【文章內(nèi)容簡介】 開門時(shí)間 VB Vc B＋ (50%) C (50%) (50%) － B + (50%) C +(50%) － (50%) C＋ (90%) 閘門信號 關(guān)門信號 開門信號 B ＋ (10%) ? 相位差的測量 – 利用時(shí)間間隔的測量，可以測量兩個(gè)同頻率的信號之間的相位差。 – 兩個(gè)信號分別由 B、 C通道輸入，并選擇相同的觸發(fā)極性和觸發(fā)電平。 – 測量原理如下圖： – 為減小測量誤差，分別取 +、 觸發(fā)極性作兩次測量， 得到 t t2再取平均，則 ??221 tt ??5）自檢（自校） ◆ 功能： 檢驗(yàn)儀器內(nèi)部電路及邏輯關(guān)系是否正常。 ◆ 實(shí)現(xiàn)方法： 為判斷自檢結(jié)果是否正確，該結(jié)果應(yīng)該在自檢實(shí)施前即是已知的。為此， 用機(jī)內(nèi)的時(shí)基 Ts（閘門信號）對時(shí)標(biāo) T0計(jì)數(shù) ，則計(jì)數(shù)結(jié)果應(yīng)為： ◆自檢的方框圖： ◆ 例如： 若選擇 Ts=10ms, T0=1us,則自檢顯示應(yīng) 穩(wěn)定在 N=10000。 ◆自檢 不能檢測內(nèi)部基準(zhǔn)源 。 放大 整形 晶振 放大 整形 閘門 計(jì)數(shù)器 顯示 門控電路 分頻電路 T0 Tx 0sTN T? 測量誤差的來源 1）量化誤差 ◆量化誤差： 由 fx=N/Ts=Nfs和 Tx=NT0，可見， 由于計(jì)數(shù)值 N為整數(shù) ， fx和 Tx必然產(chǎn)生 “ 177。 1誤差 ” ，即 “ 量化誤差 ” 。它是所有數(shù)字化儀器都存在的誤差。 ◆產(chǎn)生原因： 量化誤差并非由于計(jì)數(shù)值 N的不準(zhǔn)確造成。而是 由于閘門開啟和關(guān)閉的時(shí)間與被測信號不同步引起 ，使得在閘門開始和結(jié)束時(shí)刻有一部分 時(shí)間零頭 沒有被計(jì)算在內(nèi)而造成的測量誤差。 電子計(jì)數(shù)器的測量誤差 ?如圖，同一被測信號，在相同的閘門時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)結(jié)果不同。根據(jù)頻率定義，準(zhǔn)確的 fx應(yīng)為 式中， 即， 或 因此，量化誤差的影響相當(dāng)于計(jì)數(shù)值 N的 “ 177。 ”個(gè)字。 ◆ 是隨機(jī)的，它們 服從均勻分布，其差值 則服從三角分布。 12xsNfT t t? ? ? ? ?12,s x x xT N T T t t T? ? ? ? ? ? ?12( 1 ) ( 1 )x s xN T T t t N T? ? ? ? ? ? ? ?1211sxT t tNNT? ? ? ?? ? ? ?12tt??、12tt? ??2）觸發(fā)誤差 ◆ 觸發(fā)誤差 ：輸入信號都需經(jīng)過通道電路放大、整形得到脈沖信號，即 輸入信號 ?脈沖信號 。 這種 轉(zhuǎn)換要求只對信號幅值和波形變換 ， 不能改變其頻率 。 但是 ， 若輸入被測信號 疊加有干擾信號 ，信號的頻率及相對閘門信號的觸發(fā)點(diǎn)就可能變化 。產(chǎn)生的測量誤差稱 “ 觸發(fā)誤差 ” ， 既 “ 轉(zhuǎn)換誤差 ” 。 ◆ 如圖。周期為 Tx的輸 入信號，觸發(fā)電平在 A1點(diǎn)，但在 A1’點(diǎn)上有 干擾信號 (幅度 Vn)。 提前觸發(fā) ,周期 Tx?Tx’。 3）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 機(jī)內(nèi)時(shí)基和時(shí)標(biāo)是頻率和時(shí)間間隔測量的參考基準(zhǔn)，它們由內(nèi)部晶體振蕩器分頻或倍頻后產(chǎn)生。其 準(zhǔn)確度和測量時(shí)間之內(nèi)的短期穩(wěn)定度 將直接影響測量結(jié)果。 