第4章数字测量方法概要课件.ppt

第四章第四章 数字测量方法数字测量方法 本章要点：本章要点：电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法 直流数字电压表直流数字电压表 多用型数字电压表多用型数字电压表 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量4.1 电压测量的数字化方法电压测量的数字化方法 数字电压表组成原理数字电压表组成原理 数字电压表数字电压表(DVMDigital Voltmeter)直流数字电压表的基本方框图直流数字电压表的基本方框图输入输入模拟部分模拟部分数字部分数字部分电源电源输入输入电路电路转换器转换器A-DA-D计数器计数器显示器显示器辑电路辑电路控制逻控制逻4.1.1 数字电压表（数字电压表（DVM）的主要工作特性）的主要工作特性1.测量范围测量范围 1）量程）量程-借助于分压器和输入放大器来实现借助于分压器和输入放大器来实现 量程分量程分基本量程基本量程-不经衰减和放大的量程，误差最小不经衰减和放大的量程，误差最小 手动量程手动量程-手控换的量程手控换的量程,例例:200mV,2V,20V,200V 自动量程自动量程-程序控制的量程程序控制的量程2)位数位数 显示位数显示位数：通常为：通常为3位位8位。位。判定数字仪表的位数有两条原则：判定数字仪表的位数有两条原则：能显示从能显示从09所有数字的位是所有数字的位是整数整数值；值；分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满量程时最高位数字做分母。量程时最高位数字做分母。例如，例如，19992000，3 1/2 三位半三位半 39999 40000，4 3/4 四又四分之三位四又四分之三位 499999 500000，5 4/5 五又五分之四位五又五分之四位 3)超量程能力超量程能力 在临界量程处，不会降低精度和分辨力。在临界量程处，不会降低精度和分辨力。1010V V档：档：9.9999.999V V（只能显示（只能显示0.0060.006）100100V V档：档：99.9999.99V V（只能显示（只能显示10.0010.00）测量测量 ：10.006V10.006V溢出溢出1 1丢失丢失6 6199999910002000 超量程超量程100%（优秀设计优秀设计只要加个数码管只要加个数码管）2.分辨率（分辨力）分辨率（分辨力）数字电压表在最低电压量程上末位数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称个字所代表的电压值，称做仪表的分辨力做仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。分辨力随显示，它反映仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。位数的增加而提高。例如，例如，3、6位、位、8位位DVM的最高分辨力分别为的最高分辨力分别为1mV、1V、10nV。1.1.999999V 999999V：量程量程/最大显示值最大显示值=2/1999999=2/1999999 =2/2000000V=10 =2/2000000V=10-6-6V=1VV=1VV mV V mV VV分辨率：数字电压表的分辨力指标亦可用分辨率来表示。分分辨率：数字电压表的分辨力指标亦可用分辨率来表示。分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比。例如，比。例如，3位位DVM的分辨率为的分辨率为1/19990.05。由于分辨力与数字电压表中由于分辨力与数字电压表中A/D的位数有关，位数越多，分辨的位数有关，位数越多，分辨力愈高，故有时称具有多少位的分辨力。例如，称力愈高，故有时称具有多少位的分辨力。