电子测量技术教案《4》

1、1 1 1 1 1目录退出下一页上一页最后一页1 4.1电子计数器简介4.2电子计数器的测量原理4.3电子计数器的应用4.4实训章节目录2 2 2 2 2目录退出下一页上一页最后一页2 第4章 电子计数器 本章要点 电子计数器的分类及主要技术性能 电子计数器的基本测量原理 电子计数器的测量应用3 3 3 3 3目录退出下一页上一页最后一页34.1 电子计数器简介本章介绍电子计数器,它是一种最常见、最基本的数字仪器。它可以测出一定时间内的脉冲数目，并将结果以数字形式显示。这种仪器，早期多用于测量频率，故称数字式频率计。随着技术的不断进步，而今它成为多功能的电子计数仪器，故称“电子计数器”。它是一

2、切数字化仪器的基础。4 4 4 4 4目录退出下一页上一页最后一页4（1）频率计数器（2）通用计数器（3）时间计数器（4）特种计数器 （5）工业计数器（6）程序计数器（7）计算计数器1按其测试功能可以分为下列各种n4.1.1 电子计数器的分类5 5 5 5 5目录退出下一页上一页最后一页5（1）低速计数器 最高计数频率不大于10MHz。（2）中速计数器 计数频率为10100MHz。 （3）高速计数器 最高计数频率大于100MHz。（4）微波频率计数器 测量频率范围为180GHz或更高。2按电子计数器测频上限值分类6 6 6 6 6目录退出下一页上一页最后一页6 介绍仪器所具有的全部测试功能，如

3、计数、测量频率、时间。 2测量范围 对于不同的测量对象，表示测量范围的方法也不相同，如测频率时，被测信号的频率范围，常用频率的上限和下限值表示；测时间时，常用可正常测量时间的最大值和最小值表示；测量周期时，常用测量周期的最大值和最小值表示，也可用周期相对应的频率范围表示。1测试功能n4.1.2 电子计数器的主要技术性能7 7 7 7 7目录退出下一页上一页最后一页7 3输入特性（1）输入灵敏度 输入最小电压的有效值能使仪器正常工作来表示，如通用计数器A输入端的灵敏度多为主20mV。（2）最大输入电压 指仪器超过这一电压，仪器将不保证工作正常，甚至会损坏。即仪器允许输入的最大电压值。（3）输入耦

4、合方式 常设DC、AC两种耦合方式。8 8 8 8 8目录退出下一页上一页最后一页8 DC耦合时：对于窄脉冲信号、随机脉冲信号和过低频率的信号，适于采用DC耦合。 AC耦合时：信号经隔直电容送入。当被测信号中带有较高的直流电平时，适于采用AC耦合方式。 (4) 输入阻抗 包括输入电阻和输入电容两部分;在100MHz以下的电子计数器中多为高输入阻抗;典型值为lM25pF，在高频情况下均采用匹配阻抗50。 9 9 9 9 9目录退出下一页上一页最后一页94测量精确度 测量精确度常用时基误差和计数误差确定。 时基误差由石英晶体振荡器的稳定度确定。 石英晶体振荡器频率稳定度常用日稳定度表示， 目前，多

5、在110-5/d110-9/d范围内。5闸门时间和时标 闸门时间和时标由机内时标信号源所提供的时间标准信号决定。 根据测量频率和测量时间范围，机内时标信号源可提供几种闸门时间信号和时标信号。1010101010目录退出下一页上一页最后一页10 显示方式有“不记忆”显示方式和“记忆”显示方式。 “不记忆”显示方式，数字变化可随时显示出，最后的显示数即计数器的计数结果。 “记忆”显示方式，显示器只显示结果，不显示过程，即显示的数为计数器本次最终的累计数，并且将这一读数持续显示到下一次测量结束，被下一次测量的计数结果所代替。6显示工作方式7输出7输出 输出是指仪器可以直接输出的标准频率信号有哪几种，

6、并指明输出测量数据的编码方式和输出电平等。1111111111目录退出下一页上一页最后一页114.2 电子计数器的测量原理4.2.1 电子计数器的基本组成和原理框图 1电子计数器的基本组成 电子计数器的基本组成电路有，输入电路、计数显示电路（包括十进制计数器、寄存器、译码器及显示电路）、标准时间信号形成电路（包括石英晶体振荡器及分频、倍频电路）和控制电路。1212121212目录退出下一页上一页最后一页122电子计数器原理框图图4-1电子计数器原理框图1313131313目录退出下一页上一页最后一页13（1）输入电路 输入电路的作用是将被测信号（或控制信号）进行放大整形，然后送往主闸门（或控制

