NO3電子測量與儀器應用

電子測量與

儀器應用模塊三頻率和時間測量學習單元一頻率和時間測量的基本方法學習單元二電子計數(shù)器學習單元三電子計數(shù)器的測量誤差目錄學習單元四通用電子計數(shù)器實例學習單元一頻率和時間測量的基本方法在相等的時間間隔內(nèi)重復發(fā)生的現(xiàn)象稱為周期現(xiàn)象，該時間間隔稱為周期。在單位時間內(nèi)周期性過程重復、循環(huán)或振動的次數(shù)稱為頻率，單位為Hz。頻率和時間互為倒數(shù)，可以互相轉(zhuǎn)換，因此本單元主要介紹頻率的測量方法。頻率的范圍很寬，在不同的頻率范圍，其測量方法也不同。測量頻率的方法有很多，按照其工作原理分為無源測頻法、有源比較法、頻率-電壓變換法、示波器法和計數(shù)法等。無源測頻法是利用電路的頻率響應特性測量頻率；比較法是利用已知的參數(shù)頻率同被測頻率進行比較而測得被測頻率；計數(shù)法實際上屬于比較法，其中的電子計數(shù)器是一種最常見、最基本的數(shù)字化測量儀器。引言無源測頻法一、學習單元一頻率和時間測量的基本方法諧振法測頻的基本原理如圖3-1所示。被測信號經(jīng)互感M與LC串聯(lián)諧振回路進行耦合，改變可變電容器C，使回路發(fā)生串聯(lián)諧振。諧振時回路電流I達到最大。被測頻率fx可用以下表達式計算：無源測頻法一、學習單元一頻率和時間測量的基本方法凡是平衡條件與頻率有關(guān)的任何電橋都可用來測頻,但要求電橋的頻率特性盡可能尖銳。測頻電橋的種類有很多，常用的有文氏電橋、諧振電橋和雙T電橋。通常采用如圖3－2所示的文氏電橋來進行測量。有源比較測頻法二、學習單元一頻率和時間測量的基本方法拍頻法是將被測信號與標準信號經(jīng)線性元件（如耳機、電壓表）直接進行疊加來實現(xiàn)頻率測量的，其原理電路如圖3-3（a）所示。有源比較測頻法二、學習單元一頻率和時間測量的基本方法高頻段測頻常用差頻法。差頻法是利用非線性器件和標準信號對被測信號進行差頻變換來實現(xiàn)頻率測量的，其原理如圖3-4所示。頻率－電壓變換法三、學習單元一頻率和時間測量的基本方法頻率-電壓變換法先把頻率變換為電壓或電流，然后以頻率刻度的電壓表或電流表來指示被測頻率。頻率-電壓變換法測正弦波頻率原理框圖如圖3－5（a)所示。首先把正弦信號變換為頻率與之相等的尖脈沖uA，然后加至單穩(wěn)多諧振蕩器，產(chǎn)生頻率為fx、寬度為τ、幅度為Um的矩形脈沖列uB（t），如圖3－5（b)所示。經(jīng)推導得知頻率－電壓變換法三、學習單元一頻率和時間測量的基本方法當Um、τ一定時，Uo指示就構(gòu)成頻率-電壓變換型直讀式頻率計，電壓表直接按頻率刻度。最高頻率可達幾兆赫。示波法三、學習單元一頻率和時間測量的基本方法用示波器測量信號頻率的方法很多，下面介紹常用的兩種基本方法。基本方法1．測周期法2．李沙育圖形法示波法三、學習單元一頻率和時間測量的基本方法李沙育圖形法將被測信號和標準頻率信號分別接到示波器Y軸和X軸（X－Y圖示方式），當被測信號與標準頻率信號相等時，顯示為斜線（橢圓或圓）。其原理框圖如圖3－6所示。電子計數(shù)器測頻率（周期）十分普遍，具有精度高、使用方便、測量迅速以及便于實現(xiàn)測量自動化等優(yōu)點。