5.1 频率和时间测量与仪器概述

课堂小结：任务4-4

波形显示与测量实务课堂小结：任务4-4

波形显示与测量实务

任务5-1频率和时间测量与仪器概述

任务5-2通用电子计数器任务5-3电子计数器的性能提高与功能扩展项目5频率和时间测量与仪器任务5-4频率和时间测量实务任务5-1频率和时间测量与仪器概述新课引入：思考与讨论01生活应用思考我们身边哪些设备需要精确的频率和时间测量？例如：手机、电脑、卫星导航、通信基站等。02技术发展思考为什么说频率和时间是现代电子技术中最重要的测量参数之一？提示：高准确度、易传递、可溯源。任务5-1频率和时间测量与仪器概述学习重点知识概要:测量特点与方法了解频率和时间测量的特点及其常用方法（直读法、比较法）。仪器分类与功能了解电子计数器的分类与测试功能。仪器基本组成了解电子计数器的基本组成及各部分的功能。主要性能指标了解电子计数器的主要性能指标。【思政教学】

两弹一星岁月里电子计数器研制的英雄史诗电子计数器作为核心电子测量仪器，是实现频率、周期等关键参数精准测量的重要工具，直接影响电子设备研发、工程实践等诸多领域的技术成效。而在建国初期“两弹一星”研制的艰难岁月里，我国科学家在一穷二白的基础上，攻坚克难研制电子计数器的可歌可泣事迹，不仅打破了国外技术封锁，为“两弹一星”成功奠定了关键基础，更凝聚着深厚的家国情怀与科学精神。一、建国初期电子计数器研制背景：绝境中的使命担当20世纪五六十年代，“两弹一星”研制工作进入关键阶段，而频率、周期等参数的精准测量是核装置引爆控制、火箭弹道校准、卫星信号调试等核心环节的技术前提。当时，电子计数器作为测量这些参数的核心设备，被国外列为对我国禁运的关键技术装备，国内既无成熟的生产技术，也缺乏相关的设计图纸和核心元器件，工业基础的极度薄弱让电子计数器研制举步维艰。【思政教学】

两弹一星岁月里电子计数器研制的英雄史诗一、建国初期电子计数器研制背景：绝境中的使命担当在这样的绝境下，我国科研工作者肩负着“为国铸盾”的神圣使命，毅然踏上了电子计数器自主研制的征程。没有先进的研发设备，他们就用简陋的车床、示波器拼凑出实验平台；没有完备的技术资料，他们就从国外零星的文献报道中捕捉关键信息，通过反复试验摸索规律；没有稳定的元器件供应，他们就自己动手打磨、调试基础电子元件。正是在这样极端艰苦的条件下，一批科研先驱以坚韧不拔的毅力，开启了我国电子计数器研制的艰难探索。【思政教学】

两弹一星岁月里电子计数器研制的英雄史诗二、电子计数器研制的光辉事迹与英雄人物：以热血铸重器（一）“中国电子测量仪器之父”——王大珩：擘画方向，引领攻关王大珩院士作为我国光学与电子测量领域的奠基人，是“两弹一星”研制中电子测量技术攻关的核心引领者。在得知“两弹一星”研制急需高精度电子计数器时，他主动请缨，牵头组建了电子计数器研制专项团队。当时，国外对电子计数器的核心技术严格保密，甚至连关键元器件的性能参数都不愿透露，王大珩院士带领团队从最基础的理论研究入手，逐一攻克了高频振荡、脉冲计数、精准计时等核心技术难题。【思政教学】