7、电路）。 输入电路通常有A、B、C三个独立的通道。 A通道输入需要计数的信号，而由B、C通道送入的信号都用来控制闸门时间。 B通道在测周期时输入被测信号，或测频率比fAfB时送入fB信号，或测相邻两脉冲时间间隔时输入被测信号等。 B输入通道输入信号作为控制主闸门的开门信号和关门信号，并经它送出触发信号。 在测B信号与C信号之间的时间间隔时，时控主闸门的开门信号为B通道送来的信号，时控制主闸门的关闭信号为C通道送来的信号。1414141414目录退出下一页上一页最后一页14 衰减器 为了接入较大幅度的信号，并且保证输入放大器能正常工作，将输入信号适当的衰减。 放大器 当接入小信号时，对其进行适当

8、的放大，以适应整形电路的工作要求。在整形电路前增设输入信号放大器，可提高测试灵敏度。 实际上，接入衰减器和放大器是为了使电子计数器对幅度较大或幅度较小的输入信号都能够测量，扩大仪器的测量范围。 在测B信号与C信号之间的时间间隔时，时控主闸门的开门信号为B通道送来的信号，时控制主闸门的关闭信号为C通道送来的信号。1515151515目录退出下一页上一页最后一页15整形电路 常用的整形电路多采用施密特触发器，以满足输入电路必须将输入信号整形成为具有一定幅度和陡峭前后沿的脉冲信号。 倒相器 在B、C输入电路中，输入的控制信号可能为正脉冲也可能为负脉冲，为保证送出的触发信号有确定的极性，在一些电路中常

9、设有倒相电路，供使用者选择。图4-2输入电路框图1616161616目录退出下一页上一页最后一页16（2）时标产生电路无论是测量频率、周期、计数、时间间隔，电子计数器都是用比较法进行测量，也就是将被测信号与一系列标准时间信号进行比较。电子计数器能否正常工作以及测量的精确度如何，与标准时间信号有直接关系。对标准时间信号的要求：一是要有高精确度；二是能多组送出。1717171717目录退出下一页上一页最后一页17图4-3 标准时间信号的框图 21页1818181818目录退出下一页上一页最后一页18（3）控制电路 它能送出各种控制信号，以协调各单元电路的工作；是电子计数器的指挥系统。 一般每进行一

10、次测量总要经历：测量准备测量显示测量结果复原等阶段。 所有上述动作都是在控制电路的统一指挥下进行的。控制电路实际上是一个脉冲组合电路；常由双稳电路、单稳电路等构成。（4）计数显示电路 它的任务是对来自闸门的脉冲进行计数，并将计数结果以数字形式显示出来。1919191919目录退出下一页上一页最后一页19n4.2.2 测量频率的原理框图 1测量频率的原理框图图4-4 测量频率的框图及波形 2020202020目录退出下一页上一页最后一页202测量频率的基本原理 周期T（秒）和频率f（赫兹）之间的关系为：Tf1 计数器在一定时间间隔内进行累加计数。如果在t 时间间隔内对周期性信号的累加计数为N，则

11、信号频率为：tNf 2121212121目录退出下一页上一页最后一页21 测量频率必须有一个准确而稳定的单位时间标准信号（时基信号）。 时基信号实质上是一种重复周期严格等于标准时间的脉冲信号，信号的周期即闸门被打开的时间，亦称闸门时间。 时基信号源常由高精度、高稳定度的信号源和多组分频器构成。 如图4-3所示，最常见的时基信号源是由石英晶体振荡器和多级十分频器组成。2222222222目录退出下一页上一页最后一页22 闸门的开门时间可以改变，即时基脉冲周期不是固定不变，可以选择。 如0.01s或0.1s。如果选用周期为1s的时基信号，闸门打开时间为1s，被测信号经整形后通过闸门的脉冲数若有10

12、0000个，即被测信号的频率f=100000Hz,则显示读数为100000，单位为Hz。 如在第三位数字前设置一个小数点显示，就显示为100.000，单位为kHz。用相同的被测信号，如果测量时所取时基为0.1s，即闸门打开0.1s的时间，这时计数器的读数为10000，显然，这一数值乘以10才是1s内通过闸门的脉冲数，即被测频率f=1000010=100000Hz。2323232323目录退出下一页上一页最后一页23v 可以得出结论，不论闸门打开时间取0.1s、1s或10s，测量同一信号的结果都相同。v 实际测量时，取不同的时基测量，并不需要对读数做乘或除的折算，只要所取时基数是1s的 1/10

13、n 倍(n为整数)，如0.01s、0.1s、1s、10s等，就可在显示电路中按所选时基挪动小数点，便可直接读出测量结果。2424242424目录退出下一页上一页最后一页24n4.2.3 测量周期的框图原理1.测量周期的原理框图图4-5测量周期的原理框图 26页2525252525目录退出下一页上一页最后一页252.测量周期的基本原理 v 周期是信号电平随时间变化一个循环所需的时间。 周期是频率的倒数。如以T表示信号的周期， f 表示频率，则T=1/f。v 对周期性信号而言，整形电路对波形进行整形变换成周期性的脉冲信号，整形前后的周期是相等的。2626262626目录退出下一页上一页最后一页26