例如，称12位位A/D具具有有12位分辨力，有时也用最低有效位位分辨力，有时也用最低有效位LSB的步长表示，把分辨的步长表示，把分辨力说成分辨率力说成分辨率1/212或或1/4096或。同时，分辨力越高，被测电或。同时，分辨力越高，被测电压愈小，电压表愈灵敏，故有时把分辨力称作灵敏度。压愈小，电压表愈灵敏，故有时把分辨力称作灵敏度。3.最大允许误差与不确定度（准确度）最大允许误差与不确定度（准确度）数字电压表的说明书上用数字电压表的说明书上用绝对误差绝对误差表示，其表示方式有多种：表示，其表示方式有多种：U=U=(a(aU Ux x十十b bU Umm)=(a(aU Ux x十十n n个个字字)=(appmappmU Ux x十十bppmbppmU Umm)例：例：DS-14DS-14基本量程基本量程5V5V，4 4/54 4/5位位U=U=(0.006(0.006U Ux x十十0.0020.002U Umm)=(0.00006(0.00006U Ux x十十0.00002*5)0.00002*5)=(60*10(60*10-6-6U Ux x+0.00010.0001V)V)=(60ppm(60ppmU Ux x十十1 1个字个字)4.9999V4.9999V 末位跳末位跳1 1个字个字 100V100V满度误差满度误差决决定定量量化化误误差差、内部噪声内部噪声读数误差读数误差决决定定转转换换系系数、非线性数、非线性 DVM厂家给出的绝对误差厂家给出的绝对误差 实际上也就是该实际上也就是该DVM的最大允的最大允许误差，即该仪器的置信区间。这是由厂家产品质量决定的，许误差，即该仪器的置信区间。这是由厂家产品质量决定的，不是通过多次测量由标准差求得的，故属不是通过多次测量由标准差求得的，故属B类标准不确定度。类标准不确定度。由于最大允许误差由于最大允许误差 在在5V量程内对测量值都有影响，即其在量程内对测量值都有影响，即其在5V范围内出现的概率相同，故应属于均匀分布。因此，这里范围内出现的概率相同，故应属于均匀分布。因此，这里a即为均匀分布的半宽，按表即为均匀分布的半宽，按表2.10查得查得 。故该数字电压表示值的故该数字电压表示值的B类标准不确定度为：类标准不确定度为：第二章已经指出最大允许误差的第二章已经指出最大允许误差的“模模”即绝对值即绝对值 ，就是置，就是置信区间的半宽信区间的半宽a，由它可以求得，由它可以求得B类标准不确定度。类标准不确定度。现仍用上例中现仍用上例中DS-14 DVM来求其在来求其在5V量程上测量量程上测量3V电压时的电压时的不确定度不确定度 分辨力分辨力 准确度（误差）准确度（误差）需要指出，分辨力与准确度属于两个不同的概念。前者表征需要指出，分辨力与准确度属于两个不同的概念。前者表征仪表的仪表的“灵敏性灵敏性”，即对微小电压的，即对微小电压的“识别识别”能力；后者反映测能力；后者反映测量的量的“准确性准确性”，即测量结果与真值的一致程度。二者无必然，即测量结果与真值的一致程度。二者无必然的联系，因此不能混为一谈，更不得将分辨力（或分辨率）的联系，因此不能混为一谈，更不得将分辨力（或分辨率）误以为是类似于准确度的一项指标。实际上分辨力仅与仪表误以为是类似于准确度的一项指标。实际上分辨力仅与仪表显示位数有关，而准确度则取决于显示位数有关，而准确度则取决于A/D 转换器等的总误差。转换器等的总误差。从测量角度看，分辨力是从测量角度看，分辨力是“虚虚”指标（与测量误差无关），准指标（与测量误差无关），准确度才是确度才是“实实”指标（代表测量误差的大小）。指标（代表测量误差的大小）。因此，任意增加显示位数来提高仪表分辨力的方案是不可取的。因此，任意增加显示位数来提高仪表分辨力的方案是不可取的。例选用分辨率为例选用分辨率为24位的位的A/D，并不能保证实现，并不能保证实现24位的准确度。位的准确度。在设计上通常，在设计上通常，分辨力应高于准确度，保证分辨力不会制约分辨力应高于准确度，保证分辨力不会制约可获得的准确度，以保证从读数中检测出小的变化量。