时间频率测量课件

第四章第四章 时间与频率的测量时间与频率的测量4.14.1概述概述4.24.2时间与频率的原始基准时间与频率的原始基准4.34.3频率和时间的测量原理频率和时间的测量原理4.44.4电子计数器的组成原理和测量功能电子计数器的组成原理和测量功能4.54.5电子计数器的测量误差电子计数器的测量误差第四章 时间与频率的测量4.1概述2)2)时频测量的特点时频测量的特点最常见和最重要的测量最常见和最重要的测量最常见和最重要的测量最常见和最重要的测量时间是时间是时间是时间是7 7 7 7个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医的物理量，在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等疗、工业自动化等疗、工业自动化等疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。民用和军事方面都存在时频测量。民用和军事方面都存在时频测量。民用和军事方面都存在时频测量。测量准确度高测量准确度高测量准确度高测量准确度高时间频率基准具有最高准确度（时间频率基准具有最高准确度（时间频率基准具有最高准确度（时间频率基准具有最高准确度（可达可达可达可达10101010-14-14-14-14），校准），校准），校准），校准（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。（比对）方便，因而数字化时频测量可达到很高的准确度。因此，因此，因此，因此，许多物理量的测量都转换为时频测量。许多物理量的测量都转换为时频测量。许多物理量的测量都转换为时频测量。许多物理量的测量都转换为时频测量。自动化程度高自动化程度高自动化程度高自动化程度高测量速度快测量速度快测量速度快测量速度快2)时频测量的特点最常见和最重要的测量u3 3）测量方法概述）测量方法概述）测量方法概述）测量方法概述u频率的测量方法可以分为：模拟法频率的测量方法可以分为：模拟法频率的测量方法可以分为：模拟法频率的测量方法可以分为：模拟法(差频法、示波差频法、示波差频法、示波差频法、示波器法器法器法器法)；电子计数器法电子计数器法电子计数器法电子计数器法u各种测量方法有着各种测量方法有着各种测量方法有着各种测量方法有着不同的实现原理不同的实现原理不同的实现原理不同的实现原理，其复杂程度，其复杂程度，其复杂程度，其复杂程度不同。不同。不同。不同。u各种测量方法有着各种测量方法有着各种测量方法有着各种测量方法有着不同的测量准确度和适用的频不同的测量准确度和适用的频不同的测量准确度和适用的频不同的测量准确度和适用的频率范围率范围率范围率范围。u数字化数字化数字化数字化电子计数器法电子计数器法电子计数器法电子计数器法是时间、频率测量的主要方是时间、频率测量的主要方是时间、频率测量的主要方是时间、频率测量的主要方法，是本章的重点。法，是本章的重点。法，是本章的重点。法，是本章的重点。3）测量方法概述电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第4页4.1.2 4.1.2 电子计数器概述电子计数器概述1 1）电子计数器的分类）电子计数器的分类）电子计数器的分类）电子计数器的分类 通用计数器通用计数器通用计数器通用计数器,频率计数器频率计数器频率计数器频率计数器,时间计数器时间计数器时间计数器时间计数器,特种计数器特种计数器特种计数器特种计数器.2 2 2 2）主要技术指标）主要技术指标）主要技术指标）主要技术指标（1 1）测量范围：）测量范围：）测量范围：）测量范围：毫赫毫赫毫赫毫赫 几十几十几十几十GHzGHz。（2 2）准确度：）准确度：）准确度：）准确度：可达可达可达可达1010-9-9以上。以上。以上。以上。（3 3）晶振频率及稳定度：）晶振频率及稳定度：）晶振频率及稳定度：）晶振频率及稳定度：晶体振荡器是电子计数器的内晶体振荡器是电子计数器的内晶体振荡器是电子计数器的内晶体振荡器是电子计数器的内部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级部基准，一般要求高于所要求的测量准确度的一个数量级（1010倍）。普通晶振稳定度为倍）。普通晶振稳定度为倍）。普通晶振稳定度为倍）。普通晶振稳定度为1010-5-5.4.1.2 电子计数器概述1）电子计数器的分类4.1.1 4.1.1 时间、频率的基本概念时间、频率的基本概念 1 1 1 1）时间和频率的定义）时间和频率的定义）时间和频率的定义）时间和频率的定义时间有两个含义：时间有两个含义：时间有两个含义：时间有两个含义：“时刻时刻时刻时刻”：即某个事件何时发生；即某个事件何时发生；即某个事件何时发生；即某个事件何时发生；“时间间隔时间间隔时间间隔时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。即某个时间相对于某一时刻持续了多久。即某个时间相对于某一时刻持续了多久。即某个时间相对于某一时刻持续了多久。频率的定义：频率的定义：频率的定义：频率的定义：周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（周期信号在单位时间（1s1s1s1s）内的变化次数）内的变化次数）内的变化次数）内的变化次数（周期数）。如果在一定（周期数）。如果在一定（周期数）。如果在一定（周期数）。如果在一定时间间隔时间间隔时间间隔时间间隔T T T T内周期信号重复变化内周期信号重复变化内周期信号重复变化内周期信号重复变化了了了了N N N N次次次次，则频率可表达为：，则频率可表达为：，则频率可表达为：，则频率可表达为：f fN/TN/T时间与频率的关系：时间与频率的关系：时间与频率的关系：时间与频率的关系：可以互相转换。可以互相转换。可以互相转换。可以互相转换。