本單元將對電子計數(shù)器做重點介紹。引言學習單元二電子計數(shù)器電子計數(shù)器的分類一、學習單元二電子計數(shù)器（1）通用電子計數(shù)器（3）計算計數(shù)器（2）頻率計數(shù)器（4）特種計數(shù)器電子計數(shù)器的組成二、學習單元二電子計數(shù)器如圖3－7所示為通用電子計數(shù)器組成框圖，主要由輸入通道、十進制計數(shù)器、標準時間產(chǎn)生電路和邏輯控制電路組成。電子計數(shù)器的組成二、學習單元二電子計數(shù)器輸入通道十進制計數(shù)器標準時間產(chǎn)生電路邏輯控制電路1243通用電子計數(shù)器三、學習單元二電子計數(shù)器周期性信號在單位時間內(nèi)重復的次數(shù)稱為頻率，即通用電子計數(shù)器三、學習單元二電子計數(shù)器頻率的倒數(shù)就是周期，通用電子計數(shù)器測量周期的原理與測頻原理相似，其原理框圖如圖3－9所示。通用電子計數(shù)器三、學習單元二電子計數(shù)器頻率比即兩個信號的頻率之比，通用電子計數(shù)器測量頻率比原理框圖如圖3－10所示。其測量原理與測量頻率的原理相似。通用電子計數(shù)器三、學習單元二電子計數(shù)器累加計數(shù)是指在限定時間內(nèi)，對輸入信號重復次數(shù)（即放大整形后的計數(shù)脈沖個數(shù)）進行累加。其測量原理與測量頻率是相似的，不過此時門控電路改由人工控制。其原理框圖如圖3－11所示，當開關(guān)S打在啟動位置時，閘門開啟，計數(shù)脈沖進入計數(shù)器計數(shù)，當開關(guān)S打在終止位置時，閘門關(guān)閉，終止計數(shù)，累加計數(shù)結(jié)果由顯示電路顯示。通用電子計數(shù)器三、學習單元二電子計數(shù)器如圖3－12所示為測量時間間隔原理框圖，其測量原理與測量周期原理相似，不過控制閘門啟閉的是兩個（或單個）輸入信號在不同點產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生由觸發(fā)器的觸發(fā)電平與觸發(fā)極性選擇開關(guān)來控制。通用電子計數(shù)器三、學習單元二電子計數(shù)器通用電子計數(shù)器三、學習單元二電子計數(shù)器當測量兩個信號的時間間隔時，開關(guān)S1處于“單獨”位置，測時間間隔示意圖如圖3－13所示。通用電子計數(shù)器三、學習單元二電子計數(shù)器大多數(shù)電子計數(shù)器都具有自檢（即自校）功能，它可以檢查儀器自身的邏輯功能以及電路的工作是否正常，其原理框圖如圖3－14所示。電子計數(shù)器具有多種功能，每個功能的誤差表達形式是不一樣的。電子計數(shù)器的測量誤差習慣用相對誤差的形式來表示。引言學習單元三電子計數(shù)器的測量誤差測量誤差的來源一、學習單元三電子計數(shù)器的測量誤差量化誤差是在將模擬量變換為數(shù)字量的量化過程中產(chǎn)生的誤差，是數(shù)字化儀器所特有的誤差，是不可消除的誤差。如圖3－15所示，雖然閘門開啟時間均為T，但因為閘門開啟時刻不一樣，計數(shù)值一個為9，另一個卻為8，兩個計數(shù)值相差1。