14、 测量周期可用图4-5所示的电路。v 被测信号由B输入电路送入，B输入电路中的整形电路,可以把被测信号转换成整形前后周期是相等的矩形波脉冲。利用它的跳变沿去触发门控双稳。由于脉冲信号的周期与被测信号周期相等，所以,闸门打开的时间等于被测信号的周期。v 晶体振荡器产生的标准时标信号经分频或倍频后也送到闸门的输入端，输出时标脉冲让计数器直接计数，若计数器读数为N，标准时标信号周期为T0，则被测信号周期Tx=NT0。2727272727目录退出下一页上一页最后一页27v 在实际测量周期时，为了提高测量精度，常采用周期乘以10n方法。读取周期平均值的方法，就是把被测信号的周期扩大10n倍(n=1、2、

15、3.n的整数)，用它作为闸门时间，再对计数器的读数分别除以10n(n=1、2、3.n的整数)，最后便可得到平均周期值。2828282828目录退出下一页上一页最后一页284.2.4 测量频率比的原理框图1测量频率比的原理框图图4-6测量频率比的原理框图 30页2929292929目录退出下一页上一页最后一页29 2测量频率比原理 v 频率比是指A、B二信号频率的fA与fB之比，即fAfB。将频率较低的信号由B通道输入，经过放大整形电路后去触发门控双稳态电路，产生的门控脉冲打开闸门，打开时间为TB，是B信号的一个周期；将频率较高的信号由A通道输入，经放大整形后送到闸门输入端，由闸门输出送入计数器

16、直接计数，计数为TB时间内A信号的脉冲个数K，KTA=TB，即频率比K=fAfB。3030303030目录退出下一页上一页最后一页30v实际上测量频率所得的读数也可以理解为被测信号频率与时基信号频率的比值。如时基取1s，相当于时基信号频率为1Hz，若读数为100000，就表示被测信号频率为100000Hz。因为被测信号频率100000Hz与时基信号频率1Hz之比为100000。v由此可见，如要测量A、B二信号的频率比，可以将A信号自A输入电路送入，而用B信号（较低频率）控制闸门的开和关，这样，计数器的读数便是在B信号一个周期内通过闸门的A信号电平变化次数，或者说，计数器的读数表示A信号频率是B

17、信号频率的多少倍，即fAfB值，其原理方框如图4-6所示。3131313131目录退出下一页上一页最后一页31n4.2.5 测量时间间隔原理框图1测量时间间隔的原理框图图4-7测量时间间隔的原理框图3232323232目录退出下一页上一页最后一页322测量时间间隔的原理v 被测信号B、C分别送入B通道与C通道，B通道产生打开时间闸门的触发脉冲，C通道产生关闭时间闸门的触发脉冲。v 用门控双稳态电路输出的脉冲（此脉冲宽度即为B、C信号的时间间隔）控制闸门打开，而闸门的另一端送入晶体振荡器产生的经倍频器或分频器的时标信号，通过闸门送入计数器计数。v 计数值实际上表示了时间间隔。v 时标可取1s、1

18、ms、1s，甚至更小的单位。其测量原理方框如图4-7所示。3333333333目录退出下一页上一页最后一页334.2.6 累加计数的框图原理 1累加计数的原理框图 图4-8累加计数的原理框图 3434343434目录退出下一页上一页最后一页342累加计数的测量原理累加计数是用于直接统计所取时间内的脉冲数。如图4-8所示，将被测信号送入A通道，经过放大整形后输入到人工控制的闸门。闸门的开启时间由手动控制，即从“启动”到“停止”的转换所用的时间决定。在闸门开启时间内闸门输出脉冲，再送入计数器，由计数器直接积累出脉冲总数，完成累加计数。3535353535目录退出下一页上一页最后一页35n4.2.7

19、 自校（自检）的原理框图 1自校的原理框图 图4-9 自校原理框图3636363636目录退出下一页上一页最后一页362电子计数器的自校原理v 自校的原理方框如图4-9所示。自校时闸门的输入信号不是外加的，而是取自机内的晶体振荡器产生的时标信号。v时标信号经过倍频器或分频器送入闸门。v门控双稳态电路输入的时基信号同样由相同的晶体振荡器产生的时标信号经过分频器分频得到。门控双稳态电路输出正的开门脉冲，时标信号从闸门输出，进入计数器计数，计数显示应与时标选择相符。v如取时基为1s,而选送的时标信号是周期为1s的信号，则自校的读数应为1000000，表示时标信号频率为1000000Hz=1MHz。v