4.1.1 时间、频率的基本概念 1）时间和频率的定义电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第6页2 2）主要技术指标）主要技术指标（4 4）输入特性：包括耦合方式（）输入特性：包括耦合方式（）输入特性：包括耦合方式（）输入特性：包括耦合方式（DCDC、ACAC）、触发电平（可）、触发电平（可）、触发电平（可）、触发电平（可调）、灵敏度（调）、灵敏度（调）、灵敏度（调）、灵敏度（10100mV10100mV）、输入阻抗（）、输入阻抗（）、输入阻抗（）、输入阻抗（50 50 低阻和低阻和低阻和低阻和1M 1M/25pF/25pF/25pF/25pF高阻）等。高阻）等。高阻）等。高阻）等。（5 5）闸门时间）闸门时间）闸门时间）闸门时间(测频测频测频测频)：有有有有1ms1ms、10ms10ms、100ms100ms、1s1s、10s10s。（6 6）时标）时标）时标）时标(测周测周测周测周)：有有有有10ns10ns、100ns100ns、1ms1ms、10ms10ms。（7 7）显示：）显示：）显示：）显示：包括显示位数及显示方式等。包括显示位数及显示方式等。包括显示位数及显示方式等。包括显示位数及显示方式等。2）主要技术指标电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第7页3 3）电子计数器的发展）电子计数器的发展测量方法的不断发展：测量方法的不断发展：测量方法的不断发展：测量方法的不断发展：模拟模拟模拟模拟数字技术数字技术数字技术数字技术智能化。智能化。智能化。智能化。测量准确度和频率上限测量准确度和频率上限测量准确度和频率上限测量准确度和频率上限是电子计数器的两个重要指是电子计数器的两个重要指是电子计数器的两个重要指是电子计数器的两个重要指标，电子计数器的发展体现了这两个标，电子计数器的发展体现了这两个标，电子计数器的发展体现了这两个标，电子计数器的发展体现了这两个指标的不断指标的不断指标的不断指标的不断提高提高提高提高及及及及功能的扩展和完善功能的扩展和完善功能的扩展和完善功能的扩展和完善。例子：例子：例子：例子：通道：通道：通道：通道：两个两个两个两个225MHz225MHz225MHz225MHz通道，也可通道，也可通道，也可通道，也可选择第三个选择第三个选择第三个选择第三个12.4GHz12.4GHz12.4GHz12.4GHz通道。通道。通道。通道。每秒每秒每秒每秒12121212位的频率分辨率、位的频率分辨率、位的频率分辨率、位的频率分辨率、150ps150ps150ps150ps的时间间隔分辨率。的时间间隔分辨率。的时间间隔分辨率。的时间间隔分辨率。测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下测量功能：包括频率、频率比、时间间隔、上升时间、下降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、降时间、相位、占空比、正脉冲宽度、负脉冲宽度、总和、峰电压、时间间峰电压、时间间峰电压、时间间峰电压、时间间隔平均和时间间隔延迟。隔平均和时间间隔延迟。隔平均和时间间隔延迟。隔平均和时间间隔延迟。处理功能：处理功能：处理功能：处理功能：平均值、最小值、最大值和标准偏差。平均值、最小值、最大值和标准偏差。平均值、最小值、最大值和标准偏差。平均值、最小值、最大值和标准偏差。3）电子计数器的发展测量方法的不断发展：模拟数字技术智电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第8页4.2 时间与频率标准时间与频率标准4.2.1 4.2.1 时间与频率的原始标准时间与频率的原始标准1 1）天文时标）天文时标原始标准应具有原始标准应具有原始标准应具有原始标准应具有恒定不变性恒定不变性恒定不变性恒定不变性。世界时世界时世界时世界时（UT,Universal TimeUT,Universal TimeUT,Universal TimeUT,Universal Time）:以以以以地球自转周期地球自转周期地球自转周期地球自转周期(1(1(1(1天天天天)确确确确定的时间，即定的时间，即定的时间，即定的时间，即1/(246060)=1/864001/(246060)=1/864001/(246060)=1/864001/(246060)=1/86400为为为为1 1 1 1秒。其误差约秒。其误差约秒。其误差约秒。其误差约为为为为101010107 7 7 7量级。量级。量级。量级。基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足基于天文观测的宏观标准用于测试计量中的不足设备庞大、操作麻烦；观测时间长；准确度有限。设备庞大、操作麻烦；观测时间长；准确度有限。设备庞大、操作麻烦；观测时间长；准确度有限。设备庞大、操作麻烦；观测时间长；准确度有限。4.2 时间与频率标准4.2.1 时间与频率的原始标准1）电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第9页2 2）原子时标）原子时标原子时标（原子时标（AT）的量子电子学基础的量子电子学基础原子（分子）在能级跃迁中将吸收原子（分子）在能级跃迁中将吸收原子（分子）在能级跃迁中将吸收原子（分子）在能级跃迁中将吸收(低能级到高能低能级到高能低能级到高能低能级到高能级级级级)或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是或辐射（高能级到低能级）电磁波，其频率是恒定的。恒定的。恒定的。恒定的。