量化誤差的特點：無論計數(shù)值N為多少，每次的計數(shù)值總是相差±1，即ΔN=±1。因此，量化誤差又稱為±1誤差或±1字誤差。又因為量化誤差是在十進制計數(shù)器的計數(shù)過程中產(chǎn)生的，故又稱為計數(shù)誤差。測量誤差的來源一、學習單元三電子計數(shù)器的測量誤差量化誤差的相對誤差為測量誤差的來源一、學習單元三電子計數(shù)器的測量誤差觸發(fā)誤差又稱為變換誤差。如圖3－16所示為觸發(fā)誤差產(chǎn)生示意圖。測量誤差的來源一、學習單元三電子計數(shù)器的測量誤差經(jīng)推導得知，觸發(fā)誤差的相對誤差等于為了減小測周時觸發(fā)誤差的影響，除了盡量提高被測信號的信噪比外，還可以采用多周期測量法測量周期，即增大B通道分頻器分頻次數(shù)。觸發(fā)誤差對測量周期的影響較大，而對測量頻率的影響較小，所以測頻時一般不考慮觸發(fā)誤差的影響。測量誤差的來源一、學習單元三電子計數(shù)器的測量誤差標準頻率誤差是指由晶振信號的不穩(wěn)定等原因而產(chǎn)生的誤差。測頻時，晶振信號用來產(chǎn)生門控信號（即時基信號），此時標準頻率誤差稱為時基誤差；測周時，晶振信號用來產(chǎn)生時標信號，此時標準頻率誤差稱為時標誤差。一般情況下，由于標準頻率誤差較小，可以不予考慮。測量誤差的分析二、學習單元三電子計數(shù)器的測量誤差經(jīng)推導得知，測頻量化誤差等于由此可見，要減小量化誤差對測頻的影響，應設法增大計數(shù)值N。即在A通道中選用倍頻次數(shù)m較大的倍頻器，亦即選用短時標信號；在B通道中增大分頻次數(shù)Kf，亦即延長閘門時間；可以直接測量高頻信號的頻率，否則，測出周期后再進行換算，該方法屬于間接測量法，這是由測周誤差的特性所決定的。測量誤差的分析二、學習單元三電子計數(shù)器的測量誤差1）測周量化誤差經(jīng)推導得知，測周量化誤差為2）測周觸發(fā)誤差減小測周觸發(fā)誤差的方法如式（3－2）結(jié)論所述，不再贅述。綜上所述，多周期測量法以及提高信噪比、選用短時標信號等方法，可以減小測量周期的誤差。頻率擴展技術(shù)三、學習單元三電子計數(shù)器的測量誤差如圖3－17所示為手動外差降頻變換法擴頻原理框圖，它的輸入信號與調(diào)諧濾波器的輸出混頻后產(chǎn)生差頻信號，該差頻信號頻率剛好落在計數(shù)電路頻率范圍內(nèi)而獲得頻率讀數(shù)。頻率擴展技術(shù)三、學習單元三電子計數(shù)器的測量誤差如圖3－18所示，預定標法數(shù)字頻率計與通用計數(shù)器的區(qū)別就是對被測信號進行N分頻，即預定標。電子計數(shù)器的型號很多，但是它們的基本使用方法是類似的。這里以E312A型通用計數(shù)器為例，介紹其技術(shù)指標、面板裝置以及使用步驟。E312A型通用電子計數(shù)器是采用大規(guī)模集成電路的數(shù)字式儀器，采用LED顯示，具有讀數(shù)直觀、測量快速、準確和使用方便等優(yōu)點。引言學習單元四通用電子計數(shù)器實例主要技術(shù)性能一、學習單元四通用電子計數(shù)器實例