通常，要求 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差小于測量誤差的一個(gè)數(shù)量級 。因此，內(nèi)部晶振要求較高穩(wěn)定性。若不能滿足測量要求，還可外接更高準(zhǔn)確度的外部基準(zhǔn)源 。 頻率測量的誤差分析 1）誤差表達(dá)式 ◆由頻率測量表達(dá)式： fx=N/Ts=Nfs，計(jì)數(shù)器直接測頻的誤差由兩項(xiàng)組成：即量化誤差（ 177。 1誤差）和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差?？傉`差采用分項(xiàng)誤差絕對值合成， 式中， 即為 177。 1誤差，其最大值為 ,而 由于 fs由晶振 (fc)分頻得到，設(shè) fs=fc/k，則 于是，頻率測量的誤差表達(dá)式可寫成： xsffNf N f?????N? 1N? ? ?scscffff???s sxxTN T fT??1xcx s x cfff T f f????? ? ?????誤 差 曲 線 誤差曲線直觀地表示了 測頻誤差與被測頻率 fx和閘門時(shí)間 Ts的關(guān)系 。 fx愈大則誤差愈小，閘門時(shí)間愈大誤差也愈小，且測頻誤差以標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為極限。 2）量化誤差的影響 ◆從頻率測量的誤差表達(dá)式： 可知，量化誤差為 它是頻率測量的主要誤差。 為減小量化誤差，需增大計(jì)數(shù)值 N： ◆但增大閘門時(shí)間將降低 測量速度 ，并且計(jì)數(shù)值的增加不應(yīng)超過計(jì)數(shù)器的 計(jì)數(shù)容量 。 例如： 一個(gè) 6位的計(jì)數(shù)器，最大顯示為 999999，當(dāng)用 Ts=10s的閘門測量 fx=1MHz時(shí) ,顯然溢出 。 1xcx s x cfff T f f????? ? ?????xs fTNNN 11 ?????3） 實(shí)例分析 [例 ] 被測頻率 fx＝ 1MHz， 選擇閘門時(shí)間 Ts＝ 1s， 則由177。 1誤差產(chǎn)生的測頻誤差 (不考慮標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 )為： Ts增加為 10s， 則計(jì)數(shù)值增加 10倍 ， 相應(yīng)的測頻誤差也降低 10倍 ， 為 177。 1 10－ 7， 但測量時(shí)間將延長 10倍 。 注意： 該例中 ， 當(dāng)選擇閘門時(shí)間 Ts＝ 1s時(shí) ， 要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差優(yōu)于 177。 1 10－ 7 （ 即比量化誤差高一個(gè)數(shù)量級 ） ， 否則 ， 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差在總測量誤差中不能忽略 。 66 10110111 ?????????xxff 周期測量的誤差分析 1）誤差表達(dá)式 ◆由基本表達(dá)式： 根據(jù)誤差合成公式，可得： 式中， 和 分別為量化誤差和時(shí)標(biāo)周期誤差。 由 (Tc為晶振周期， k為倍頻或分頻比 )， 有： 而計(jì)數(shù)值 N為： 所以， 00TTNNTTxx ?????0xT N T??ccx x c c x c cTfT k kT T f T T f f????? ? ? ? ? ? ?????1NNN???00TT?0 cT kT?00ccT T fT T f? ? ?? ? ?0x x x ccT T T fNT k T k? ? ?2）量化誤差的影響 ◆由測周的誤差表達(dá)式： 第一項(xiàng)即為 量化誤差 。它表示 Tx愈大，量化誤差愈小。晶振的分頻系數(shù) k愈小，則時(shí)標(biāo)周期愈小，在相同的Tx內(nèi)計(jì)數(shù)值愈大。