1967196719671967年年年年10101010月，第月，第月，第月，第13131313届国际计量大会正式通过了届国际计量大会正式通过了届国际计量大会正式通过了届国际计量大会正式通过了秒的新定义：秒的新定义：秒的新定义：秒的新定义：“秒是秒是秒是秒是CsCsCsCs133133133133原子原子原子原子基态的两个超精细基态的两个超精细基态的两个超精细基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续9,192,631,7709,192,631,7709,192,631,7709,192,631,770个周期的时间个周期的时间个周期的时间个周期的时间”。秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准，准确度提高了度提高了度提高了度提高了45454545个量级，达个量级，达个量级，达个量级，达510510510510-14-14-14-14(相当于相当于相当于相当于62626262万年万年万年万年1111秒秒秒秒)，并仍在提高。，并仍在提高。，并仍在提高。，并仍在提高。2）原子时标原子时标（AT）的量子电子学基础电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第10页4.2.2 4.2.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器输出频率输出频率输出频率输出频率:1MHz:1MHz:1MHz:1MHz、2.5MHz2.5MHz2.5MHz2.5MHz、5MHz5MHz5MHz5MHz、10MHz10MHz10MHz10MHz。日波动日波动日波动日波动:210:210:210:210-10-10-10-10；日老化；日老化；日老化；日老化:110:110:110:110-10-10-10-10；秒稳；秒稳；秒稳；秒稳:510:510:510:510-12-12-12-12。输出波形输出波形输出波形输出波形:正弦波；输出幅度正弦波；输出幅度正弦波；输出幅度正弦波；输出幅度:0.5Vrms(:0.5Vrms(:0.5Vrms(:0.5Vrms(负载负载负载负载50)50)50)50)。4.2.2 石英晶体振荡器输出频率:1MHz、2.5MHz电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第11页4.3 时间和频率的测量原理时间和频率的测量原理4.3.1 4.3.1 4.3.1 4.3.1 模拟测量原理模拟测量原理模拟测量原理模拟测量原理1.1.1.1.直接法直接法直接法直接法直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值直接法是利用电路的某种频率响应特性来测量频率值.（1 1 1 1）谐振法：谐振法：谐振法：谐振法：调节可变电容器调节可变电容器调节可变电容器调节可变电容器C C使回路发生谐振使回路发生谐振使回路发生谐振使回路发生谐振，此时，此时，此时，此时回路电流达到最大回路电流达到最大回路电流达到最大回路电流达到最大(高频电压表指示高频电压表指示高频电压表指示高频电压表指示)，则，则，则，则 可测量可测量可测量可测量1500MHz1500MHz以下以下以下以下的频率，准确度的频率，准确度的频率，准确度的频率，准确度(0.25(0.25(0.25(0.251)%1)%1)%1)%。4.3 时间和频率的测量原理4.3.1 模拟测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第12页 (2)(2)(2)(2)电桥电桥电桥电桥法：法：法：法：利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量利用电桥的平衡条件和频率有关的特性来进行频率测量,通常通常通常通常采用如下图所示的采用如下图所示的采用如下图所示的采用如下图所示的文氏电桥文氏电桥文氏电桥文氏电桥来进行测量。来进行测量。来进行测量。来进行测量。调节调节调节调节R R1 1、R R2 2使电桥达到平衡，则有使电桥达到平衡，则有使电桥达到平衡，则有使电桥达到平衡，则有 4.3.1 4.3.1 模拟测量原理模拟测量原理模拟测量原理模拟测量原理()()(2)电桥法：4.3.1 模拟测量原理()电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第13页2.2.比较法比较法基本原理基本原理基本原理基本原理利用利用利用利用标准频率标准频率标准频率标准频率f f f fs s s s和被测量频率和被测量频率和被测量频率和被测量频率f f f fx x x x进行比较进行比较进行比较进行比较来测量频率。有来测量频率。有来测量频率。有来测量频率。有外差法、示波法以及计数法外差法、示波法以及计数法外差法、示波法以及计数法外差法、示波法以及计数法等。等。等。等。数学模型为：数学模型为：数学模型为：数学模型为：外差法：外差法：外差法：外差法：将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率将标准频率与被测频率混频混频混频混频，取出差频并测，取出差频并测，取出差频并测，取出差频并测量。可测量范围达量。可测量范围达量。可测量范围达量。可测量范围达几十几十几十几十MHzMHzMHzMHz（外差式频率计）。（外差式频率计）。（外差式频率计）。（外差式频率计）。示波法：示波法：示波法：示波法：李沙育图形法李沙育图形法李沙育图形法李沙育图形法：将：将：将：将f f f fx x x x和和和和f f f fs s s s分别接到示波器分别接到示波器分别接到示波器分别接到示波器Y Y Y Y轴和轴和轴和轴和X X X X轴（轴（轴（轴（X-YX-YX-YX-Y图示方式），当图示方式），当图示方式），当图示方式），当f f f fx x x xf f f fs s s s时显示为斜线时显示为斜线时显示为斜线时显示为斜线（椭圆或园）；（椭圆或园）；（椭圆或园）；（椭圆或园）；测周期法测周期法测周期法测周期法：直接根据显示波形由：直接根据显示波形由：直接根据显示波形由：直接根据显示波形由X X X X通通通通道道道道扫描速率扫描速率扫描速率扫描速率得到周期，进而得到频率。