（1）頻率測量范圍為10Hz～10MHz，閘門時間分10ms、0.1s、1s、10s四種。

（2）周期測量范圍為0.4μs～10s。

（3）脈沖時間間隔測量范圍為0.25～（107-1）μs。

（4）具有A、B兩個輸入通道，頻率比測量時A通道輸入頻率范圍為10Hz~10MHz，B通道輸入頻率范圍為lHz～2.5MHz。

（5）計數(shù)時最大計數(shù)值為108-1。主要技術(shù)性能一、學習單元四通用電子計數(shù)器實例

（6）A、B兩個輸入端輸入阻抗相同，輸入電阻≥500kΩ，輸入電容≤30pF。

（7）使用8位LED顯示，十進制讀數(shù)，單位為kHz，小數(shù)點可自動定位。

（8）工作方式有自動復原、人工復原和保持三種。

（9）自動復原為0.2s+測量時間，人工復原需按人工復原鍵后測量才能重新開始。在保持位置則顯示的讀數(shù)不變。

（10）晶振標準頻率為5MHz，頻率準確度為±5×10-8，頻率穩(wěn)定度為1×10-8/日。測量功能與使用說明二、學習單元四通用電子計數(shù)器實例E312A型通用電子計數(shù)器可進行自校、頻率、周期、時間、計數(shù)、插測、A/B七種功能的測量。插測擋可作為E312A儀器的功能擴展之用。在輸入電路內(nèi)有三態(tài)燈指示電路，用來檢測整形器是否工作正常。工作時指示燈閃亮，不工作時則為常亮或常滅。功能選擇和閘門時間選擇通過在輸入端接入不同的掃描位驅(qū)動脈沖來實現(xiàn)。在面板上按下某一功能按鍵后，集成電路內(nèi)部則依照該按鍵的要求連接好內(nèi)部電路，使測量邏輯功能發(fā)生相應變化。前面板各部分的名稱和作用三、學習單元四通用電子計數(shù)器實例（1）電源開關(guān)。開關(guān)鍵按下為機內(nèi)電源接通，儀器可正常工作。（2）復原鍵。每按一次，產(chǎn)生一次人工復原信號。（3）功能選擇模塊。前面板各部分的名稱和作用三、學習單元四通用電子計數(shù)器實例E312A型通用計數(shù)器的面板圖如圖3－20所示。前面板各部分的名稱和作用三、學習單元四通用電子計數(shù)器實例前面板各部分的名稱和作用三、學習單元四通用電子計數(shù)器實例前面板各部分的名稱和作用三、學習單元四通用電子計數(shù)器實例（1）電源開關(guān)。（2）復原鍵。（3）功能選擇模塊。（4）閘門選擇模塊。（5）閘門指示。（6）晶振指示。（7）顯示器。（8）單位指示。（9）A輸入插座。（10）B輸入插座。（11）分－合鍵。（12）輸入信號衰減鍵。（13）斜率選擇鍵。（14）觸發(fā)電平調(diào)節(jié)器。（15）觸發(fā)電平指示燈。（16）內(nèi)插件位置。（2)檢查后面板“內(nèi)接、外接”選擇開關(guān)位置是否正確，當采用機內(nèi)晶振時，應處于“內(nèi)接”位置。（3）儀器預熱3min能正常工作，預熱2h能達到技術(shù)指標規(guī)定的穩(wěn)定度。（1）先仔細檢查工作電源，確認電壓在220V±10%范圍內(nèi)，方可將電源線插頭插入本機后面板上電源插座內(nèi)。通用電子計數(shù)器的使用四、學習單元四通用電子計數(shù)器實例通用電子計數(shù)器的使用四、學習單元四通用電子計數(shù)器實例使用E312A型通用計數(shù)器進行測量之前，可對儀器進行“自?！睋鯗y量以判斷儀器工作的正常與否。前面板的三位撥動開關(guān)撥至“自校”位置，選擇閘門選擇模塊的不同閘門，時標信號為10MHz，顯示的測量結(jié)果應符合表3－1所示的自校讀數(shù)。通用電子計數(shù)器的使用四、學習單元四通用電子計數(shù)器實例前面板的功能選擇模塊中的三位撥動開關(guān)置中間位置，意味著下面方塊中的五種功能選擇起作用，繼而按下頻率鍵，表示儀器已進入頻率測量功能。閘門模塊中的四擋閘門的選擇通?？筛鶕?jù)被測頻率的數(shù)值而定，頻率高時可選擇取樣率較高的短閘門時間，頻率低時一般選長的閘門時間。通道部分的分合鍵彈出，由A輸入端送入適當幅度（當輸入幅度大時，可通過輸入信號衰減按鍵予以衰減）的被測信號。若被測信號為正弦波，則送入后即可正常顯示，若被測信號是脈沖波、三角波、鋸齒波，則需將觸發(fā)電平調(diào)節(jié)器拉出，調(diào)節(jié)觸發(fā)電平，此時即可正常顯示被測信號的頻率。通用電子計數(shù)器的使用四、學習單元四通用電子計數(shù)器實例前面板的功能選擇模塊中的三位撥動開關(guān)置中間位置，按下周期鍵，此時閘門選擇模塊的按鍵為倍乘率的選擇，可根據(jù)被測周期的長短來選擇倍乘率，被測周期短時，可選擇適當倍乘以提高測量精度，被測周期較長可選擇100鍵直接進行測量，這時若倍乘率選得太大就會等待很長時間，才能顯示測量結(jié)果或超出測量正常范圍，以致誤認為機器工作不正常。由于本儀器輸入靈敏度較高，當被測信號的信噪比較低時，一般應在輸入端加接低通濾波器和適當選擇倍乘率來提高測量的準確性。通用電子計數(shù)器的使用四、學習單元四通用電子計數(shù)器實例前面板功能選擇模塊中的三位撥動開關(guān)置中間位置，按下時間鍵，此時閘門選擇模塊的按鍵為取樣次數(shù)的選擇，可根據(jù)被測時間間隔的長短來選擇取樣次數(shù)，間隔較長時，應選擇較小的取樣次數(shù)或選擇100鍵，直接測量時間間隔，這時如取樣次數(shù)太大，同樣會等待很長時間才能顯示，或者超出正常測量范圍。觸發(fā)電平調(diào)節(jié)推拉電位器在本測量功能時始終可調(diào)，在適當幅度的作用下（單線時共用A路衰減器，雙線時使用各自衰減器），調(diào)節(jié)電位