电子测量与仪器-电子计数器

第五章频率和时间的测量知识要点：电子计数器的组成和分类电子计数器的主要技术指标电子计数器的工作原理电子计数器的测量误差★

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目前，在电子测量中，时间和频率的测量精确度是最高的。时间测量的精密度可小于10-18,准确度可达10-15。这使时间频率在计量、测量领域中起到十分突出的领先和独特作用。在通信、航空航天、武器装备、科学试验、医疗、工业自动化等民用和军事方面都存在时频测量。在检测技术中，常常将一些非电量或其它电参量转换成频率进行测量。

第一节概述一、时间和频率的基本概念

“时刻”——即某个事件何时发生“时间间隔”——即事件从某一时刻发生到另一时刻结束，该事件持续了多久1、时间有两个含义：

式中

f——频率，用赫兹（HZ）表示；

T——周期过程的周期时间2、频率的概念：一、时间和频率的基本概念

周期性现象，是指经过一段相等的时间间隔又出现相同状态的现象，在数学上可用一个周期函数来表示所谓周期性现象。周期信号在单位时间（1s）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化了N次，则频率可表达为：f＝N/T对一个周期现象来说，周期和频率都是描述它的重要参数。周期与频率互为倒数关系，只要测出其中一个，便可取倒数而求得另一个。3、常用的频率测量方法◆频率的测量方法可以分为：直接法测量比较法测量电子计数器测量谐振法电桥法拍频法外差法示波法一、时间和频率的基本概念

（1）直接法

指直接利用电路的某种频率响应特性来测量频率的方法。电桥法和谐振法是这类测量方法的典型代表。（2）比对法

是利用标准频率与被测频率进行比较来测量频率。其测量准确度主要取决于标准频率的准确度。拍频法、外差法及计数器测频法是这类测量方法的典型代表。

（3）电子计数器

是利用电子计数器来进行频率测量。一、时间和频率的基本概念

3、常用的频率测量方法二、时间与频率的标准1、世界时（UT时)最初的时间（频率）标准是由天文观测得到的。以地球自转周期为标准测定的时间叫世界时。2、原子时（AT)利用原子或分子内部能级跃迁所辐射或吸收的电磁波的频率为基准来计量时间。各种测量方法有着不同的实现原理，其复杂程度不同。各种测量方法有着不同的测量准确度和适用的频率范围。数字化电子计数器法是时间、频率测量的主要方法，具有精度高、速度快、使用简便等优点，因此得到了广泛应用，是本任务的重点。二、时间与频率的标准工作原理

1、时间——数字转换原理三、时间与频率的数字转换原理时间或频率（模拟量）A/D数字量计数显示把被转换的时间TX与标准时间间隔t0进行比较，取整量化数字N，即式中：±1——量化误差比较电路常用一个与门电路来实现

1、时间——数字转换原理A——标准时间间隔t0作为时标信号B——TX作为闸门信号（或门控信号）三、时间与频率的数字转换原理比较电路常用一个与门电路来实现

2、频率——数字转换原理把被转换的频率fX与标准频率F0进行比较，取整量化数字N，即式中：±1——量化误差三、时间与频率的数字转换原理

2、频率——数字转换原理比较电路同样一个与门电路来实现？？思考：与门电路两个输入端此时应分别加入什么信号？A——转换的频率fX作为时标信号B——标准频率f0对应的标准时间T0作为闸门信号（或门控信号）三、时间与频率的数字转换原理

将模拟量转换为数字量时所产生的误差叫量化误差，其大小为±1一个字3、量化误差宽度同为Tx的闸门信号，由于通过主门时与计数脉冲不同步而带来的计数值一个为6，一个为5。三、时间与频率的数字转换原理一、电子计数器的基本组成第二节电子计数器A输入通道闸门十进制计数显示门控电路逻辑控制电路B输入通道测频累加计数测时间倍频器晶振分频器时标选择标准时间产生电路闸门时间选择人工触发功能变换1、输入电路又称输入通道，首先将被测信号，放大和整形为脉冲信号，其重复频率等于被测信号的频率。施密特触发电路：利用施密特触发器的回差特性，对输入信号具有较好的抗干扰作用。实现整量化的比较电路。主门常是一个可以控制的与门电路。一、电子计数器的基本组成2、主门电路一、电子计数器的基本组成2、主门电路

标准时间间隔t0和标准频率F0是由时基电路产生的。它有两个要求。（1）首先是要有足够的准确度和稳定度。（2）其次是要求多值性。其内部的晶体振荡器（也可外接），通过倍频或分频得到。再通过门控双稳态触发器得到“门控信号”。3、时基信号产生与变换电路如：若f0=1MHZ,经106分频后，可得到fs=1HZ（周期TS=1s）的时基信号，经过门控双稳态电路得到宽度为TS=1s的门控信号。计数用的时标信号常有1us、