得到周期，进而得到频率。得到周期，进而得到频率。得到周期，进而得到频率。2.比较法基本原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第14页4.3.2 4.3.2 数字测量原理数字测量原理1 1 1 1）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理）门控计数法测量原理时间、频率量的特点时间、频率量的特点时间、频率量的特点时间、频率量的特点 频率频率频率频率是在时间轴上无限延伸的是在时间轴上无限延伸的是在时间轴上无限延伸的是在时间轴上无限延伸的，因此，对频率量的测量，因此，对频率量的测量，因此，对频率量的测量，因此，对频率量的测量需确定一个需确定一个需确定一个需确定一个取样时间取样时间取样时间取样时间T T，在该时间内对被测信号的周期累，在该时间内对被测信号的周期累，在该时间内对被测信号的周期累，在该时间内对被测信号的周期累加计数加计数加计数加计数(若若若若计数值为计数值为计数值为计数值为N N)，根据，根据，根据，根据f fx x=N/T=N/T得到频率值。得到频率值。得到频率值。得到频率值。为实现为实现为实现为实现时间时间时间时间（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测（这里指时间间隔）的数字化测量，需将被测时间按尽可能小的时间按尽可能小的时间按尽可能小的时间按尽可能小的时间单位（称为时标）时间单位（称为时标）时间单位（称为时标）时间单位（称为时标）进行量化，通过进行量化，通过进行量化，通过进行量化，通过累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）累计被测时间内所包含的时间单位数（计数）得到。得到。得到。得到。测量原理测量原理测量原理测量原理将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量将需累加计数的信号（频率测量时为被测信号，时间测量时为时标信号），由一个时为时标信号），由一个时为时标信号），由一个时为时标信号），由一个“闸门闸门闸门闸门”（主门）（主门）（主门）（主门）控制，并由一控制，并由一控制，并由一控制，并由一个个个个“门控门控门控门控”信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计信号控制闸门的开启（计数允许）与关闭（计数停止）。数停止）。数停止）。数停止）。4.3.2 数字测量原理1）门控计数法测量原理1.1.门控计数法测量原理门控计数法测量原理闸门可由闸门可由闸门可由闸门可由一个与（或一个与（或一个与（或一个与（或“或或或或”）逻辑门电路实现）逻辑门电路实现）逻辑门电路实现）逻辑门电路实现。这种测量。这种测量。这种测量。这种测量方法称为方法称为方法称为方法称为门控计数法门控计数法门控计数法门控计数法。其原理如下图所示。其原理如下图所示。其原理如下图所示。其原理如下图所示。上图为由上图为由上图为由上图为由“与与与与”逻辑门作为闸门，其门控信号为逻辑门作为闸门，其门控信号为逻辑门作为闸门，其门控信号为逻辑门作为闸门，其门控信号为11时闸门开启时闸门开启时闸门开启时闸门开启（允许计数），为（允许计数），为（允许计数），为（允许计数），为00时闸门关闭（停止计数）。时闸门关闭（停止计数）。时闸门关闭（停止计数）。时闸门关闭（停止计数）。测频时，闸门开启时间（称为测频时，闸门开启时间（称为测频时，闸门开启时间（称为测频时，闸门开启时间（称为“闸门时间闸门时间闸门时间闸门时间”）即为采样时）即为采样时）即为采样时）即为采样时间间间间。测时间（间隔）时，闸门开启时间即为测时间（间隔）时，闸门开启时间即为测时间（间隔）时，闸门开启时间即为测时间（间隔）时，闸门开启时间即为被测时间被测时间被测时间被测时间。1.门控计数法测量原理闸门可由一个与（或“或”）逻辑门电2.2.通用计数器的基本组成通用计数器的基本组成通用电子计数器的组成框图如下图所示：通用电子计数器的组成框图如下图所示：通用电子计数器的组成框图如下图所示：通用电子计数器的组成框图如下图所示：2.通用计数器的基本组成通用电子计数器的组成框图如下图所示：电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第17页4.4 电子计数器的组成原理和测量功能电子计数器的组成原理和测量功能4.4.1 4.4.1 4.4.1 4.4.1 电子计数器的组成电子计数器的组成电子计数器的组成电子计数器的组成 1 1 1 1）A A A A、B B B B输入通道输入通道输入通道输入通道 2 2 2 2）主门电路）主门电路）主门电路）主门电路 3 3 3 3）计数与显示电路）计数与显示电路）计数与显示电路）计数与显示电路 4 4 4 4）时基产生电路）时基产生电路）时基产生电路）时基产生电路 5 5 5 5）控制电路）控制电路）控制电路）控制电路4.4.2 4.4.2 4.4.2 4.4.2 电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能 1 1 1 1）频率测量）频率测量）频率测量）频率测量 2 2 2 2）频率比测量）频率比测量）频率比测量）频率比测量 3 3 3 3）周期测量）周期测量）周期测量）周期测量 4 4 4 4）时间间隔测量）时间间隔测量）时间间隔测量）时间间隔测量 5 5 5 5）自检）自检）自检）自检4.4 电子计数器的组成原理和测量功能4.4.1 电子计数器电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第18页4.4.1 4.4.1 电子计数器的组成电子计数器的组成u组成原理框图组成原理框图组成原理框图组成原理框图数字显示器寄存器十进制计数器 A通道(放大、整形)B通 道(放大、整形)主 门功能开关闸门选择、周期倍乘 10 10 10 1010s(104)1s(103)100ms(102)10ms(10)1ms(1)时标选择12345332112445时基部分 10 10 10 10 101ms0.1ms10us1us0.1us10ns控制时序电路开门锁存复位控制时序电路波形4.4.1 电子计数器的组成组成原理框图数字显示器寄存器十进2.2.