可获得的准确度，以保证从读数中检测出小的变化量。例：见下页。例：见下页。例：例：用用4 位位sx1842DVM测测1.5V电压，分别用电压，分别用2V档和档和200档测量，已知：档测量，已知：2V档固有误差：档固有误差：0.025%Ux 1个字，个字，200V档固有误差：档固有误差：0.03%Ux 1个字个字问：两种情况下由固有误差引起的测量误差各为多少？问：两种情况下由固有误差引起的测量误差各为多少？解：解：因因4 位位DVM最大显示为最大显示为19999，所以，所以2v和和200v档的档的1个字分别代表：个字分别代表：结论结论：1.不同量程不同量程“1个字个字”误差对测结果不一样，测量误差对测结果不一样，测量时应尽量选择合适的量程。同模拟电压表结论一致。时应尽量选择合适的量程。同模拟电压表结论一致。2.虽然虽然DVM有有4 位分辨力，但不正确使用，则达不到应位分辨力，但不正确使用，则达不到应有的准确度。故分辨力高不等于准确度高。有的准确度。故分辨力高不等于准确度高。4.测量速率（测量速度）测量速率（测量速度）测量速率是每秒钟对被测电压的测量速率是每秒钟对被测电压的测量次数或测量一次所需的测量次数或测量一次所需的时间时间，它主要取决于，它主要取决于DVM中所采用的中所采用的A/D转换器的转换速率。转换器的转换速率。5.输入阻抗与输入电流输入阻抗与输入电流目前，多数数字电压表的输入级用场效应管组成，在小量程上，目前，多数数字电压表的输入级用场效应管组成，在小量程上，其输入阻抗可高达其输入阻抗可高达104M以上，在大量程时以上，在大量程时(如如100V、1000 V等等)，由于使用了分压器，输入阻抗一般为，由于使用了分压器，输入阻抗一般为10M。6.响应时间响应时间 响应时间是响应时间是DVM跟踪输入电压突变所需的时间。响应时间与跟踪输入电压突变所需的时间。响应时间与量程有关，故可按量程分别规定或规定最长响应时间。响应量程有关，故可按量程分别规定或规定最长响应时间。响应时间分为三种。时间分为三种。7.抗干扰能力抗干扰能力串模抑制比和共模抑制比串模抑制比和共模抑制比 数字电压表的内部干扰有漂移及噪声，外部干扰有串模干扰数字电压表的内部干扰有漂移及噪声，外部干扰有串模干扰及共模干扰。及共模干扰。1.逐次逼近比较式逐次逼近比较式A/D转换器转换器物理思想：物理思想：对分搜索对分搜索 天平示意图天平示意图8 8盘盘1 1未知重量未知重量WWx x盘盘2 2指示标尺指示标尺2 2 1 14 4砝码砝码 对分搜索过程示意图对分搜索过程示意图0 0弃弃弃弃留留留留1 11 10 08 84 46 6WW4.1.2 DVM的主要类型的主要类型电路实现：（与天平秤对应）电路实现：（与天平秤对应）0110弃弃留留846U UQ2Q0Q1Q3UoUx+Go启动复位复位置位置位D/ASAR1 1闭闭0 0开开Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0U UR RCPU=UXU01 10 0置位置位复位复位1 0 0 01 0 0 00 1 0 00 1 0 00 1 1 10 1 1 10 1 1 00 1 1 00 1 1 00 1 1 0D/A转换器转换器 图图5.48 D/A5.48 D/A转换原理图转换原理图R R1 0 0 0 8V1 0 0 0 8V10K10Kd d1 1_ _R R2R2R 4R4R 8R8RU Uo o+U Ur rd d2 2d d3 3d d4 40 1 0 0 4V0 1 0 0 4VK K4 4K K1 1K K2 2K K3 3D D输输 入入数数 字字寄寄 存存器器.