5.2 通电子计数器

任务5-1频率和时间测量与仪器概述复习提问：任务5-1频率和时间测量与仪器概述复习提问：任务5-1频率和时间测量与仪器概述复习提问：

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5-2通用电子计数器新课引入：思考与讨论01.测量与应用场景思考：如何精确测量一个信号的频率或周期？结合生活实际，想一想在哪些场景下我们需要用到高精度的频率测量？02.数字化转换原理电子计数器的“魔法”：它是如何将连续变化的模拟信号转换为离散的数字读数的？思考这种转换过程的核心机制。03.误差与应对策略在使用电子计数器时，哪些因素可能影响测量结果的准确性？针对这些误差来源，我们可以采取哪些应对措施？任务5-2通用电子计数器学习重点知识概要:核心功能掌握熟练掌握通用电子计数器的四大核心测量功能：测频、测周、测时间间隔及频率比测量，明确各功能的适用场景。测量原理解析深入理解基于“闸门控制”和“数字计数”的基本原理，重点掌握测频和测周的具体实现过程与逻辑差异。误差来源与措施掌握主要误差来源（量化误差、触发误差），并能根据误差特性，提出有效的减小误差的工程措施。中界频率与方法选择理解中界频率的物理定义，学会利用该指标作为分界点，在不同频段下选择最优的测量方法（测频或测周）。任务5-2通用电子计数器5-2-1工作原理1.测量频率被测信号经过放大整形得到周期为Tx（=1/fx）的计数脉冲，作为闸门的输入信号。门控电路输出的门控信号控制闸门的启闭，闸门开启时间等于分频器输出信号周期KfTs。只有当闸门开启（图中假设门控信号为高电平）时，计数脉冲才能通过闸门进入计数器计数，设计数结果为N。任务5-2-1工作原理1.测量频率如果被测信号经过放大整形后，再经过倍频器m次倍频，则满足关系任务5-2-1工作原理1.测量频率为了使N值能够直接表示fx，常取mKfTs等于1ms、10ms、0.1s、1s、10s等几种闸门时间。当闸门时间为1×10±ns（n为整数），且使闸门开启时间的改变与显示屏小数点位置移动同步时，无需对计数结果换算可直接读出测量结果任务5-2-1工作原理2.测量周期测频、测周是依据闸门时间等于计数脉冲周期与闸门开启时计数脉冲个数之积，后根据定义进行推导计算而得出被测量的。同样道理，也可以据此测量频率比、时间间隔等任务5-2-1工作原理3.测量频率比（设fA＞fB）为了提高测量准确度，可在B通道增加分频器，对fB进行Kf次分频；在A通道增加倍频器，对fA进行m次倍频，则存在关系任务5-2-1工作原理4.测量时间间隔当测量两个信号的时间间隔时，开关S1处于“单独”位置；当测量脉冲信号的时间间隔如脉冲前沿tr、脉宽τ等参数时，将开关S1置于“公共”位置，根据被测量定义，调节触发器1、2触发电平和触发极性，选择合适的时标信号任务5-2-1工作原理4.测量时间间隔任务5-2-1工作原理5.累加计数定义：在一定时间（通常是比较长的时间）内，对记录信号A经整形后的脉冲个数。由于闸门开启时间较长，所以对门控电路的要求不高，可用手动开关控制。开关S打在“启动”位置时，闸门开启，计数脉冲进入计数器计数；开关S打在“终止”位置时，闸门关闭，终止计数，累加计数结果由显示电路显示。任务5-2-1工作原理6.自检即自校，用以检查计数器的整机逻辑功能是否正常。只要满足关系：NTs/m=KfTs，即N=mKf，说明电子计数器工作基本正常闸门信号和时标信号均由同一晶振产生，具有确定的同步关系，故自检时不存在量化误差任务5-2-1工作原理5-2-2测量误差1.测量误差的来源误差来源主要包括量化误差、触发误差和标准频率误差1）量化误差定义：在将模拟量变换为数字量的量化过程中，由于电子计数器闸门的开启与计数脉冲的输入在时间上具有不确定性，即相位随机性而产生的误差。性质特点：是数字化仪器特有的误差，不能被完全消除；无论计数值N为多少，每次的计数值总是相差±1，即ΔN=±1。又称为±1误差。任务5-2-2测量误差1.测量误差的来源2）触发误差定义：被测信号在整形过程中，由于整形电路本身触发电平的抖动或者被测信号叠加有噪声和各种干扰信号等原因，使得整形后的脉冲周期不等于被测信号的周期，由此而产生的误差。任务5-2-2测量误差1.测量误差的来源2）触发误差当触发电平产生抖动，也会产生触发误差。推导得知，触发误差的相对误差等于Un为噪声或干扰信号的最大幅度，包括因触发电平抖动而产生的影响，一般情况下，可以不考虑触发电平抖动的影响；Um为被测信号电压幅度；Kf为B通道分频器分频次数。任务5-2-2测量误差1.测量误差的来源2）触发误差影响面：触发误差对测量周期的影响较大，而对测量频率的影响较小，所以测频时一般不考虑触发误差的影响。