通用计数器的基本组成通用计数器的基本组成 1 1 1 1）A A A A、B B B B输入通道输入通道输入通道输入通道作用：作用：作用：作用：它们主要由放大它们主要由放大它们主要由放大它们主要由放大/衰减、滤波、整形、触发（包括出衰减、滤波、整形、触发（包括出衰减、滤波、整形、触发（包括出衰减、滤波、整形、触发（包括出发电平调节）等单元电路构成。其作用是发电平调节）等单元电路构成。其作用是发电平调节）等单元电路构成。其作用是发电平调节）等单元电路构成。其作用是对输入信号处理对输入信号处理对输入信号处理对输入信号处理以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号以产生符合计数要求（波形、幅度）的脉冲信号。斯密特触发电路：斯密特触发电路：斯密特触发电路：斯密特触发电路：利用利用利用利用斯密特触发器斯密特触发器斯密特触发器斯密特触发器的的的的回差特性回差特性回差特性回差特性，对输入信号具有较好的抗干扰作用。对输入信号具有较好的抗干扰作用。对输入信号具有较好的抗干扰作用。对输入信号具有较好的抗干扰作用。2.通用计数器的基本组成 1）A、B输入通道2 2）主门电路）主门电路功能：功能：功能：功能：主门主门主门主门也称为也称为也称为也称为闸门闸门闸门闸门，通过，通过，通过，通过“门控信号门控信号门控信号门控信号”控制进入计数控制进入计数控制进入计数控制进入计数器的脉冲，使计数器只对预定的器的脉冲，使计数器只对预定的器的脉冲，使计数器只对预定的器的脉冲，使计数器只对预定的“闸门时间闸门时间闸门时间闸门时间”之内的脉冲之内的脉冲之内的脉冲之内的脉冲计数。计数。计数。计数。电路：电路：电路：电路：由由由由“与门与门与门与门”或或或或“或门或门或门或门”构成。其原理如下图：构成。其原理如下图：构成。其原理如下图：构成。其原理如下图：由由由由“与门与门与门与门”构成的主门，其构成的主门，其构成的主门，其构成的主门，其“门控信号门控信号门控信号门控信号”为为为为11时，允许时，允许时，允许时，允许计数脉冲通过；计数脉冲通过；计数脉冲通过；计数脉冲通过；由由由由“或门或门或门或门”构成的主门，其构成的主门，其构成的主门，其构成的主门，其“门控信号门控信号门控信号门控信号”为为为为00时，允许计数脉冲通过。时，允许计数脉冲通过。时，允许计数脉冲通过。时，允许计数脉冲通过。“门控信号门控信号门控信号门控信号”还可还可还可还可手动操作手动操作手动操作手动操作得到，如实现手动累加计数。得到，如实现手动累加计数。得到，如实现手动累加计数。得到，如实现手动累加计数。2）主门电路功能：主门也称为闸门，通过“门控信号”控制进入3 3）计数与显示电路）计数与显示电路功能：功能：功能：功能：计数电路计数电路计数电路计数电路对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表了被测频率或时间），并通过了被测频率或时间），并通过了被测频率或时间），并通过了被测频率或时间），并通过数码显示器数码显示器数码显示器数码显示器将将将将测量结果直观测量结果直观测量结果直观测量结果直观地显示出来。地显示出来。地显示出来。地显示出来。单片集成与可编程计数器单片集成与可编程计数器单片集成与可编程计数器单片集成与可编程计数器单片集成的中小规模单片集成的中小规模单片集成的中小规模单片集成的中小规模ICIC如：如：如：如：74LS9074LS90（MC11C90MC11C90）十进制计数器）十进制计数器）十进制计数器）十进制计数器uu显示器显示器显示器显示器LEDLED、LCD LCD、荧光（、荧光（、荧光（、荧光（VFDVFD）等。）等。）等。）等。uu显示电路：显示电路：显示电路：显示电路：包括锁存、译码、驱动电路。包括锁存、译码、驱动电路。包括锁存、译码、驱动电路。包括锁存、译码、驱动电路。如如如如74LS4774LS47、CD4511CD4511等。等。等。等。uu专用计数与显示单元电路：专用计数与显示单元电路：专用计数与显示单元电路：专用计数与显示单元电路：如如如如ICM7216DICM7216D。3）计数与显示电路功能：计数电路对通过主门的脉冲进行计数（4 4）时基产生电路）时基产生电路功能：产生测频时的功能：产生测频时的功能：产生测频时的功能：产生测频时的“门控信号门控信号门控信号门控信号”（多档闸门时间（多档闸门时间（多档闸门时间（多档闸门时间可选）及时间测量时的可选）及时间测量时的可选）及时间测量时的可选）及时间测量时的“时标时标时标时标”信号（多档可选）信号（多档可选）信号（多档可选）信号（多档可选）。实现：由内部实现：由内部实现：由内部实现：由内部晶体振荡器晶体振荡器晶体振荡器晶体振荡器（也可外接），通过（也可外接），通过（也可外接），通过（也可外接），通过倍频倍频倍频倍频或分频或分频或分频或分频得到。再得到。再得到。再得到。再通过门控双稳态触发器得到通过门控双稳态触发器得到通过门控双稳态触发器得到通过门控双稳态触发器得到“门门门门控信号控信号控信号控信号”。4）时基产生电路功能：产生测频时的“门控信号”（多档闸门时4.4 4.4 电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能1.1.