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第七節 頻率計

現代測量中,頻率測量一般不再采用模擬式測量儀表。模擬式測量儀表,如電動系頻率表、鐵磁電動系頻率表(只要變化量在其靈敏度范圍內),對輸入的每一個變化都有相應的指針偏轉角與之對應;而數字式測量儀表的指示同輸入量間的關系則是“離散的”,即“不連續的”,輸入量的變化在儀器最小的一個單位內時,只有一個輸出值與之對應。這是它們的主要區別。數字式測量儀表同模擬式測量儀表相比,有以下優點:

(1)測量精度高

數字式儀表比模擬式儀表的測量精度提高了許多,有的甚至提高了幾個數量級,其主要原因是:

①數字顯示器件對測量精度沒有限制

由于采用數字顯示,因而徹底擺脫了模擬式儀表中指針、表頭、標尺、刻度盤等表示裝置的分辨力和視差對測量精度的影響,并且在技術允許范圍內測量單位越小,精度可越高。

②時間(或頻率)的數字測量精度高

高速數字電路的發展,使時間—數字的轉換精度和分辨率已達1ns。因此,如果其他模擬量能高精度地轉換成時間,那么它們也就可能獲得高精度的數字測量。

③數字信號不易受噪聲和干擾的影響

在數字式儀表中轉換、傳輸、存儲、運算等處理的都是數字信號,即脈沖與二進制邏輯電平信號。由于表示數字量“0”和“1”的兩種邏輯電平明顯地不同,因此在處理過程中不易因外界的某些干擾影響而出錯,也不會因元件存在的某些誤差而影響精度。

(2)自動化程度高

儀表的數字化是自動化的基礎。事實上,在儀表數字化的過程中就伴隨著儀表的自動化。數字儀表利用數字電路的各種邏輯功能很容易實現自動重復測量、自動轉換極性、自動選擇量程、自動調節(如自動調零、自動調節觸發電平等)、自動校準、測量結果自動顯示、記錄、判斷等。更重要的是,數字式儀表很容易同計算機結合,特別是在計算機技術高速度發展的今天,這種結合使測量儀器自動化又有了新的飛躍。目前,電子測量儀器的自動化主要體現在微處理器與儀表相結合構成“智能”儀器,以及微型或小型計算機控制的自動測試系統。

(3)測量速度快

數字式儀表實現了測量自動化,不但操作簡便,而且大大加快了測量速度。由于數字式測量儀表具有這些優點,所以應用越來越廣泛。

一、電子計數器

1.電子計數器的分類

電子計數器測試功能很多,用途甚廣,但歸納起來主要有如下三大功能:

(1)對信號次數計數——累加計數。

(2)在已知的標準時間內對未知信號計數——頻率測量。

(3)在未知的待測時間內對標準時間信號計數——時間測量。

電子計數器按功能可劃分為如下四大類:

(1)通用計數器,是一種具有多種測量功能、多種用途的“萬能”計數器。它可測量頻率、周期、多周期平均、時間間隔、累加計數、計時等;配上轉換器、傳感器還可測量其他眾多電量和非電量。

(2)頻率計數器,是專門用來測量高頻和微波頻率的計數器,其功能限于測頻和計數,測頻范圍很寬。

(3)時間計數器,是以時間測量為基礎的計數器。這類計數器都在不同程度上采用了計算機技術,其測量時分辨力和準確度很高,已達10~12s的量級。

(4)特種計數器,是具有特種功能的計數器,包括可逆計數器、預置計數器、序列計數器、差值計數器等。

2.基本計數測量法

(1)計數法測頻率

單位時間內信號周期性變化的次數即為該信號的變化頻率,頻率的數字測量法就是以此為依據的,其測量原理如圖1-30所示。

圖1-30 頻率測量原理圖

測量時被測信號經整形送到受控門(與門)1輸入端,但能否送到計數器計數則要看與門是否打開,即與門的另一個輸入端2端是否為“1”。顯然2端輸入為“1”的持續時間就為雙穩態觸發器某穩態的持續時間,也即計數觸發信號——單位時間信號的周期T0。計數器累加計數即是在T0時間內計被測信號周期數。不難看出,若計數器的累計數為N,則被測信號的頻率為

fx=N/T0

若T0的單位為s,則被測頻率fx的單位就為Hz。單位時間信號周期越長,精度越高,測量的準確度就越高。

(2)計數法測周期

周期測量實際為頻率測量的逆過程,即在被測信號的周期Tx內,累計標準時間信號的周期數,其測量原理如圖1-31所示。

顯然,若計數器累計數為N,則被測周期Tx

Tx=N×T0

圖1-31 周期測量原理

T0所用單位就為被測周期Tx的單位,且標準時間信號周期越短,精度越高,測量的準確度越高。

(3)計數法測相位差

周期與時間差如圖1-32所示,相位差測量是基于時間tx的測量進行的,從圖中可見,若已知兩被測信號的周期Tx、兩信號時間差tx,則兩信號間的相位差為

未知時間間隔tx的測量原理如圖1-33所示。仍是累計標準信號的周期數,但門控雙穩轉變為“1”態由被測信號UX1觸發,而恢復“0”態則由UX2觸發,顯然受控門打開時間為兩信號整形脈沖后沿間隔時間,即tx。若計數器累計數為N,則

tx=N·T

圖1-32 周期與時間差示意圖

圖1-33 計數法測相位差原理圖

所以可以說周期測量為相位差測量的一個特例。

二、CN3165型頻率計

CN3165型頻率計是一種帶有微處理器的高精度數字頻率計,其測量范圍可從1Hz至1000MHz,所測頻率和周期的數值通過八位數碼顯示出來。該頻率計具有工作穩定、測量精度高范圍廣使用方便靈活的特點。