数字数字位模位模拟开拟开关关基准基准电压电压源源权权 电电阻阻 网网络络放放大大器器运运算算图图4.49 D/A4.49 D/A转换原理框图转换原理框图U U0 0与原理电路对应得一般性原理框图与原理电路对应得一般性原理框图 （4.58）例如，设例如，设UFS=16v，当输入数码为，当输入数码为“0110”时，输出电压为时，输出电压为 （4.59）型号型号位数位数建立时间建立时间线性度线性度功耗功耗DAC0832DAC08328 81S1S0.20.2200mW200mW5G75205G75201010500S500S0.050.0550mW50mWMX7541MX754112120.6S0.6S450 450 mWmWDAC7644EBDAC7644EB161610S10S15mW15mW表表4.9 常用的逐次逼近比较式常用的逐次逼近比较式AD变换器变换器 型号型号位数位数通道数通道数输入电压范围输入电压范围转换时间转换时间功耗功耗ADC0809ADC08098 88 805V05V100S100S15mW15mWADC0816ADC08168 8161605V05V100S100SAD574AD57412121 105V05V15S15SADS7805ADS780516161 105V05V100S100S100 100 mWmW逐次逼近，只能逼近，不能完全与被测电压相等。若要减小逐次逼近，只能逼近，不能完全与被测电压相等。若要减小误差，只有增加位数误差，只有增加位数。但位数增加，电路复杂，成本提高，关键是末位比较电压太但位数增加，电路复杂，成本提高，关键是末位比较电压太小易受干扰噪声影响以至无法工作。小易受干扰噪声影响以至无法工作。1.1.工作原理工作原理 U Ui i-U Ur r+U Ur rK K1 1K K1 1K K2 2K K2 2K K3 3K K3 3K K4 4K K4 4A AR RC C+-+比较器比较器积分器积分器C CD D发生器发生器时钟时钟显示器显示器数字数字辑电路辑电路控制逻控制逻计数器计数器过程：三阶段过程：三阶段准备期准备期-复零，复零，K K4 4接通接通取样期取样期-第一次积分，第一次积分，K K1 1接通接通 特点：特点：定时积分定时积分T T1 1固定，固定，U UO1O1(正比正比)于于U Ui i比较期比较期-第二次积分，第二次积分，K K3 3/K/K4 4接通接通 特点：特点：定值积分（反向）定值积分（反向）N N2 2UUO1O1UUI I2.双斜积分式双斜积分式A/D转换器转换器 K K1 1K K2 2K K3 3断断断断断断断断断断断断通通通通通通通通积分器积分器输入输入A A0 00 0U Ui iU Ur r(定定值值)t t1 1t t2 2t t1 1t t2 2t t3 3积分器积分器输输 出出B B计数器计数器比较器比较器输出输出C C输输 入入DDT T1 1T T2 2(定时定时)U Uo1o1N N2 2T T0 0N N1 1T T0 0N N2 2T T0 0T T0 0(b)(b)N N2 2U U0202B B2.关系式关系式 1)数学推导数学推导 （4.45）T1=N1ToT2=N2To（4.46）（4.47）t1t2t3U01令令 e刻度系数（伏刻度系数（伏/字）。例如，字）。例如，Ur=10V，N1=10000，则则e=Ur/N1=1mV/字。字。2)面积相等面积相等S1=T1Ui，S2=T2Ur相等，则相等，则S1=S2，故故 3)电荷相等电荷相等 T1期间充电电荷期间充电电荷Q1=(Ui/R1)T1与与T2期间放电电荷期间放电电荷Q2=(Ur/R2)T2相等。则相等。则Q1=Q2，故，故（4.48）式（式（4.48）当充放电电路中限流电阻不等时，应用很方便。）当充放电电路中限流电阻不等时，应用很方便。当当R1=R2时，则与（时，则与（4.45）的结果相同。）的结果相同。与（与（4.45）结果一样。）结果一样。S1 S23.