频率测量频率测量频率测量频率测量原理：计数器严格按照原理：计数器严格按照原理：计数器严格按照原理：计数器严格按照 的定义实现频率测量。的定义实现频率测量。的定义实现频率测量。的定义实现频率测量。根据上式的频率定义，根据上式的频率定义，根据上式的频率定义，根据上式的频率定义，T T为采样时间，为采样时间，为采样时间，为采样时间，N N为为为为T T内的周期数。内的周期数。内的周期数。内的周期数。采样时间采样时间采样时间采样时间T T预先由闸门时间预先由闸门时间预先由闸门时间预先由闸门时间TsTs确定（时基频率为确定（时基频率为确定（时基频率为确定（时基频率为fs fs）。则）。则）。则）。则或或或或该式表明，在数字化频率测量中，可该式表明，在数字化频率测量中，可该式表明，在数字化频率测量中，可该式表明，在数字化频率测量中，可用计数值用计数值用计数值用计数值N N表示表示表示表示fxfx。它体。它体。它体。它体现了数字化频率测量的现了数字化频率测量的现了数字化频率测量的现了数字化频率测量的比较法测量原理比较法测量原理比较法测量原理比较法测量原理。实现：实现：实现：实现：输入信号经整形电路形成计数的窄脉冲；内部时标信输入信号经整形电路形成计数的窄脉冲；内部时标信输入信号经整形电路形成计数的窄脉冲；内部时标信输入信号经整形电路形成计数的窄脉冲；内部时标信号作为门控双稳态电路的开门信号；在开门时间内，被测号作为门控双稳态电路的开门信号；在开门时间内，被测号作为门控双稳态电路的开门信号；在开门时间内，被测号作为门控双稳态电路的开门信号；在开门时间内，被测信号通过闸门进入计数器计数信号通过闸门进入计数器计数信号通过闸门进入计数器计数信号通过闸门进入计数器计数4.4 电子计数器的测量功能1.频率测量1.频率测量频率测量uu原理框图和工作波形图（原理框图和工作波形图（原理框图和工作波形图（原理框图和工作波形图（fxfx由由由由A A通道输入，内部时基）通道输入，内部时基）通道输入，内部时基）通道输入，内部时基）例如：例如：例如：例如：闸门时间闸门时间闸门时间闸门时间Ts=1sTs=1s，若计数值，若计数值，若计数值，若计数值N=10000N=10000，则显示的，则显示的，则显示的，则显示的fxfx为为为为“10000”Hz“10000”Hz，或或或或“10.000”kHz“10.000”kHz。如闸门时间。如闸门时间。如闸门时间。如闸门时间Ts=0.1sTs=0.1s，则计数值，则计数值，则计数值，则计数值N=1000N=1000，则显示的，则显示的，则显示的，则显示的fxfx为为为为 “10.00”kHz“10.00”kHz。uu计数器通常为计数器通常为计数器通常为计数器通常为十进制计数器十进制计数器十进制计数器十进制计数器,并通过移动小数点和单位的并通过移动小数点和单位的并通过移动小数点和单位的并通过移动小数点和单位的配合，就可得到被测频率。配合，就可得到被测频率。配合，就可得到被测频率。配合，就可得到被测频率。uu测量速度与分辨力测量速度与分辨力测量速度与分辨力测量速度与分辨力：闸门时间：闸门时间：闸门时间：闸门时间TsTs为频率测量的采样时间，为频率测量的采样时间，为频率测量的采样时间，为频率测量的采样时间，TsTs愈大，则测量时间愈长，但计数值愈大，则测量时间愈长，但计数值愈大，则测量时间愈长，但计数值愈大，则测量时间愈长，但计数值N N愈大，分辨力愈高。愈大，分辨力愈高。愈大，分辨力愈高。愈大，分辨力愈高。分辨力分辨力分辨力分辨力：可：可：可：可分辨最小频率变化能力。分辨最小频率变化能力。分辨最小频率变化能力。分辨最小频率变化能力。TB放大、整形放大、整形闸闸门门门控电路门控电路计数计数显示显示Afx分频电路分频电路时基时基TsBDCABCD1.频率测量原理框图和工作波形图（fx由A通道输入，内部时基电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第25页1.频率测量频率测量uu原理框图和工作波形图（原理框图和工作波形图（原理框图和工作波形图（原理框图和工作波形图（fxfx由由由由A A通道输入，内部时基）通道输入，内部时基）通道输入，内部时基）通道输入，内部时基）例如：例如：例如：例如：闸门时间闸门时间闸门时间闸门时间Ts=1sTs=1s，若计数值，若计数值，若计数值，若计数值N=10000N=10000，则显示的，则显示的，则显示的，则显示的fxfx为为为为“10000”Hz“10000”Hz，或或或或“10.000”kHz“10.000”kHz。如闸门时间。如闸门时间。如闸门时间。如闸门时间Ts=0.1sTs=0.1s，则计数值，则计数值，则计数值，则计数值N=1000N=1000，则显示的，则显示的，则显示的，则显示的fxfx为为为为 “10.00”kHz“10.00”kHz。uu计数器通常为计数器通常为计数器通常为计数器通常为十进制计数器十进制计数器十进制计数器十进制计数器,并通过移动小数点和单位的并通过移动小数点和单位的并通过移动小数点和单位的并通过移动小数点和单位的配合，就可得到被测频率。配合，就可得到被测频率。配合，就可得到被测频率。配合，就可得到被测频率。uu测量速度与分辨力测量速度与分辨力测量速度与分辨力测量速度与分辨力：闸门时间：闸门时间：闸门时间：闸门时间TsTs为频率测量的采样时间，为频率测量的采样时间，为频率测量的采样时间，为频率测量的采样时间，TsTs愈大，则测量时间愈长，但计数值愈大，则测量时间愈长，但计数值愈大，则测量时间愈长，但计数值愈大，则测量时间愈长，但计数值N N愈大，分辨力愈高。愈大，分辨力愈高。愈大，分辨力愈高。愈大，分辨力愈高。TB放大、整形放大、整形闸闸门门门控电路门控电路计数计数显示显示Afx分频电路分频电路时基时基TsBDCABCD1.频率测量原理框图和工作波形图（fx由A通道输入，内部时基电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第26页4.4.2 4.4.2 电子计数器的测量功能电子计数器的测量功能2.2.