法:

将被测信号与标准信号经线性元件直接进行叠加来实现频率的测量。通常只用于音频的测量。


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fx

~

混频

滤波放大器

V

耳机

~

fs

差频法测频原理

2、差频法:

利用非线性器件和标准信号对被测信号进行差频变换来实现频率的测量。适用于高频段的测量。


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4.2 电子计数器

4.2.1 分类

1、通用电子计数器

2、频率计数器

3、计算计数器

4、时间计数器

5、特种计数器


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fx

输入单元

主门

十进制电子计数器

门控电路

逻辑控制单元

时标信号

与门4

1HZ

与门1

与门2

与门3

分频器

石英

振荡器

10/1

10/1

10/1

10/1

10/1

10/1

10/1

1KHZ

100HZ

10HZ

1HZ

频率计数器组成方框图

0.1s

1s

10ms

+12v

10s

4.2.2 基本组成


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4.2.3 技术指标

1、测试功能

2、测量范围

4、测量准确度

3、输入特性

5、闸门时间和时标

6、显示及工作方式

7、输出


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4.3 通用电子计数器

被测信号经过放大整形,转变为计数脉冲,作为闸门的输入信号。门控电路输出的门控信号控制闸门的启闭。在闸门开启期间计数电路对脉冲进行计数。

4.3.1 测量频率

在已知的标准时间内累计未知的待测输入信号的脉冲的个数,实现频率的测量。


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1

脉冲形

成电路

2

5

十进制

计数器

闸门

1

4

门控

电路

2

3

时基信号发生器

3

时基T

4

5

电子计数器测频原理方框图

工作波形图


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被测信号经过m次倍频

NTX=N/fx=KfTs

NT m=N/mfx=KfTs

fx=N/ KfTs

fx=N/ m KfTs

N= KfTs fx

N= mKfTs fx

N 闸门开启期间十进制计数器的计数脉冲个数

fx

被测信号的频率

Ts

晶振信号周期

Kf

分频次数


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TX=1S

KHZ

N=100,000

1 0 0. 0 0 0

KHZ

N=10,000

1 0 0 .0 0

TX=0.1S

为了使N值能直接表示fx:

小数点自动向右移一位


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4.3.2 测量周期

被测信号控制门控电路输出门控信号控制闸门的启闭,晶振信号经倍频后形成计数脉冲,作为闸门的输入信号。

在未知的待测时间间隔内累计已知的标准时间脉冲个数,实现周期的测量。


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fs=1/Ts

Ts/m

晶振

倍频器(m)

闸门

计数显示

TX

Kf

TX

放大整

型电路

分频器

(1/Kf)

门控电路

TX

电子计数器测周原理方框图

KfTX=NTs/m=N/mfs

TX=N/mKffs=NTs/mKf

N=mKfTx/TS


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由上述得知,通用电子计数器无论测频还是测周,其测量方法的依据是:

闸门时间等于计数脉冲周期与闸门开启时通过的计数脉冲个数之积。


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4.3.3 测量频率比

两个输入信号加到电子计数器输入端,如果信号a的频率大于信号b的频率

则:

信号b经B通道输入,对闸门进行控制;信号a则经A通道输入,形成计数脉冲,作为闸门的输入信号。


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fA=1/TA

放大整

型电路A

fA

闸门

计数显示

TB=1/fB

放大整

型电路B

门控电路

fB

测量频率比原理框图

Kf TB=N TA/m

fA/ fB=N/(mKf)


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fA=1/TA

放大整

型电路A

fA

闸门

计数显示

启动

S

门控

电路

终止

测量累加计数原理方框图

4.3.4测量累加计数

累加计数是指在限定时间内,对输入信号重复次数进行累加。其测量原理与测量频率相似,不过此时门控电路由人工控制。


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=NTS/m

4.3.5 测量时间间隔

控制闸门启闭的是两个(或单个)输入信号在不同点产生的触发脉冲。触发器的触发电平与触发极性选择开关决定触发脉冲的产生。

1、两个输入信号时,S1处于“单独”位置;起始脉冲TA,终止脉冲TB在正极性,50%电平处产生 。

TAB=NTS/m

2、一个输入信号时, S1处于“公共”位置;起始脉冲在正极性触发,终止脉冲在负极性触发,触发电平均为50%。


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Ts/m

Ts

倍频

器(m)

计数显示

晶振

闸门

TA

触发器1

终止

触发器

起始

触发器

单独

S1

公共

触发器2

TB

测量时间间隔原理框图


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fs=1/Ts

Ts/m

晶振

倍频器(m)

闸门

计数显示

Kf

Ts

TS

分频器

(1/Kf)

门控电路

自检原理框图

4.3.6 自检

自检过程与测量频率原理相似,不过自检的计数脉冲与门控信号均为晶振信号经倍频和分频后产生的时标和时基信号。原理上不存在量化误差。

NTS/m=KfTs

N=mKf


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总结:

*频率和时间测量概述

*电子计数器概述

*通用电子计数器的应用


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