双斜积分式双斜积分式A/D转换器的特点转换器的特点 1)抗串模干扰能力强抗串模干扰能力强输输入入电电压压积积分分器器输输出出输输入入电电压压积积分分器器输输出出工频干扰工频干扰U Ui i0 0T T1 1T T2 2T T1 1T T2 20 00 00 0t tt tt tt t尖峰干扰尖峰干扰U Ui i有干扰有干扰无干扰无干扰DVDVMMU Ui iU Un n(a)(a)(b)(b)(c)(c)图图4.28 4.28 双斜式电压数字转换器双斜式电压数字转换器所谓串模干扰是指与被测信号相串联地加到所谓串模干扰是指与被测信号相串联地加到DVM输入端的输入端的干扰信号，如果取干扰信号，如果取 T1=nT=n20mS n=1,2,3,。对脉冲性质的干扰信号，双斜积分式对脉冲性质的干扰信号，双斜积分式A/D也有一定的平均作用。也有一定的平均作用。2)对积分元件及时钟信号的稳定性和准确度要求大为降低对积分元件及时钟信号的稳定性和准确度要求大为降低 因为，在采样和比较测量两个阶段内使用的是同一积分器和时因为，在采样和比较测量两个阶段内使用的是同一积分器和时钟信号，其影响可以相互抵消。对它们只要求有足够的短期稳钟信号，其影响可以相互抵消。对它们只要求有足够的短期稳定性即可。定性即可。3)测量灵敏度较高测量灵敏度较高 双积分式双积分式DVM有效地解决干扰问题，只要适当选择有效地解决干扰问题，只要适当选择R、C、T1，积分放大器可以得到很高的增益积分放大器可以得到很高的增益(AT1RC)，可测，可测mV级电压。级电压。4)测量速度慢是其主要缺点测量速度慢是其主要缺点为了抑制电源为了抑制电源50Hz工频干扰，一般工频干扰，一般T1取取20l00 ms，再加上，再加上T2等时间，故测量速率一般只有等时间，故测量速率一般只有5 30次次s左右。左右。5)积分器、比较器中运放的零点漂移会带来转换误差积分器、比较器中运放的零点漂移会带来转换误差 4.1.3 数字电压表的误差与干扰数字电压表的误差与干扰 当制作为一台实际的数字电压表，从设计开始就得研究如何当制作为一台实际的数字电压表，从设计开始就得研究如何减小误差和防止干扰。本节对这两个问题分别进行讨论，以减小误差和防止干扰。本节对这两个问题分别进行讨论，以加深对数字电压表性能的理解。加深对数字电压表性能的理解。0 a%a%b%UxUXL b%UmUXL(b)V Vx xU UXLXL a a%U UXLXL b b%U Umm(a)(a)0 0数字电压测量误差公式数字电压测量误差公式 形式形式1 形式形式2 例：例：用一只四位用一只四位DVM的的5V量程分别测量量程分别测量5V和和0.1V电压，电压，已知该仪表的准确已知该仪表的准确 度为度为0.01UX1个字，求由仪表的个字，求由仪表的固有误差引起的测量误差的大小。固有误差引起的测量误差的大小。4.2 直流数字电压表直流数字电压表1.单片CMOS双积分式A/D转换器 7106,7107,7116,MC14433,71352.由A/D转换器为主体构成的数字电压表4.3 数字多用表数字多用表DMM 数字多用表数字多用表DMM(Digital MultiMeter)是具有测量直流电压、是具有测量直流电压、直流电流、交流电压、交流电流及电阻等多种功能的数字测直流电流、交流电压、交流电流及电阻等多种功能的数字测量仪器。量仪器。直流数字直流数字电压表电压表ACACDCDCI IV VDCDC V VDCDCU UmmI Ix xR Rx xU U图图4.55 4.55 数字多用表方框图数字多用表方框图两种两种 DMMDMM 台式台式手持式手持式更多功能更多功能交流供电交流供电可以和其他电子仪可以和其他电子仪器联合工作器联合工作适用于高测量精度适用于高测量精度非常便携非常便携电池供电电池供电价格低价格低适用于移动测量应适用于移动测量应用（如：现场故障检用（如：现场故障检测）测）1.交流电压交流电压-直流电压（直流电压（AC-DC）转换器）转换器检波特性检波特性运放式半波检波原理框图运放式半波检波原理框图AC-DC变换器电路原理图变换器电路原理图数字万用表的数字万用表的AC-DCAC-DC转换器转换器被测信号被测信号ui送入到送入到X、Y输入端，从输入端，从XYZ端输出的电压经平均端输出的电压经平均值电路值电路(有源低通滤波器有源低通滤波器)再送回再送回Z输入端，故直流输出电压为输入端，故直流输出电压为+X XY YXY/ZXY/ZZ ZR RC CU Uo ou ui i2 2u ui iU Uo o 均方根法的均方根法的AC-DCAC-DC转换器转换器（4.63）真有效值真有效值2.