两弹一星岁月里电子计数器研制的英雄史诗（一）“中国电子测量仪器之父”——王大珩：擘画方向，引领攻关为了获得准确的技术数据，他常常和团队成员一起扎根实验室，连续数十天通宵达旦。在调试计数器的高频放大模块时，由于缺乏先进的测试设备，他凭借深厚的理论功底和丰富的实践经验，通过耳朵听示波器的声音、眼睛观察波形变化，反复调整电路参数。有一次，为了解决计数器的计时误差问题，他连续工作36小时，最终发现是某个电阻的温度系数不稳定导致的偏差，通过更换自制的高精度电阻，成功将计数器的测量精度提升到国际先进水平。在他的引领下，团队仅用两年时间就成功研制出我国第一台高精度电子计数器，为“两弹一星”的核心参数测量提供了关键技术支撑。王大珩院士始终强调：“科研工作既要仰望星空，更要脚踏实地，国家的需求就是我们的奋斗目标。”他用实际行动诠释了科研工作者的家国担当。【思政教学】

两弹一星岁月里电子计数器研制的英雄史诗（二）“计数器攻坚尖兵”——张恩虬：扎根一线，破解难题张恩虬院士是我国著名的电子学家，在电子计数器研制中承担了核心电路设计与调试的关键任务。建国初期，我国电子工业基础薄弱，研制电子计数器所需的高频晶体管、精密电容等核心元器件完全依赖进口，且国外对我国实施禁运后，元器件供应彻底中断。面对这一困境，张恩虬院士提出“自主研发元器件，啃下硬骨头”的口号，带领团队开展元器件国产化攻关。在研制高频晶体管时，由于缺乏专用的提纯设备，他带领团队采用“化学提纯+物理筛选”的方法，反复试验数百次，最终成功研制出符合电子计数器要求的高频晶体管。在调试计数器的计数逻辑电路时，遇到了脉冲干扰导致计数不准确的问题，他连续一周泡在实验室，绘制了数百张电路图纸，逐一分析干扰源，最终设计出独特的屏蔽电路，成功解决了干扰问题。有一次，实验室的线【思政教学】

两弹一星岁月里电子计数器研制的英雄史诗（二）“计数器攻坚尖兵”——张恩虬：扎根一线，破解难题路板突然短路起火，他不顾个人安危，第一时间切断电源，双手被烧伤仍坚持记录下短路瞬间的电路状态，为后续问题排查提供了重要依据。正是这种“不怕苦、不怕难”的精神，让他带领团队攻克了一个又一个技术难关，确保了电子计数器的稳定运行。张恩虬院士常说：“困难像弹簧，你强它就弱，只要我们有为国奉献的决心，就没有攻克不了的难题。”（三）“团队协作标杆”——顾德欢：统筹协调，凝聚合力顾德欢作为电子计数器研制团队的组织协调者，在整合科研力量、保障研制进度方面发挥了关键作用。“两弹一星”研制是一项系统工程，电子计数器的研制需要光学、电子、机械等多个学科的协同配合。顾德欢凭借出色的组织能力，打破学科壁垒，协调了全国十多个科研单位和工厂的力量，形成了产学研协同攻关的合力。【思政教学】