因为测频时用于产生门控信号的是标准的晶振信号，叠加的干扰信号很小，故忽略触发误差的影响；而产生计数脉冲的被测信号中虽然可能有干扰信号，但不影响对计数脉冲的计数，故不产生触发误差。减小影响措施：提高被测信号的信噪比；采用多周期测量法测量周期（增大B通道分频器分频次数）因为多周期测量法可抵消相邻周期产生的触发误差，能产生影响的仅是第1个周期开始和最后1个周期终了时的触发误差，平均后的触发误差将显著减小。任务5-2-2测量误差1.测量误差的来源3）标准频率误差定义：即标频误差，由于晶振信号频率不稳定等原因而产生的误差。别称：测频时，晶振信号用于产生闸门信号（即时基信号），标准频率误差称为时基误差；测周时，晶振信号用于产生时标信号，标准频率误差称为时标误差。影响程度：一般情况下，由于标准频率误差较小，不予考虑。任务5-2-2测量误差2.测量误差的分析对测频影响最大的是量化误差；测周时主要受量化误差、触发误差影响1）测频误差量化误差：fx、m、Ts、Kf、TGF分别是被测信号频率、对被测信号倍频次数、晶振信号周期、对晶振信号分频次数、测频时闸门开启时间结论：为了减小量化误差，应增大计数值N。①被测信号频率较高时，由A通道输入，并在A通道中增大对被测信号的倍频次数来减小量化误差；被测信号频率较低时，由B通道输入，采用测周法测得周期后再换算得到频率。②延长闸门开启时间的方法来减小量化误差。任务5-2-2测量误差2.测量误差的分析1）测频误差【例5-2-1】被测信号的频率为fx1=1kHz、fx2=10kHz，闸门时间分别设定为1s、10s，试分别计算量化误差解：①据题意知，fx1=1kHz，当TGF=1s时，量化误差的相对误差为②据题意知，fx1=1kHz，当TGF=10s时，量化误差的相对误差为任务5-2-2测量误差2.测量误差的分析1）测频误差【例5-2-1】被测信号的频率为fx1=1kHz、fx2=10kHz，闸门时间分别设定为1s、10s，试分别计算量化误差解：③据题意知，fx2=10kHz，当TGF=1s时，量化误差的相对误差为④据题意知，fx2=10kHz，当TGF=10s时，量化误差的相对误差为==》测量高频信号频率、延长闸门开启时间，可减小量化误差任务5-2-2测量误差2.测量误差的分析2）测周误差（1）量化误差TGT=Kf·TxTx、Kf、fs、m、TGT分别为被测信号周期、对被测信号分频次数、晶振信号频率、对晶振信号倍频次数、测周时闸门开启时间。结论：要减小测周量化误差，应增大计数值N。A通道中增大倍频次数m，即选用短时标信号；B通道中增大分频次数Kf，即延长闸门时间，称为多周期测量法；测量低频信号的周期；否则，测频后再换算。任务5-2-2测量误差2.测量误差的分析2）测周误差（1）量化误差中界频率（即临界频率）定义：采用测频和测周两种方法进行测量，产生大小相等的量化误差时的被测信号频率被测信号未经倍频或分频时的中界频率：fM为中界频率；fs、Ts为测周时直接加到闸门的晶振信号（时标信号）的频率和周期；TGF为测频时的闸门时间（即时基）。如果测周时周期倍乘为KT、测频时闸门时间扩大了KF倍，任务5-2-2测量误差2.测量误差的分析2）测周误差（1）量化误差中界频率：不同闸门时间和不同标准频率情况下，测频、测周量化误差曲线任务5-2-2测量误差2.测量误差的分析2）测周误差（1）量化误差【例5-2-2】电子计数器测量被测信号频率为fx=10kHz，分别采用测频（闸门时间为10s）和测周（标准频率fs=100MHz）两种方法。（1）求出两种方法量化误差引起的相对误差和中界频率；（2）若测频时闸门时间扩大了10倍、测周时周期倍乘为100，求出此种情况下的中界频率。解：据题意知，fx=10kHz，T=10s，fs=100MHz，KT=100，KF=10，则（1）测频、测周时量化误差，中界频率：任务5-2-2测量误差2.测量误差的分析2）测周误差（1）量化误差【例5-2-2】电子计数器测量被测信号频率为fx=10kHz，分别采用测频（闸门时间为10s）和测周（标准频率fs=100MHz）两种方法。（1）求出两种方法量化误差引起的相对误差和中界频率；（2）若测频时闸门时间扩大了10倍、测周时周期倍乘为100，求出此种情况下的中界频率。解：据题意知，fx=10kHz，T=10s，fs=100MHz，KT=100，KF=10，则（2）中界频率：任务5-2-2测量误差2.测量误差的分析2）测周误差（2）触发误差触发误差：结论：测量低频信号的周期、多周期测量法、提高被测信号信噪比、选用短时标信号等方法，可以减小测量周期的误差任务5-2-2测量误差2.测量误差的分析2）测周误差（2）触发误差触发误差：结论：测量低频信号的周期、多周期测量法、提高被测信号信噪比、选用短时标信号等方法，可以减小测量周期的误差任务5-2通用电子计数器课堂小结：任务5-2通用电子计数器课堂小结：任务5-2