1.技術指標

(1)輸入特性

儀表有A、B兩個測量端。

①測量端A

頻率測量范圍:不隔直耦合時為0.1Hz~80MHz;隔直耦合時為30Hz~80MHz。靈敏度:0.1~50Hz、15mV;0.1~80MHz、25mV;50~80MHz、25mV。

動態范圍:0.1~50MHz時為15mV~2V,其他為25mV~2V。

耦合方式:AC/DC。

濾波:可選擇使用≤100kHz的低通濾波器,此功能僅測量端A有。

輸入阻抗:1MΩ∥40pF。

衰減:×1,×20兩擋。

觸發方式:自動和手動。

觸發電平:自動時,為預置值;手動時,為-2.5~+2.5V可調。

最大輸入:250V(直流成分加交流成分峰值)。

周期測量范圍:10ns~10s。

②測量端B

頻率測量范圍:50Hz~1GHz。

靈敏度:≤650MHz、20mV;650MHz~1GHz、70mV。

耦合方式:隔直耦合。

輸入阻抗:50Ω。

最大允許輸入電壓:3V。

(2)時間基準

頻率:10MHz。

頻率偏移率:每月10-6

溫度系數:0℃~40℃,不大于10-5

精確度:≤5×10-5

精度誤差:≤5×10-5

線性變化范圍:線性電壓在±10%變化范圍內時≤10-7

閘門時間:從60ms~10s連續可變,也可是輸入信號的一個周期(任意大小)。

(3)顯示

①頻率:8位LED,0.3s刷新。

②指數:1位LED,0.3s刷新。

③單位:Hz、s。

④符號:“-”。

⑤工作指示:OVFL(溢出)、閘門時間、觸發電平。

(4)工作環境

①一般使用范圍:15℃~35℃、濕度≤80%。

②適用范圍:0℃~50℃、濕度≤85%。

(5)電源

(110±11)V、60Hz或(220±22)V、50Hz。

2.使用方法

(1)面板布置

CN3165型頻率計面板布置如圖1-34所示,面板上各部件的名稱及作用見表1-10。

表1-10 CN3165型頻率計面板部件名稱及作用

續上表

圖1-34 CN3165型頻率計面板布置

(2)使用步驟

①電源自檢

a.在打開儀器電源前需保證電源電壓與儀器要求的電壓相符(儀器設定電壓標在其背面)。

b.設置所有按鈕開關在彈出位置。

c.設置閘門時間在“MIN”位置。

d.置觸發電平控制在“AUTO”位置。

e.檢查所有的LED顯示(數碼、小數點、溢出、符號、單位、指數),從00000000至99999999連續檢查。

②一般頻率(30Hz~20MHz)測量時的自檢和測量步驟

a.將電源開關置“ON”位置。

b.按壓【FREQ A】【AC/DC】按鈕;開關置于“AC”位置。

c.置GATE TIME于“MIN”(≈60ms)。

d.觸發電平控制于“AUTO”位置。

e.通過測量電纜將10MHz、1V(峰—峰值)的方波輸入至A輸入端。

f.查TRIG LED和GATE LED是否頻繁閃爍。

g.觀察數碼發光二極管是否顯示10MHz。

h.旋轉GATE TIME至中間位置(閘門時間≈1s),檢查GATE LED是否每秒閃爍一次。

i.當頻率至少以1位數變化時,觀察DATA LED的顯示分辨率。

j.轉GATETIME控制至“MIN”。

k.微調TRIG LEVEL離開“AUTO”位置(接近-2.5V),檢查TRIG LED是否在滅燈狀態,GATE LED是否也處在滅燈狀態,如果觸發電平置于不適當的位置,測量將不能正常進行。

l.順時針旋轉TRIG LEVEL至TRIG LED頻繁閃爍,檢查GATE LED是否同樣閃爍,并且測量正在進行,未中斷。

m.將檢測信號換成被測信號,從數碼發光二極管即可讀出被測信號頻率值。

③低頻測量(0.1~30Hz)

a.將TRIG LEVEL置于“AUTO”位置。

b.旋轉FILTER/NORMAL開關至FILTER 100kHz位置。

c.按DC/AC開關改置于DC耦合位置。

d.被測信號用輸入電纜接至測量端A。

e.從數碼發光二極管即可讀出被測信號頻率值。

④高頻測量(20~100MHz)

a.將GATE TIME置于“MIN”。

b.AC/DC開關恢復“AC”位置。

c.置TRIG LEVEL于“AUTO”。

d.FLTER/NORMAL恢復NORMAL位置。

e.把測量信號用測量電纜接至測量端A。

f.從數碼發光二極管即可讀出被測信號頻率值。

注意:測量40~100MHz范圍內的頻率時采用手動調節觸發電平能夠得到更好、更準確的測量。

⑤高頻測量(100MHz~1GHz)

a.打開電源開關。

b.按壓【FREQ B】按鈕。

c.被測信號通過測量電纜接至測量端B。

d.置GATE TIME于“MIN”。

e.從數碼發光二極管即可讀出被測信號頻率值。

⑥周期測量(10ns~10s)

a.置電源開關于“ON”位置。

b.按下【PERA】按鈕。

c.置GATE TIME于“MIN”。

d.置TRIG LEVEL于“AUTO”。

e.被測信號通過測量電纜接至A輸入端。

f.從數碼發光二極管即可讀出被測信號頻率值。

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