7.4電子計數(shù)器的測量誤差

7.4.1測量誤差的來源

電子計數(shù)器的測量誤差來源主要包括量化誤差、觸發(fā)誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。 1.量化誤差(±1誤差) 量化誤差是在將模擬量變換為數(shù)字量的量化過程中產(chǎn)生的誤差，是數(shù)字化儀器所特有的誤差，是不可消除的誤差。它是由于電子計數(shù)器閘門的開啟與計數(shù)脈沖的輸入在時間上的不確定性，即相位隨機(jī)性而產(chǎn)生的誤差。1

量化誤差的相對誤差為：

計數(shù)脈沖閘門開啟時間T閘門開啟時間T圖7.13量化誤差產(chǎn)生示意圖計數(shù)脈沖N=8計數(shù)脈沖N=922.觸發(fā)誤差

觸發(fā)誤差又稱為變換誤差。被測信號在整形過程中，由于整形電路本身觸發(fā)電平的抖動或者被測信號疊加有噪聲和各種干擾信號等原因，使得整形后的脈沖周期不等于被測信號的周期，由此而產(chǎn)生的誤差稱為觸發(fā)誤差。

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觸發(fā)電平VB0A1A'1A'2A2干擾信號干擾信號Tx閘門開啟閘門關(guān)閉ΔT1ΔT2T'x=ΔT1+Tx+ΔT2被測信號圖7.14觸發(fā)誤差產(chǎn)生示意圖4經(jīng)推導(dǎo)得知，觸發(fā)誤差的相對誤差等于

(7-2)式中，Un為噪聲或干擾信號的最大幅度，包括因觸發(fā)電平抖動而產(chǎn)生的影響，一般情況下，可以不考慮觸發(fā)電平抖動或漂移的影響；Um為被測信號電壓幅度；Kf為B通道分頻器分頻次數(shù)。 觸發(fā)誤差對測量周期的影響較大，而對測量頻率的影響較小，所以測頻時一般不考慮觸發(fā)誤差的影響。 為了減小測周時觸發(fā)誤差的影響，除了盡量提高被測信號的信噪比外，還可以采用多周期測量法測量周期，即增大B通道分頻器分頻次數(shù)。5

3.標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差Δfs/fs

標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差是指由于晶振信號的不穩(wěn)定等原因而產(chǎn)生的誤差。測頻時，晶振信號用來產(chǎn)生門控信號（即時基信號），標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差稱為時基誤差；測周時，晶振信號用來產(chǎn)生時標(biāo)信號，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差稱為時標(biāo)誤差。一般情況下，由于標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差較小，不予考慮。

7.4.2測量誤差的分析

上述測量誤差中，對頻率測量影響最大的是量化誤差，其他誤差一般不予考慮。周期測量則主要受量化誤差和觸發(fā)誤差的影響。下面對測頻和測周誤差進(jìn)行分析： 6 1.測頻誤差

經(jīng)過推導(dǎo)得知，測頻量化誤差等于

由此可見，要減小量化誤差對測頻的影響，應(yīng)設(shè)法增大計數(shù)值N。即在A通道中選用倍頻次數(shù)m較大的倍頻器，亦即選用短時標(biāo)信號；在B通道中增大分頻次數(shù)Kf，亦即延長閘門時間；可以直接測量高頻信號的頻率，否則，測出周期后再進(jìn)行換算，該方法屬于間接測量法，這是由測周誤差的特性所決定的。7 2.測周誤差

（1）量化誤差 經(jīng)過推導(dǎo)得知，測周量化誤差為：

由此可見，要減小測周量化誤差，應(yīng)設(shè)法增大計數(shù)值N。即在A通道中選用倍頻次數(shù)m較大的倍頻器，亦即選用短時標(biāo)信號；在B通道中增大分頻次數(shù)Kf，亦即延長閘門時間，該方法稱為多周期測量法；可以直接測量低頻信號的周期，否則，測出頻率后再進(jìn)行換算，該方法屬于間接測量法。8

所謂的高頻或低頻是相對于電子計數(shù)器的中界頻率而言的。中界頻率是指采用測頻和測周兩種方法進(jìn)行測量，產(chǎn)生大小相等的量化誤差時的被測信號的頻率。 （2）測周觸發(fā)誤差 減小測周觸發(fā)誤差的方法如式(7-2)結(jié)論所述，不再贅述。 綜上所述，多周期測量法以及提高信噪比、選用短時標(biāo)信號等方法，可以減小測量周期的誤差。 7.4.3頻率擴(kuò)展技術(shù) 由于受十進(jìn)制計數(shù)器處理速度等因素的限制，上述類型的電子計數(shù)器比較適合頻率低于700MHz左右的信號，在A通道分別采用倍頻器時，頻率范圍就更窄了。通常采用外差降頻變換法、預(yù)定標(biāo)法、轉(zhuǎn)移振蕩器法、諧波外差變換法、取樣法等方97.4.3頻率擴(kuò)展技術(shù) 由于受十進(jìn)制計數(shù)器處理速度等因素的限制，上述類型的電子計數(shù)器比較適合頻率低于700MHz左右的信號，在A通道分別采用倍頻器時，頻率范圍就更窄了。通常采用外差降頻變換法、預(yù)定標(biāo)法、轉(zhuǎn)移振蕩器法、諧波外差變換法、取樣法等方法來擴(kuò)展計數(shù)器的測頻范圍，這樣的計數(shù)器適合用來測量高頻信號頻率，稱之為數(shù)字頻率計，測頻上限可高達(dá)170GHz。下面主要介紹外差降頻變換法和預(yù)定標(biāo)法。

