电子计数器的测频方法.doc

4.1 电子计数器的测频方法
教学目的
1.了解通用计数器的基本组成
2. 掌握电子计数器的测频原理
教学重点及难点
1. 电子计数器的测频原理
4.1.1频率计数器的组成
教学方式：讲授
教学过程：
1.门控计数法测量原理
门控计数法可理解为：在规定的时间内打开闸门，让信号进入计数电路做累加计数，在已知的标准时间内累计未知的待测输入信号的脉冲个数，就实现频率测量；在未知的待测的时间间隔内累计已知的标准时间脉冲个数，就实现周期或时间间隔的测量。
2.通用计数器的基本组成
除主门、计数电路和数字显示器外，通用计数器还包括两个放大整形电路和一个门控双稳触发器。从A通道输入频率为fA的A信号，经放大、整形变换为计数脉冲信号，接至闸门“1”端。从B通道输入频率为fB的B信号，也经放大、整形变换为周期为TB的矩形脉冲信号。这个矩形脉冲信号接至主门“2”端以触发门控双稳态触发器，使它输出一个宽度为TB的门控时间脉冲信号（开门脉冲），控制闸门的开门时间。
通用电子计数器的基本功能是测量频率、周期、频率比、时间间隔和自检等。计数器输入通道所加信号的不同组合，决定了所实现的测量功能。
4.1.2频率测量
电子计数器按照式的定义进行频率测量.原理如图4－10所示，其对应点的工作波形如图4－11所示。在开门时间，被测信号通过闸门进入计数器计数并显示。若闸门开启时间为Tc和输入信号频率为fx，则计数值为:

（4-7）
闸门的宽度是由标准的时基经过分频得到的，通过开关选择分频比，是已知量。因此，只要得到计数器的计数值，就可以由（式4－7）得到被测信号的频率。
4.1.3频率比的测量
频率比fA/fB测量的原理。两个信号中频率较低的信号（周期大的）需要加到门控电路输入端作为开门信号。得到的读数即为两个频率的比值。
虽然两个信号的频率对我们来说都是未知的，但是我们只关心频率的比值，其实际值对测量者来说是没有意义的。
小结：本结应掌握电子计数器的测频原理
作业：4－1　

4.2周期测量
教学目的
1.掌握测周的基本原理
教学重点及难点
1. 测周的基本原理
教学方式：讲授
教学过程：
4.2.1信号周期的测量
被测信号Tx从B输入端输入，经脉冲形成电路取出一个周期的方波信号，加到门控电路。若时标信号周期为T0，计数器读数为N，被测周期的表达式应为：
Tx＝N T0
需要注意的是：门控信号由被测信号经过整形获得，而被计数的信号则是标准的时基信号经过分频得到，其周期是已知的。通过时基信号在开门时间内的计数值就可由式（4－8）得到被测信号的周期。
4.2.2时间间隔测量
时间的起始和停止脉冲经B和C两个输入通道，分别触发R-S触发器产生TX=Tb－Tc的闸门信号宽度。在时间间隔TX所形成的开门时间内，对A通道输入的时标信号进行计数，其计数值N为：
TX=NT0
通过选择两个输入通道的触发极性和触发电平可以完成两输入信号任意两点之间时间间隔的测量. 如果需要测量同一个输入信号的任意两点之间的时间间隔，可以把被测信号同时送入B、C通道，分别选取其触发电平和触发极性以产生开始和停止信号。 通过测量两个正弦波形上两个相应点之间的时间间隔，根据信号的频率可以求得两个正弦信号的相位差。
强调：自检
自检是确认仪器工作状态是否正常的自我检查，时基信号经过n级10分频后控制闸门的开启时间，对时基本身进行计数.因为闸门信号和被计数脉冲来自同一个信号源，所以在理论上不存在±1量化误差。因此每次测量值和分频比相一致则表明仪器工作正常。
小结：本结应掌握测周的基本原理
4.3 电子计数器的测量误差
教学目的
1.掌握量化误差、触发误差、标准频率误差的概念及来源。
2.掌握频率测量误差的组成及分析方法，并能用来解决实际问题。
3.掌握周期测量误差的组成及分析方法，并能用来解决实际问题。
教学重点及难点
1.频率测量误差的组成及分析方法
2.周期测量误差的组成及分析方法
教学方式：讲授
教学过程：
4.3.1 测量误差的来源
1. 量化误差
所谓量化误差就是指在进行频率的数字化测量时，被测量与标准单位不是正好为整数倍，因此在量化过程中有一部分时间零头没有被计算在内而造成的误差，再加之闸门开启和关闭的时间和被测信号不同步（随机的），使电子计数器出现±1误差。
2. 触发误差
所谓触发误差就是指在门控脉冲在干扰信号的作用下使触发提前或滞后所带来的误差。
3. 标准频率误差
标准频率误差是指由于电子计数器所采用的频率基准（如晶振等）受外界环境或自身结构性能等因素的影响产生漂移而给测量结果引入的误差。
4.3.2 频率测量误差分析
计数器直接测频的误差主要由两项组成：即±1量化误差和标准频率误差。一般，总误差可采用分项误差绝对值合成.