20、如果出现差错，仪器逻辑功能出现问题，需要进行检修。3737373737目录退出下一页上一页最后一页371仪器面板各旋钮的作用E-312型数字频率计的面板图如图4-10所示。4.3 电子计数器的应用n4.3.1 E312型数字频率计简介3838383838目录退出下一页上一页最后一页38图4-10 E-312型数字频率计的面板框图 3939393939目录退出下一页上一页最后一页39（1）显示方式选择兼电源开关。（2）闸门指示氖灯。氖灯亮时，表示主门开启；不亮时，主门关闭。（3）显示时间旋钮。调节范围为0.5s 。（4）时标选择开关。共分五档，0.1s、1s、10s、0.1ms、1ms。（5）倍

21、乘及闸门时间选择开关。共分五档，1ms、10ms、0.1s、1s、10s；本开关也可作为测量周期和频率比时的倍乘选择开关，共分五档，100、101、102、103、104。（6）人工复零按钮。（7）停止-计数选择开关。工作方式选择开关置于计数A档时，由此开关控制计数器的起始和终止时间。4040404040目录退出下一页上一页最后一页40（8）工作方式选择开关。具有8种功能，即计数A、外控时间间隔A/B C、频率比A/B、自校、频率A、时间间隔B C、时间B、周期B。 （9）“+”“”选择开关。可选择脉冲上升或下降沿触发。（10）A、B、C通道输入端。（11）输入衰减开关及旋钮。（12）输入电平

22、（A）指示器。指示输入A通道信号幅度的大小，测量时应调节A通道输入衰减开关，使指针指示在表头中间“1”处。4141414141目录退出下一页上一页最后一页412使用方法 （1）接通电源，将仪器背面钮子开关拨至“内接”处，仪器预热1h，再将“显示方式兼电源开关”置于“记忆”或“不记忆”处，此时数码显示器亮，表明整机电源正常。（2）根据说明书对仪器的时基电路、门电路及计数器进行自校检查。（3）调节显示时间。当顺时针方向转动“显示时间”旋钮时，显示时间由短变长，当转至端点时，显示时间由自动复原转为人工控制（按下复原按钮，电路复原）。复原后门电路开启，闸门指示氖灯亮，重新开始计数。4242424242

23、目录退出下一页上一页最后一页42（4）记忆和不记忆显示。当开关置于“记忆”时，被测频率值稳定地显示在数码管上。当开关置于“不记忆”时，显示数字在闸门开启时计数，显示时间结束后复零，然后重新计数。4343434343目录退出下一页上一页最后一页43n4.3.2 测量频率、周期 1测量频率将“工作方式”开关置于“频率A”处，被测信号由“输入A”接入，调节“衰减开关”使电表指针指在中间“I”处，闸门时间可任选一档，小数点自动变位；闸门时间较长时，测量值为平均频率，反之为瞬时频率。4444444444目录退出下一页上一页最后一页44 将“工作方式”开关置于“时间B”档，被测信号由“输入B输入；调节倍乘

24、开关可以提高测量精度，因为倍乘越高，读数的有效位越多；时标任选一档。测量结果可直接读值。2.测量周期4545454545目录退出下一页上一页最后一页45n4.3.3 测量频率比、时间间隔1测量频率比将“工作方式”开关置于“频率A/B”档，较高频率信号由“输入A”输入，较低频率信号由“输入B”输入，为提高测量精度，可采用倍乘开关，频率比可直接读值。4646464646目录退出下一页上一页最后一页462测量时间间隔 （1）两相邻脉冲之间时间间隔的测量（单线输入）将“工作方式”开关置于“时间B档”，被测信号由“输入B”输入，再将“输入B”上的“+、”极开关置于所需的极性，且“+”或“”极性对方波来说

25、是表示脉冲的正跳变沿触发或负跳变触发，对窄脉冲则表示极性选择，时标开关可置于0.1s档（高精度）。测量结果直接读数。（2）B、C之间信号时间间隔的测量（双线输入）将“工作方式”开关置于“时间B-C”档，起动信号由“输入B”输入，停止信号由“输入C”输入；再将“输入B”上的“+、”极开关置于所需的极性，且“+”或“”极性对方波来说是表示脉冲的正跳变沿触发或负跳变触发，对窄脉冲则表示极性选择，时标开关可置于0.1s档（高精度）。测量结果直接读数。 4747474747目录退出下一页上一页最后一页47n4.3.4 计数 将“工作方式”开关置于“计数A”，被测信号由“输入A”接入，再由“停止-计数”选择开关控制计数，并由闸门指示灯的“亮”与“熄”来指示。4848484848目录退出下一