频率比的测量频率比的测量频率比的测量频率比的测量原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频原理：实际上，前述频率测量的比较测量原理就是一种频率比的测量：率比的测量：率比的测量：率比的测量：fxfx对对对对fs fs的频率比的频率比的频率比的频率比。据此，若要测量据此，若要测量据此，若要测量据此，若要测量f fA A对对对对f fB B的频率比（假设的频率比（假设的频率比（假设的频率比（假设f fA AffB B），只要用），只要用），只要用），只要用f fB B的周期的周期的周期的周期T TB B作为闸门，在作为闸门，在作为闸门，在作为闸门，在T TB B时间内对时间内对时间内对时间内对f fA A作周期计数即可。作周期计数即可。作周期计数即可。作周期计数即可。方法：方法：方法：方法：f fA A对对对对f fB B分别由分别由分别由分别由A A、B B两通道输入，如下图。两通道输入，如下图。两通道输入，如下图。两通道输入，如下图。4.4.2 电子计数器的测量功能2.频率比的测量电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第27页注意：注意：注意：注意：频率较高者由频率较高者由频率较高者由频率较高者由A A通道输入，频率较低者由通道输入，频率较低者由通道输入，频率较低者由通道输入，频率较低者由B B通道输通道输通道输通道输入。入。入。入。提高频率比的测量精度：提高频率比的测量精度：提高频率比的测量精度：提高频率比的测量精度：扩展扩展扩展扩展B B通道信号的周期个数通道信号的周期个数通道信号的周期个数通道信号的周期个数。例如：以例如：以例如：以例如：以B B通道信号的通道信号的通道信号的通道信号的1010个周期作为闸门信号，则计数值个周期作为闸门信号，则计数值个周期作为闸门信号，则计数值个周期作为闸门信号，则计数值为：为：为：为：,即计数值扩大了即计数值扩大了即计数值扩大了即计数值扩大了1010倍，相应的测量精度倍，相应的测量精度倍，相应的测量精度倍，相应的测量精度也就提高了也就提高了也就提高了也就提高了1010倍。为得到真实结果，需将计数值倍。为得到真实结果，需将计数值倍。为得到真实结果，需将计数值倍。为得到真实结果，需将计数值N N缩小缩小缩小缩小1010倍（小数点左移倍（小数点左移倍（小数点左移倍（小数点左移1 1位），即位），即位），即位），即应用：应用：应用：应用：可方便地测得电路的分频或倍频系数。可方便地测得电路的分频或倍频系数。可方便地测得电路的分频或倍频系数。可方便地测得电路的分频或倍频系数。2.频频率比的测量率比的测量注意：频率较高者由A通道输入，频率较低者由B通道输入。2.原理：原理：原理：原理：“时标计数法时标计数法时标计数法时标计数法”周期测量。周期测量。周期测量。周期测量。对被测周期对被测周期对被测周期对被测周期TxTx，用已知的较小单位时间刻度，用已知的较小单位时间刻度，用已知的较小单位时间刻度，用已知的较小单位时间刻度T T0 0（“时标时标时标时标”）去量化，由）去量化，由）去量化，由）去量化，由TxTx所包含的所包含的所包含的所包含的“时标时标时标时标”数数数数N N即可得到即可得到即可得到即可得到TxTx。即。即。即。即该式表明，该式表明，该式表明，该式表明，“时标时标时标时标”的计数值的计数值的计数值的计数值N N可表示周期可表示周期可表示周期可表示周期TxTx。也体现了。也体现了。也体现了。也体现了时间间隔（周期）的时间间隔（周期）的时间间隔（周期）的时间间隔（周期）的比较测量原理比较测量原理比较测量原理比较测量原理。实现：实现：实现：实现：由由由由TxTx得到得到得到得到闸门闸门闸门闸门；在；在；在；在TxTx内计数器对时标计数。内计数器对时标计数。内计数器对时标计数。内计数器对时标计数。TxTx由由由由B B通道输入，内部时标信号由通道输入，内部时标信号由通道输入，内部时标信号由通道输入，内部时标信号由A A通道输入（通道输入（通道输入（通道输入（A A通通通通道外部输入断开）。道外部输入断开）。道外部输入断开）。道外部输入断开）。3.周期的测量周期的测量原理：“时标计数法”周期测量。3.周期的测量原理框图：原理框图：原理框图：原理框图：例如：例如：例如：例如：时标时标时标时标T T0 0=1us=1us，若计数值，若计数值，若计数值，若计数值N=10000N=10000，则显示的，则显示的，则显示的，则显示的TxTx为为为为“10000”us“10000”us，或，或，或，或“10.000”ms“10.000”ms。如时标。如时标。如时标。如时标T T0 0=10us=10us，则计数值，则计数值，则计数值，则计数值N=1000N=1000，显示的，显示的，显示的，显示的TxTx为为为为 “10.00”ms“10.00”ms。请注意：请注意：请注意：请注意：显示结果的有效数字末位显示结果的有效数字末位显示结果的有效数字末位显示结果的有效数字末位的意义，它的意义，它的意义，它的意义，它表示了周期测量的分辨力表示了周期测量的分辨力表示了周期测量的分辨力表示了周期测量的分辨力（应等于时标（应等于时标（应等于时标（应等于时标T T0 0 ）。为便于显示，。为便于显示，。为便于显示，。为便于显示，多档多档多档多档时标设定为时标设定为时标设定为时标设定为1010的幂次方。的幂次方。的幂次方。的幂次方。测量速度与分辨力测量速度与分辨力测量速度与分辨力测量速度与分辨力：一次测量时间即为一个周期一次测量时间即为一个周期一次测量时间即为一个周期一次测量时间即为一个周期TxTx，TxTx愈大愈大愈大愈大(频率频率频率频率愈低愈低愈低愈低)则测量时间愈长；计数值则测量时间愈长；计数值则测量时间愈长；计数值则测量时间愈长；计数值N N与时标有关，时标愈小分辨力愈高。与时标有关，时标愈小分辨力愈高。与时标有关，时标愈小分辨力愈高。