电阻电阻电压电压(V)转换器转换器当在被测的未知电阻当在被测的未知电阻Rx中流过已知的恒定电流中流过已知的恒定电流IS时，在时，在RX上上产生的电压降为产生的电压降为URxIs，故通过恒定电流可实现，故通过恒定电流可实现V转换。转换。ErRsRxuo+AIsR-U转换器改进电路原理图转换器改进电路原理图3.电流电流-电压（电压（I-U）转换器）转换器 Ix=Uo/RS R R1 1R R2 2R R3 3R Rs su uo o+i ix xR Rf f+i ix xu uo o 大信号电流电压转换电路大信号电流电压转换电路 基本电流电压转换电路基本电流电压转换电路（4.64）4.4 电子计数法测量频率电子计数法测量频率(频率的测量频率的测量)4.4.2电子计数法测频的原理电子计数法测频的原理1.基本原理基本原理根据频率的定义，若某一信号在根据频率的定义，若某一信号在T秒时间内重复变化了秒时间内重复变化了N次，则次，则该信号的频率为：该信号的频率为：（4.2）门电路复习：门电路复习：与门与门A A1/01/0B B1 1/0 0c c1/01/0同理同理“或或”门、与非、或非门等也有类似功能。门、与非、或非门等也有类似功能。A A0 00 01 11 1B B0 01 10 01 1C C0 00 00 01 14.4.1标准频率源标准频率源由图可见：由图可见：因此因此实现了测频实现了测频原理原理：“定时计数定时计数”实质实质：比较法比较法 图图4.3 4.3 测频的原理测频的原理与与门门A AB BT T1s1sT TN NT Tx xC C1s1s重点掌握2组成框图组成框图 图图4.4是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。t t0 0B BC C0 00 0t tt tT TT Tx xDDE E0 0t tT Tx xN N0 0A At tT Tx x 时基电路时基电路计计 数数一一 输入电路输入电路 分分 频频 显示显示 晶晶 振振 门门 控控 主主门门控制电路控制电路 A AB BC CD DE E计数式频率计的测频原理计数式频率计的测频原理频率计数器组成原理框图频率计数器组成原理框图1)时基（时基（T）电路）电路两个两个特点特点：(1)标准性标准性 闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故通常通常晶振晶振频率稳定度要求达频率稳定度要求达10-610-10。（。（恒温糟恒温糟）(2)多值性多值性 闸门时间闸门时间T不一定为不一定为1秒，应让用户根据测频精度和秒，应让用户根据测频精度和速度的不同要求自由选择。例如：速度的不同要求自由选择。例如：1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10 ms 0.1s、1s、10s 等。等。门控（双稳）电路：门控（双稳）电路：TT2)输入电路输入电路 由放大整形电路和主门电路组成。由放大整形电路和主门电路组成。被测输入周期信号（频率为被测输入周期信号（频率为fx，周期为周期为Tx）经放大、整形、微分）经放大、整形、微分得周期得周期Tx的窄脉冲，送主门的一的窄脉冲，送主门的一个输入端。个输入端。图图4.5 4.5 输入电路工作波形图输入电路工作波形图u us st tt tt tt t0 00 00 00 0A A输入输入(T T0 0或或F Fx x )放大放大整形整形微分微分3)计数显示电路计数显示电路 这部分电路的作用，简单地说，就是这部分电路的作用，简单地说，就是计数被测周期信号重复的次数，显示计数被测周期信号重复的次数，显示被测信号的频率。它一般由计数电路、被测信号的频率。