1.外差降頻變換法

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輸入混頻器調(diào)諧濾波器調(diào)諧倍頻器放大器測頻電子計數(shù)器晶振圖7.15手動外差降頻變換法擴(kuò)頻原理框圖112.預(yù)定標(biāo)法 如圖7.16所示，預(yù)定標(biāo)數(shù)字頻率計與通用計數(shù)器的區(qū)別就是對被測信號進(jìn)行N分頻，即預(yù)定標(biāo)。預(yù)定標(biāo)法的缺點是降低了單位時間內(nèi)的分辨力，為了提高測量分辨力，如果十進(jìn)制計數(shù)器位數(shù)足夠多，通常也對晶振進(jìn)行N分頻。放大整形輸入Afx分頻器（1/N）閘門十進(jìn)制計數(shù)器晶振分頻器（1/N）時基分頻器顯示N×0.1sN×1sN×10s圖7.16預(yù)定標(biāo)法數(shù)字頻率計原理框圖127.5通用計數(shù)器實例7.5.1技術(shù)指標(biāo)（1）測試功能（2）測量范圍測頻范圍：0.1Hz～100MHz；測周范圍：0.4μs～10s；累加計數(shù)范圍：1～108。（3）輸入特性輸入耦合方式；輸入電壓范圍；輸入阻抗：R,Ci。（4）閘門時間:10ms、0.1s、1s、10s。（5）時標(biāo)（晶振）:時標(biāo)為0.1μs。（6）顯示位數(shù)及顯示器件:8位LED（7）輸出:輸出頻率;輸出電壓;輸出波形137.5.2工作原理:如圖7.17所示主機(jī)測量單元直接計數(shù)頻率為10MHz，在輸入高于10MHz頻率的信號時，需要經(jīng)過預(yù)定標(biāo)分頻器后，送入主機(jī)測量單元。輸入fx(Tx)輸入通道預(yù)定標(biāo)分頻器主機(jī)測量單元晶振顯示圖7.17NFC-100型通用電子計數(shù)器組成框圖14主機(jī)測量單元如圖所示溢出閘門uskHzICM7226B段碼輸出（a、b、c、d、e、f、g、dp）88位碼輸出（D1～D8）功能選擇閘門時間（周期倍乘）頻率自檢周期計數(shù)10s1s0.1s10ms44晶振圖7.18NFC-100型電子計數(shù)器主機(jī)測量單元邏輯框圖abcdefgdp復(fù)位157.5.3電子計數(shù)器的使用及注意事項

①按照要求接入正確的電源。8位LED顯示OVFLGATEuskHzMODELNFC—100MULTFUNCTIONCOUNTERSTBYONRESETTOTPERFREQCHKFREQMEASURETIME10ms0.1s1s10sPERIODAVERAGE1101001000FUNCTIONTIMEBASEOUT50Ω10MHz＞10VP-P1MΩ8MHz100MHz0.1HzINPUT圖7.19NFC-100型電子計數(shù)器前面板圖16②在使用電子計數(shù)器進(jìn)行測量之前，應(yīng)對儀器進(jìn)行“自檢”，以初步判斷儀器工作是否正常。③被測信號的大小必須在電子計數(shù)器允許的范圍內(nèi)，否則，輸入信號太小測不出被測量，輸入信號太大有可能損壞儀器。④當(dāng)“溢出（OVFL）”指示燈亮?xí)r，表明測量結(jié)果顯示有溢出，不能漏記數(shù)字。⑤在允許的情況下，盡可能使顯示結(jié)果精確些，即所選閘門時間應(yīng)長一些。⑥在測量頻率時，如果選用閘門時間為10s時，“閘門（GATE）”（或“采樣”）指示燈熄滅前顯示的數(shù)值是前次的測量結(jié)果，并非本次測量結(jié)果，記錄數(shù)據(jù)時務(wù)必等采樣指示燈變暗后進(jìn)行。177.6數(shù)字相位計相位差的測量方法包括示波器法、比較法、直讀法等。數(shù)字相位計采用直讀法測量，是由電子計數(shù)器擴(kuò)展而成的相位測量儀器。數(shù)字相位計包括相位-時間變換式相位計和相位-電壓變換式相位計，瞬時值數(shù)字相位計和平均值數(shù)字相位計屬于前一種。7.6.1瞬時值數(shù)字相位計瞬時值數(shù)字相位計原理框圖如圖7.20所示。當(dāng)被測信號u1、u2由負(fù)變正通過零點時，分別由零比較器1和2產(chǎn)生脈沖信號u'1、u'2。設(shè)u1超前于u2，則u'1、u'2分別用作門控電路的開啟信號、關(guān)閉信號，使門控電路產(chǎn)生門控信號u3，u3的脈寬與兩個信號的相位差相對應(yīng)，u3脈寬期間打開計數(shù)門，時標(biāo)信號則18經(jīng)由計數(shù)門至計數(shù)顯示電路，得到對應(yīng)的相位差數(shù)值。其工作波形如圖7.21所示。 設(shè)被測信號周期為Tx，門控信號u