通用电子计数器课后思考题通用电子计数器的中界频率是什么含义？设中界频率为1MHz，则测量1kHz和10MHz信号频率时，应分别选择测频法还是测周法，为什么？量化误差（±1误差）的核心特点是什么？测频时减小量化误差的关键措施有哪些？触发误差主要影响测频还是测周？如何通过提高信噪比、采用多周期测量法减小触发误差，核心原理是什么？电子计数器自检功能的目的是什么？自检时为何不存在量化误差？测量两个信号的频率比时，如何提高测量准确度？任务5-2

通用电子计数器课后思考题参考答案：一、1.中界频率含义：测频法与测周法的±1量化误差相等时的临界频率，是二者的最优选择分界点

。2.测量选择：①1kHz（低于中界频率）：选测周法，低频直接测频

±1误差大。②10MHz（高于中界频率）：选测频法，高频测周

±1误差大。二、1.量化误差（±1误差）核心特点：①是电子计数器固有原理性误差，无法消除，只能减小；误差绝对值固定为

±1个计数值；②相对误差随被测频率降低、闸门时间缩短而显著变大。2.测频时减小量化误差的关键措施：①延长闸门时间，增大有效计数时间；②对低频信号改用测周期法，再换算频率；③采用多周期同步测量等改进方法。任务5-2

通用电子计数器课后思考题参考答案：三、