它一般由计数电路、逻辑控制电路、译码器和显示器组成。逻辑控制电路、译码器和显示器组成。4)控制电路控制电路 控制电路的作用是产生各种控制信号，控制电路的作用是产生各种控制信号，去控制各电路单元的工作，使整机按去控制各电路单元的工作，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。一定的工作程序完成自动测量的任务。在控制电路的统一指挥下，电子计数在控制电路的统一指挥下，电子计数器的工作按照器的工作按照“复零一测量复零一测量显示显示”的的程序自动地进行，其工作流程如图程序自动地进行，其工作流程如图4.6所示。所示。准备准备期期（复零，等待）（复零，等待）显示显示期期（关门，停止计数）（关门，停止计数）测量测量期期（开门，计数）（开门，计数）图图4.6 4.6 电子计数器的工作流程图电子计数器的工作流程图4.4.2 误差分析计算误差分析计算由第二章误差传递公式（由第二章误差传递公式（2.43）可对式（可对式（4.2）求得求得（4.3）计数误差计数误差时基误差时基误差1.量化误差量化误差计数误差、计数误差、1误差误差在测频时，在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不不相相关的关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的随机的。这样，既这样，既便在相同的主门开启时间便在相同的主门开启时间T，计数器所计得的数却不一定相同。，计数器所计得的数却不一定相同。可能多可能多1个或少个或少1个的个的1误差，这是频率量化时带来的误差故误差，这是频率量化时带来的误差故称量化误差，又称脉冲称量化误差，又称脉冲计数误差或计数误差或1误差误差。N N=1 1 N=N=f fx xT T图图4.7 4.7 量化误差量化误差3 3 4 46 6 7 75 52 21 18 83 3 4 46 6 7 75 52 21 18 8 T T(a a)(1)(1)(2)(2)黑门进黑门进8 8个脉个脉冲冲红门进红门进7 7个脉个脉冲冲误差合成定理误差合成定理2.闸门时间误差（时基误差、标准时间误差）闸门时间误差（时基误差、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。闸门信号频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc（周期为（周期为Tc），则有），则有=110-7110-10 石英晶体性能和切割方式石英晶体性能和切割方式-生产厂生产厂 石英振荡器的输出石英振荡器的输出频率准确度决定频率准确度决定 温度的影响温度的影响-单、双层恒温糟单、双层恒温糟 振荡电路的质量振荡电路的质量-电路优化设计电路优化设计 4.4.3.结论结论1.计数器直接测频的误差计数器直接测频的误差主要有两项主要有两项 即即1误差和标准频率误误差和标准频率误差一般总误差可采用分项差一般总误差可采用分项误差绝对值合成，即误差绝对值合成，即（4.9）2.测量低频时，由于测量低频时，由于1误误差产生的测频误差大得惊人差产生的测频误差大得惊人例如，例如，fx=10Hz，T=1s，则由，则由1误差引起的测频误差可达误差引起的测频误差可达10，所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。4.5 电子计数法测量时间（时间的测量）电子计数法测量时间（时间的测量）本节介绍时间量的测量主要是指与频率对应的周期、相位及时本节介绍时间量的测量主要是指与频率对应的周期、相位及时间间隔等时间参数，重点讨论周期的测量。间间隔等时间参数，重点讨论周期的测量。4.5.1.