10us、0.1ms、1ms等；闸门信号常有1ms、10ms、0.1s、1s、10s。一、电子计数器的基本组成为了便于观察和读数，通常使用十进制计数电路。

计数电路对通过主门的脉冲进行计数（计数值代表了被测频率或时间），并通过数码显示器将测量结果直观地显示出来。4、计数与显示电路一、电子计数器的基本组成

产生各种控制信号，协调各部件电路的工作，使计数器按照工作程序：5、逻辑控制电路一、电子计数器的基本组成

计数——显示——复零——准备下一次测量来进行工作。准备期（复零，等待）测量期（开门，计数）显示期（关门，停止计数）二、电子计数器的分类按功能的不同，电子计数器可以分为四大类：1、通用计数器通用电子计数器即多功能电子计数器。它可以测量频率、频率比、周期、时间间隔及累加计数等，通常还具有自检功能。2、频率计数器频率计数器是指专门用于测量高频和微波频率的电子计数器，它具有较宽的频率范围。

二、电子计数器的分类3、时间间隔计数器测量两个电信号之间的时间间隔，也可以测量一个周期信号的周期、脉冲宽度、占空系数、上升时间和下降时间。4、特种计数器特种计数器是指具有特殊功能的电子计数器。如可逆计数器、预置计数器、程序计数器和差值计数器等，它们主要用于工业生产自动化，尤其在自动控制和自动测量方面。最高计数频率小于10MHz二、电子计数器的分类按直接计数的最高频率可分为四大类：1、低速计数器2、中速计数器计数频率范围在10——100MHz3、高速计数器最高计数频率大于100MHz4、微波计数器计数频率范围在1——80GHz或更高三、电子计数器技术指标1、测量功能

即仪器所具备的全部测试功能，如测频、测周、测量频率比、测量时间间隔、累计脉冲个数及自校等功能。2、测量范围

测量范围即仪器的有效测量范围，如测频时的频率上限和下限，测周时的周期最大值和最小值。3、输入特性

（1）输入灵敏度

输入灵敏度是为保证仪器准确完成测试功能所需的最小输入电压。

最高输入电压即允许输入的最大电压，超过该电压仪器不能正常工作，甚至损坏。输入耦合方式有AC和DC两种方式。AC耦合是指选择输入端交流成分加到电子计数器。DC耦合即直接耦合，输入端信号直接加到电子计数器上。B、C通道用于控制门控电路的工作状态，只有被测信号达到一定的触发电平时，门控电路的状态才能翻转，闸门才能适时地开启关闭，从而测出时间间隔等参量。因此，触发电平必须连续可调、具备一定的可调范围。三、电子计数器技术指标（2）最高输入电压（3）输入耦合方式（4）触发电平及其可调范围

测量准确度常用测量误差来表示。

输入阻抗包括输入电阻和输入电容。（5）输入阻抗三、电子计数器技术指标4、测量准确度闸门时间和时标由标准时间电路产生的信号决定。可以提供的闸门时间和时标信号有多种。6、闸门时间和时标5、晶振频率的稳定度

常用日稳定度表示，一般在±1×10-5/d～±1×10-9/d三、电子计数器技术指标7、显示及工作方式（1）显示位数显示位数是指可以显示的数字位数。（2）显示时间显示时间是指两次测量之间显示结果的时间，一般可调。（3）显示器件显示器件是指显示测量结果或测量状态的器件，如数码管、发光管、液晶显示器等。（4）显示方式显示方式有记忆显示和非记忆显示两种方式。记忆显示只显示最终结果，不显示正在计数的过程，实际显示的数字是刚结束的一次测量结果，显示的数字保留至下一次计数过程结束时再刷新。非记忆显示方式时，还可显示正在计数的过程。三、电子计数器技术指标输出是指仪器可输出的时标信号种类、输出数码的编码方式及输出电平。8、输出四、电子计数器测量功能四、电子计数器测量功能1、测频（功能开关置于“2”）1、测频

对于同一被测信号，如果选择不同的闸门时间，则计数值N是不同的。四、电子计数器测量功能1、测频

例如，被测信号fx=1000KHz，当T0=1s时，测得N=100000，若显示器的单位采用KHz，则显示1000.000KHz；当T0=0.1s时，测得N=100000，显示1000.00KHz；当T0=10s时，测得N=10000000，显示1000.0000KHz。

显示结果的有效数字末位的意义，它表示了频率测量的分辨力。四、电子计数器测量功能2、测周期（功能开关置于“3”）四、电子计数器测量功能2、测周期

在周期TX的时间内，对时标信号t0计数，计数结果为N，则被测周期为：TX=Nt0例如，时标t0=1us，若计数值N=100000，则显示的TX为“100000”us，或“100.000”ms。如时标t0=10us，则计数值N=10000，显示的TX为“100.00”ms。一次测量时间即为一个周期TX，TX越大（频率越低）则测量时间越长；计数值N与时标有关，时标越小分辨力越高。四、电子计数器测量功能2、测周期（多周期倍乘）如果待测周期较短时，可以用多周期倍乘的方法提高测量精度。在多周期测量中，B通道和门控之间插入n级十进分频器，即周期倍乘率，把开关门时间扩展10n倍。多周期测量法测出的结果实际上是对多个周期的平均值：即周期倍乘率通常有×1、×10、×102、×103、×104等。四、电子计数器测量功能3、测频率比频率比是指A、B通道两路电路的频率之比，功能开关置于“4”。TB=1/fB放大整形电路B闸门计数显示门控电路放大整形电路AfA=1/TATB

TATBTAfA（B通道）（A通道）fB四、电子计数器测量功能3、测频率比频率较高者由A通道输入，频率较低者