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频率的测量

发布日期:2017-12-14 11:00:04 【关闭】
摘要:目前,利用标准频率和被测频率进行比较来测频是广泛采用的方法,计数法测频是这种方法的代表,数字频率计不但可以完成频率的测量,还可以测量周期、时间间隔等。随着微型计算机应用技术的发展,测频技术和方法将更加灵活多样。

   现代电子技术的发展和标准频率源的建立,使得频率的测量方法、测量范围和测量准确度获得了迅速的发展。

   目前,利用标准频率和被测频率进行比较来测频是广泛采用的方法,计数法测频是这种方法的代表,数字频率计不但可以完成频率的测量,还可以测量周期、时间间隔等。随着微型计算机应用技术的发展,测频技术和方法将更加灵活多样。

  一、计数法测频原理

  频率是单位时间内被测信号重复出现的次数。

   f = N/t   (6.7)

   计数法测频就是按此定义设计的测量方案,原理框图如图6.8所示。被测信号fx接输入端A,经过放大整形,变成脉冲信号送往闸门,而控制闸门开与关的标准时间间隔(时基)由振荡器整形放大再分频后产生,分频的宽度是可调的。这样,在闸门开启时间内通过A端输入的脉冲数与开启时间之比即为频率。使开启时间t均为10 s(n为任意整数),即可从显示器上直读被测频率。

  根据式(6.7)由计数法测频时,频率测量的误差为

  

gooxian-频率误差

   (1)计数法测频的量化误差。根据数字技术原理,计数电路可能存在±1个脉冲误差,这是量化误差,也是理论误差,即 ΔN ±1是不可避免的。延长计数时间(控制闸门的时基增大),或者将fx 倍频,使 N 大,可使相对误差减小。但由于受计数器位数的限制,N 不可能太大。

   (2)闸门开启时间误差。式(6.8)中 Δt为闸门开启时间误差,即时基误差,主要决定于晶体振荡器频率fc 的稳定度和准确度。此外也会受分频电路等开关速度及其稳定性的影响。所以

  

gooxian-砸门开启时间误差

   一般情况下,由于晶体振荡器的频率稳定度很高,可使 Δfc/fc 远小于1/N。所以,频率测量误差主要是量化误差,频率越低,相对误差就越明显。

  二、计数法测周期

  同一个频率计通过转换开关稍作变动也可以用来测信号周期,图6.9为测周期原理框图。被测信号Tx 由B 端输入,经由整形放大电路分频(m 倍)后控制闸的开与关,而计数脉冲由石英晶体振荡器经放大整形分频后(时标T0)提供。

 

gooxian-计数法测周期原理图

   这时被测信号周期

   Tx = NT0                          (6.10)

 

    由式(6.10)可得,测周期误差

   ΔTx = ΔNT0 +ΔT0N      (6.11)

   总相对误差取分项绝对值合成,得

  

gooxian-总相对误差

   1)量化误差。与测量频率法一样,计数法测周期同样存在 ±1 个脉冲的原理误差,即 ΔN = ±1。为了减小相对误差。可以采用周期倍乘的方法,即将被测信号fx 分频m 倍,计量m个周期内的脉冲数,然后取 m 个周期内的平均值Tx = NT0/m。通常取m 为10的n次幂(n为正整数)。

 (2)触发误差。测量周期一般是将B端输入被测信号fx进行过零触发控制闸门的,而被测信号均不同程度存在有干扰噪声叠加在其上面,使触发提前或推迟,如图6.10所示。

 

  

gooxian-触发误差

   为了减小触发误差,要注意适当提高信号电平,增大信噪比。

  另外,如果晶体振荡器的稳定度不好,也会使标准频率脉冲产生计数误差,不过,一般这种情况很少会发生。

  三、中界频率

  由以上所述可知,周期与频率的测量均存在 N =±1的量化误差。为了保证测量准确度,当频率比较高时,直接测量信号频率,这时示值大,相对误差可小些;而当频率比较低时,测量信号的周期,使相对误差小些。因频率与周期互为倒数关系,即

 

gooxian-中界频率

  对某一个被测频率信号,究竟是应该测频率还是应该测周期?存在一个分界点,即中界频率问题。

  在中界频率,二者的相对误差应该是相等的。如果只考虑量化误差,Δfx =1,ΔTx =1。在中界频率,两者计数值 N 应该是相等的。

 

gooxian-中界频率1

   式(6.13)说明,中界频率与所使用的周期倍乘 m、时基t、时标T0 有关。一般电气测试,多数是低频信号,所以相对来说,测周期的情况较多。

 

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