两弹一星岁月里电子计数器研制的英雄史诗（三）“团队协作标杆”——顾德欢：统筹协调，凝聚合力在研制过程中，由于各个单位的技术标准不统一，出现了元器件接口不匹配、电路兼容性差等问题。顾德欢立即组织召开技术协调会，制定了统一的技术标准和接口规范，并亲自带队到各个协作单位进行技术指导。为了保障研制进度，他常常奔波于各个科研现场，协调解决物资供应、设备调配等问题。有一次，某个协作工厂生产的精密电阻不符合要求，他连夜赶到工厂，和工人师傅一起改进生产工艺，最终确保了电阻的质量达标。在他的统筹协调下，原本分散的科研力量形成了强大的攻关合力，确保了电子计数器研制任务的顺利完成。顾德欢始终坚信：“集体的力量是无穷的，只要我们心往一处想、劲往一处使，就没有办不成的事。”任务5-1频率和时间测量与仪器概述5-1-1时间和频率的测量1.时间和频率的定义与特点1）定义时间定义：通常指的是某个时刻相对于另一时刻的时间差，即时间间隔。频率定义：周期信号在单位时间（1s）内的变化次数（即周期数）。如果在时间间隔T内周期信号重复变化了N次，则频率f=N/T周期信号定义：经过相等的时间间隔（一个周期）又出现相同状态的信号任务5-1-1频率和时间的测量1.时间和频率的定义与特点2）特点①最常见和最重要的测量：时间是7个基本国际单位之一，时间、频率是极为重要的物理量。②测量准确度高：时间和频率基准具有最高准确度（可达10-14）且校准方便，使得数字化频率和时间测量可达到很高的准确度。因此，许多物理量的测量都变换为时间和频率的测量。2.频率测量方法任务5-1-1时间和频率的测量2.频率测量方法1）直读法（频响法）是利用电路的频率响应特性来测量频率直读法无需标准频率信号源==>称为无源测频法分类：电桥法和谐振法（1）电桥法利用电桥的平衡条件与频率有关的特性测量频率。任务5-1-1时间和频率的测量2.频率测量方法1）直读法（频响法）（1）电桥法R1=R2=R，C1=C2=C时，受元件精确度、平衡准确程度、被测信号频谱纯度限制，准确度约为±(0.5%~1%)任务5-1-1时间和频率的测量2.频率测量方法1）直读法（频响法）（2）谐振法被测信号经互感M与LC串联谐振回路进行松耦合，改变可变电容器C可使回路发生谐振。谐振时回路电流I、电容两端电压达到最大。谐振法可测量1500MHz以下的频率，准确度可达±(0.25%~1%)。任务5-1-1时间和频率的测量2.频率测量方法2）比较法（比对法）利用标准频率与被测频率的比较测量频率，准确度取决于标准频率的准确度。比较法分为拍频法、差频法和示波器法等。（1）拍频法拍频法是将被测信号与标准信号经线性元件（如耳机、电压表）直接进行叠加而实现频率测量任务5-1-1时间和频率的测量2.频率测量方法2）比较法（比对法）（1）拍频法耳机中声音响度变化的频率等于两个信号（fx、fs）频率之差。fx与fs接近时，节拍变慢，频率靠近到相差不到4～6Hz时，只听到声音响度（幅度）作周期性变化的单一音频信号（拍）。电压表指针有规律来回摆动，示波器上得到右图波形。任务5-1-1时间和频率的测量2）比较法（比对法）（1）拍频法拍频法通常只用于音频测量，而不宜用于高频测量。