电子计数法测量周期的原理电子计数法测量周期的原理 t t0 0B BC C0 00 0t tt tT Tx xT Tx xDDE E0 0t tT Tc cT Tc cN NT Tx xT Tx x由右图可得由右图可得输入电路输入电路A A 分分 频频 门门 控控 主主门门倍倍 频频 晶晶 振振 输入电路输入电路B B T Tx xu ux xB BC CDDE E4.5.2 电子计数器测量周期的误差分析电子计数器测量周期的误差分析1.量化误差和基准频率误差量化误差和基准频率误差与分析电子计数器测频时的误差类似，这里与分析电子计数器测频时的误差类似，这里，根据，根据误差传递公式可得误差传递公式可得（4.11）根据图根据图4.10所示的测周原理，由式（所示的测周原理，由式（4.10）可得）可得 而而N=1（4.12）2.触发转换误差触发转换误差测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。图测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。图4.12(a)给出了一给出了一个简单的情况，即干扰为一尖峰脉冲个简单的情况，即干扰为一尖峰脉冲Un，UB为施密特电路触为施密特电路触发电平。可见，施密特电路将提前在发电平。可见，施密特电路将提前在 触发，于是形成的方触发，于是形成的方波周期为波周期为，即产生，即产生 的误差，称的误差，称“转换误差转换误差”(或触发误差或触发误差)。u ux x=U UmmSinSinx xt t U UB BA A 1 1A A1 1A A 2 2T Tx xT Tx xT T x x T T1 1U Un n图图4.12 4.12 转换误差的产生与计算转换误差的产生与计算a aU Un n T T1 1A A1 1A A 1 1 b b(b b)(a a)3.多周期测量多周期测量进一步分析可知，多周期测量可以减小转换误差和进一步分析可知，多周期测量可以减小转换误差和 1 1误差。误差。我们可以利用图我们可以利用图4.13 4.13 图图4.13 4.13 多周期测量可减小转换误差多周期测量可减小转换误差 V VB BA A 2 2V V B B V VB BA A 9 9A A9 9A A 1010V V B BT Tx x1010T T x x T T1 1T T1 1x x无干扰无干扰A A 2 2T T2 2x x T T2 2T T1010 x x1010T Tx x T T2 2A A 1010T Tx x有干扰有干扰来说明，图中取周期倍增系数来说明，图中取周期倍增系数10为例，即测为例，即测10个周期。从图个周期。从图可见，两相邻周期由于转换误差所产生的可见，两相邻周期由于转换误差所产生的 比如，第一个周期比如，第一个周期T1x终了，这样终了，这样10个周期引起的总误差与个周期引起的总误差与测测个周期产生的误差一样，经除个周期产生的误差一样，经除10，得一个周期的误差为，得一个周期的误差为 是互相抵消的，是互相抵消的，可见减小了，可见减小了10倍。倍。此外，由于周期倍增后计数器计得的数也增加到此外，由于周期倍增后计数器计得的数也增加到10n倍，这样，倍，这样，由由1误差所引起的测量误差也可减小误差所引起的测量误差也可减小 倍。图倍。图4.11中的中的10Tx和和100Tx两曲线说明这个结果。两曲线说明这个结果。因此，在多周期测量模式下，测周误差表达式要进行修正，令因此，在多周期测量模式下，测周误差表达式要进行修正，令周期倍增系数为周期倍增系数为k=则（则（4.12）和（）和（4.15）可合写成）可合写成（4.16）4.结论结论1)用计数器直接测周的误差主要有三项，即量化误差、转换误用计数器直接测周的误差主要有三项，即量化误差、转换误差以及标准频率误差。其合成误差可按下式计算（将差以及标准频率误差。其合成误差可按下式计算（将4.16式中式中k换成换成 ）：）：（4.17）2)采用多周期测量可提高测量准确度；采用多周期测量可提高测量准确度；3)提高标准频率，可以提高测周分辨力；提高标准频率，可以提高测周分辨力；4)测量过程中尽可能提高信噪比测量过程中尽可能提高信噪比VmVn。