第二項(xiàng)為 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 ，小于測量誤差的一個(gè)數(shù)量級，可作為微小誤差不予考慮。 ◆為減小量化誤差，應(yīng)增加計(jì)數(shù)值 N，但也需注意不可使其 溢出 。 例如： 一個(gè) 6位的計(jì)數(shù)器，最大顯示為 999999,當(dāng)用 T0=1us的時(shí)標(biāo)測量 Tx=10s(fx=)時(shí) ,應(yīng)顯示 “ 10000000”us或“ ”s,顯然溢出 。 ccx x c c x c cTfT k kT T f T T f f????? ? ? ? ? ? ?????3）中界頻率 ◆測頻時(shí)，被測頻率 fx低，量化誤差愈大； 測周時(shí)，被測頻率 fx高，量化誤差愈大。 在測頻與測周之間，存在一個(gè)中界頻率 fm， 當(dāng) fxfm時(shí)，應(yīng)用測頻；當(dāng) fxfm時(shí)，應(yīng)用測周方案。 ◆中界頻率 fm的確定 :量化誤差取決于計(jì)數(shù)值 N，測頻時(shí) 。 測周時(shí) 。 令兩式相等，并用 Tm表示 Tx： 有： 例： 若 Ts=1s,T0=1us，則 fm=1kHz,在該頻率上 ,測頻與測周的量化誤差相等。 sxTNT? 0xTN T?0msT T T? 01msf TT?4）觸發(fā)誤差 ◆頻率測量時(shí)觸發(fā)誤差的影響 ●尖峰脈沖的干擾 如圖，尖峰脈沖只 引起觸發(fā)點(diǎn)的改變， 對測頻影響不大。 ●高頻疊加干擾 如圖，產(chǎn)生錯誤計(jì)數(shù)。 ●措施 增大觸發(fā)窗或減小信號幅度； 輸入濾波。 1T? ◆ 周期測量時(shí)觸發(fā)誤差的影響 ●尖峰脈沖 ： 周期測量時(shí)，尖峰脈沖的干擾對測量結(jié)果的影響非常嚴(yán)重。如圖，測量誤差為： ●分析： 設(shè)輸入為正弦波： ,干擾幅度為 Vn。 對觸發(fā)點(diǎn) A1作切線 ab，其斜率為 則 可見， 愈小，即： 觸發(fā)點(diǎn)愈陡峭，誤差愈小 。 39。xxT T T? ? ?s inx m xv V t??ta n xBx vVdvdt? ?? ta nnVT ???tan?進(jìn)一步推導(dǎo)觸發(fā)點(diǎn)的斜率，如下： 對正弦輸入信號，常選擇過零點(diǎn)為觸發(fā)點(diǎn)（具有最陡峭的斜率），則觸發(fā)點(diǎn)電壓 VB滿足： 于是，有： 若考慮在一個(gè)周期開始和結(jié)束時(shí)可能都存在觸發(fā)誤差，分別用 表示，并按隨機(jī)誤差的均方根合成，得到： ●結(jié)論： 測周時(shí)為減小觸發(fā)誤差，應(yīng)提高信噪比 。 22 )(12s i n12c o smBxmBxmxBxmxvvxVVTVtVTtVdtdvtgBx??????????????t a n 2n x nmV T VTV??? ? ? ?BmVV12TT??、2212 2xnnmTVT T TV?? ? ? ? ? ? 多周期同步測量技術(shù) 1）倒數(shù)計(jì)數(shù)器 ◆低頻信號為減小量化誤差，宜采用測周方案。但測周不能直接顯示頻率值，因此，為得到頻率值顯示，采用 倒數(shù)計(jì)數(shù)器 。 ◆原理：按 測周模式 ，設(shè)計(jì)數(shù)值 N，再將 1/N顯示。 10 1 10n nscfxcTTNT NT N? ? ?NTxTs= 1 0nTcTc Nffxfc/Nfc 高分辨時(shí)間和頻率測量技術(shù) ◆ 原理圖 圖中計(jì)數(shù)器 1和計(jì)數(shù)器 2分別工作在測周和測頻模式。預(yù)定標(biāo)器起著分頻器作用。 主門 2的閘門和輸入計(jì)數(shù)脈沖同步 。 觸發(fā)器主門I時(shí)鐘fc計(jì)數(shù)器 I定標(biāo)器計(jì)數(shù)器I I主門II門I I I時(shí)基分頻器CTxTxc