。音频测量时，拍频信号可控制在音频范围内，能被扬声器、耳机等常规设备直接检测。高频测量中，若要得到可检测的拍频信号，标准频率需与待测高频信号高度接近，这对标准信号源的精度要求极高；若两者差值过大，拍频信号频率会超出音频范围，无法被常规设备捕捉，专用高频拍频检测器的复杂度和成本又过高。拍频法仅适用于音频类低频段的简易频率测量，高频场景更适合采用计数器法、谐振法等技术任务5-1-1时间和频率的测量2）比较法（比对法）（2）差频法高频段测频常用差频法测量利用非线性器件和标准信号对被测信号进行差频变换来实现测频fx和fs经混频和滤波输出二者的差频信号当由低到高调整fs使差频信号落在音频范围时，听到的声音会由尖锐逐渐变得低沉而后消失；再继续调高fs时，音调会由低逐渐变得尖锐而后重新消失，则耳机声音第一次消失时的fs≈fx。任务5-1-1时间和频率的测量直读法和比较法所用电路通常是模拟电路，故属于模拟法3）计数法是最常用的测频方法，是利用电子计数器测量单位时间内被测信号周期个数来实现频率的测量，实质上它属于比较法测频。电容充放电法是利用电子电路控制电容器充放电的次数，再用磁电式仪表测量充、放电电流的大小而测得被测信号频率。电子计数器是一种最常见、最基本的数字化测量仪器，也是其他数字化仪器的基础。任务5-1-1时间和频率的测量5-1-2电子计数器概述1.分类1）通用电子计数器即多功能电子计数器。可以测量频率、周期、频率比和时间间隔等，搭配相应的插件后还可以测量相位、电压、电流、功率等；配合传感器则可测量长度、位移、重量、温度、速度等2）频率计数器即频率计，是专门用于测量高频信号频率的计数器，其功能限于测频和计数，往往具有较宽的测频范围任务5-1时间和频率测量与仪器概述1.分类3）计算计数器具有计算功能的计数器4）时间计数器以时间测量为基础，可测量周期、脉冲参数等，其测时分辨率和准确度很高5）微波计数器以通用电子计数器和频率计数器为主，配以测频扩展器而组成，其测频上限已进入微波波段6）特种计数器计数器还可按用途分为测量用计数器和控制用计数器。任务5-1-2电子计数器概述2.通用电子计数器的基本组成由输入通道、时基电路、门控电路、闸门、计显电路和逻控电路等组成。任务5-1-2电子计数器概述2.通用电子计数器的基本组成1）输入通道由衰减器、放大器、整形电路组成，包括A、B两通道。测量高频信号频率时，A通道对输入信号进行衰减、放大和整形得到计数脉冲信号。测量低频信号周期时，B通道对输入信号进行衰减、放大和整形得到触发脉冲信号。触发脉冲控制门控电路状态翻转得到门控信号，第一个触发脉冲到来时闸门开启，计数器对计数脉冲计数；第二个触发脉冲到来时闸门关闭，计数器停止计数。任务5-1-2电子计数器概述2.通用电子计数器的基本组成2）时基电路由晶振、分频器、倍频器和变换开关等组成。由晶振提供标准时间信号作为电子计数器的内部时间基准。测周时，标准时间信号经过放大整形和倍频（或分频），用作测量周期或时间的计数脉冲，称为时标信号；测频时，标准时间信号经过放大整形和一系列分频得到用作控制门控电路的闸门信号（有的称为时基信号），闸门信号经过门控电路形成门控信号。任务5-1-2电子计数器概述2.通用电子计数器的基本组成3）门控电路将B通道触发脉冲或时基电路的闸门信号变换成为门控信号，以控制闸门的开启、关闭。4）闸门（即主门）当门控信号有效时，闸门开启，计数脉冲或时标信号经闸门送入计数器5）计数显示电路是一个十进制计数显示电路，对通过闸门的计数脉冲或时标信号进行计数，并以十进制方式显示计数结果。6）逻辑控制电路任务5-1-2电子计数器概述3.主要性能指标1）测试功能：具备的测试功能，如测频、测周、测频比和测时间间隔等2）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输入耦合方式：AC、DC②触发电平及其可调范围：触发电平须连续可调、具备一定的可调范围③输入灵敏度：在保证计数器正常工作时输入信号的最小电压④最高输入电压：即允许的输入信号的最大电压⑤输入阻抗：高阻抗（例如1MΩ//25pF）、低阻抗（例如50Ω）。前者适用于频率不太高场合，以减小对信号源负载影响；后者适用于频率较高场合，以满足匹配要求。任务5-1-2电子计数器概述3.主要性能指标4）测量准确度：常用测量误差来表示，由标频误差和计数误差等决定5）闸门时间和时标由时基电路产生，为测频、测时提供多种准确的闸门时间和时标信号6）显示及工作方式①显示位数：可以显示的数字位数。②显示时间：指两次测量之间显示结果的时间，一般可调③显示器件：如数码管、发光管、液晶显示器等④显示方式：记忆显示、非记忆显示7）输出可输出的时标信号种类、输出数码的编码方式及输出电平等任务5-1-2电子计数器概述课堂小结：任务5-1频率和时间测量与仪器概述课堂小结：任务5-1频率和时间测量与仪器概述课堂小结：任务5-1频率和时间测量与仪器概述任务5-1

频率和时间测量与仪器概述课后思考题：频率测量的直读法（如谐振法）与差频法在适用频率范围上有何差异？核心原因是什么？通用电子计数器的A、B输入通道核心功能有何不同？时基电路提供的“闸门信号”和“时标信号”分别用于哪种测量模式？电子计数器的高输入阻抗（如1MΩ//25pF）和低输入阻抗（如50Ω）分别适用于什么场景？测