与时标有关，时标愈小分辨力愈高。3.周期的测量周期的测量原理框图：3.周期的测量时间间隔：时间间隔：时间间隔：时间间隔：指指指指两个时刻点两个时刻点两个时刻点两个时刻点之间的时间段。之间的时间段。之间的时间段。之间的时间段。在测量技术中，两在测量技术中，两在测量技术中，两在测量技术中，两个时刻点通常由个时刻点通常由个时刻点通常由个时刻点通常由两个事件两个事件两个事件两个事件确定。如，一个确定。如，一个确定。如，一个确定。如，一个周期信号的两个同相位点周期信号的两个同相位点周期信号的两个同相位点周期信号的两个同相位点（如过零点）所确定的时间间隔即为周期。（如过零点）所确定的时间间隔即为周期。（如过零点）所确定的时间间隔即为周期。（如过零点）所确定的时间间隔即为周期。两个事件两个事件两个事件两个事件的例子及的例子及的例子及的例子及测量参数测量参数测量参数测量参数还有：还有：还有：还有：同一信号波形上两个不同点之间同一信号波形上两个不同点之间同一信号波形上两个不同点之间同一信号波形上两个不同点之间脉冲信号参数脉冲信号参数脉冲信号参数脉冲信号参数；两个信号波形上，两点之间两个信号波形上，两点之间两个信号波形上，两点之间两个信号波形上，两点之间相位差的测量相位差的测量相位差的测量相位差的测量；手动触发手动触发手动触发手动触发定时、累加计数。定时、累加计数。定时、累加计数。定时、累加计数。测量方法：测量方法：测量方法：测量方法：由由由由两个事件两个事件两个事件两个事件触发得到触发得到触发得到触发得到起始信号和终止信号起始信号和终止信号起始信号和终止信号起始信号和终止信号，经过门控双稳态电路得到经过门控双稳态电路得到经过门控双稳态电路得到经过门控双稳态电路得到“门控信号门控信号门控信号门控信号”，门控时间即为被，门控时间即为被，门控时间即为被，门控时间即为被测的时间间隔。在门控时间内，仍测的时间间隔。在门控时间内，仍测的时间间隔。在门控时间内，仍测的时间间隔。在门控时间内，仍采用采用采用采用“时标计数时标计数时标计数时标计数”方法方法方法方法测量（即所测时间间隔由测量（即所测时间间隔由测量（即所测时间间隔由测量（即所测时间间隔由“时标时标时标时标”量化）。量化）。量化）。量化）。4.时间间隔的测量时间间隔的测量时间间隔：指两个时刻点之间的时间段。在测量技术中，两个时刻4.时间间隔的测量时间间隔的测量u原理框图原理框图原理框图原理框图欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由欲测量时间间隔的起始、终止信号分别由B B、C C通道通道通道通道输入。时标由机内提供。如下图。输入。时标由机内提供。如下图。输入。时标由机内提供。如下图。输入。时标由机内提供。如下图。4.时间间隔的测量原理框图电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第32页 触发极性触发极性触发极性触发极性选择和选择和选择和选择和触发电平触发电平触发电平触发电平调节调节调节调节：为增加测量的灵活性，：为增加测量的灵活性，：为增加测量的灵活性，：为增加测量的灵活性，B B、C C输入通道都设置有触发极性输入通道都设置有触发极性输入通道都设置有触发极性输入通道都设置有触发极性(+(+、-)-)和触发电平调节，和触发电平调节，和触发电平调节，和触发电平调节，以完成各种时间间隔的测量。如下图的脉冲参数测量。以完成各种时间间隔的测量。如下图的脉冲参数测量。以完成各种时间间隔的测量。如下图的脉冲参数测量。以完成各种时间间隔的测量。如下图的脉冲参数测量。VBVc起始起始停止停止开门时间开门时间C(50%)B(50%)起始起始停止停止开门时间开门时间VBVcB(50%)C-(50%)(50%)B B+(50%)C +(50%)(50%)C(90%)闸门信号闸门信号关门信号关门信号开门信号开门信号B(10%)4.时间间隔的测量时间间隔的测量 触发极性选择和触发电平调节：为增加测量的灵活性，B、C输电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第33页4.时间间隔的测量时间间隔的测量u相位差的测量相位差的测量相位差的测量相位差的测量利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。间的相位差。间的相位差。间的相位差。两个信号分别由两个信号分别由两个信号分别由两个信号分别由B B、C C通道输入，并选择相同的触发极通道输入，并选择相同的触发极通道输入，并选择相同的触发极通道输入，并选择相同的触发极性和触发电平。性和触发电平。性和触发电平。性和触发电平。测量原理如下图：测量原理如下图：测量原理如下图：测量原理如下图：为减小测量误差，分别取为减小测量误差，分别取为减小测量误差，分别取为减小测量误差，分别取+、-触发极性作两次测量，触发极性作两次测量，触发极性作两次测量，触发极性作两次测量，得到得到得到得到t t1 1、t t2 2再取平均，则再取平均，则再取平均，则再取平均，则4.时间间隔的测量相位差的测量电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第34页5.自检（自校）自检（自校）功能：功能：功能：功能：检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。检验仪器内部电路及逻辑关系是否正常。实现方法：实现方法：实现方法：实现方法：为判断自检结果是否正确，该结果应该在为判断自检结果是否正确，该结果应该在为判断自检结果是否正确，该结果应该在为判断自检结果是否正确，该结果应该在自检实施前即是已知的。为此，自检实施前即是已知的。为此，自检实施前即是已知的。为此，自检实施前即是已知的。为此，用机内的时基用机内的时基用机内的时基用机内的时基TsTs（闸（闸（闸（闸门信号）对时标门信号）对时标门信号）对时标门信号）对时标