1. 量化误差
在测频时，由于闸门开启时间和被计数脉冲周期不成整数倍，在

2. 标准频率误差
由于晶振输出频率不稳定引起闸门时间的不稳定，造成测频误差。

所以：
4.3.3周期测量误差分析
1. 误差表达式
由式Tx＝N T0 可得
因为： ，所以：
2. 触发误差
在测量周期时，被测信号通过触发器转换为门控信号，其触发电平波动以及噪声的影响等，对测量精度均会产生影响。
3. 多周期同步法多周期测量减小转换误差的原理如图4－18所示。因为闸门信号是和被测信号同步后产生的，所以对周期个数的计数值不存在量化误差。而两相邻周期触发误差所产生的ΔT是相互抵消的，因此平均到一个周期上来说就相当于原来误差的1/10。
小结：本结着重于频率测量误差的组成及分析方法、周期测量误差的组成及分析方法
作业：4－2

5．1 概述
教学目的
1.了解电压测量的重要意义及特点。
2.掌握电压测量的基本原理和方法，并了解电压测量的分类。
教学重点及难点
1. 电压测量的基本原理和方法
教学方式：讲授
教学过程：
5．1．1 电压测量的意义、特点
1．重要性
电压测量是电测量与非电测量的基础；
●电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：如表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率等转换为电压，再进行测量；电路工作状态：饱和与截止，线性度、失真度等由电压表征，通过电压进行测量。
●非电测量中，物理量等电压信号，再进行测量。
如：温度、压力、振动、（加）速度等。
2．电压测量的特点——从电压测量的频率、范围、要求等方面阐述其特点，这些特点也反映了电子测量的主要特点。
1）频率范围广：零频（直流）～109Hz低频：1MHz以下；高频（射频）：1MHz以上。
2）测量范围宽：微弱信号:心电医学信号、地震波等，纳伏级（10-9V）；超高压信号：电力系统中，数百千伏。
3）电压波形的多样化：电压信号波形是被测量信息的载体。各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；随机噪声。
4）阻抗匹配：在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。●直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测量结果偏小。 如：采用电压表与电流表测量电阻，当测量小电阻时，应采用电压表并联方案， 当测量大电阻时，应采用电流表串联方案。●交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射
5）测量精度的要求差异很大：10-1至10-9。
6）测量速度的要求差异很大●静态测量：直流（慢变化信号），几次/秒；●动态测量：高速瞬变信号，数亿次/秒（几百MHz）。但精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。
7）抗干扰性能:工业现场测试中，存在较大的干扰。
5．1．2 电压测量的方法和分类
●按对象：直流电压测量；交流电压测量；
●按技术：模拟测量；数字测量。
1）交流电压的模拟测量方法
表征交流电压的三个基本参量：有效值、峰值和平均值。以有效值测量为主。
方法：交流电压（有效值、峰值和平均值）——〉转换为直流电流——〉驱动表头——〉指示——有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。
2)数字化直流电压测量方法
模拟直流电压——〉A/D转换器——〉数字量——〉数字显示（直观）。——数字电压表（DVM），数字多用表（DMM）。
3）交流电压的数字化测量交流电压（有效值、峰值和平均值）——〉直流电压——〉A/D转换器——〉数字量——〉数字显示。——DVM（DMM）的扩展功能。
4）基于采样的交流电压测量方法
交流电压——〉A/D转换器——〉瞬时采样值u(k) ——〉计算。
如根据， N为u(t)的一个周期内的采样点数可计算得到有效值。
1） 示波测量方法
交流电压——〉模拟或数字示波器——〉显示波形——〉读出结果。
——示波器可认为是一种广义电压测量仪器。
小结：本结应掌握电压测量的基本原理和方法
作业：5－1