電子測量與儀器-電子計數(shù)器

第五章頻率和時間的測量知識要點：電子計數(shù)器的組成和分類電子計數(shù)器的主要技術(shù)指標電子計數(shù)器的工作原理電子計數(shù)器的測量誤差★

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目前，在電子測量中，時間和頻率的測量精確度是最高的。時間測量的精密度可小于10-18,準確度可達10-15。這使時間頻率在計量、測量領域中起到十分突出的領先和獨特作用。在通信、航空航天、武器裝備、科學試驗、醫(yī)療、工業(yè)自動化等民用和軍事方面都存在時頻測量。在檢測技術(shù)中，常常將一些非電量或其它電參量轉(zhuǎn)換成頻率進行測量。

第一節(jié)概述一、時間和頻率的基本概念

“時刻”——即某個事件何時發(fā)生“時間間隔”——即事件從某一時刻發(fā)生到另一時刻結(jié)束，該事件持續(xù)了多久1、時間有兩個含義：

式中

f——頻率，用赫茲（HZ）表示；

T——周期過程的周期時間2、頻率的概念：一、時間和頻率的基本概念

周期性現(xiàn)象，是指經(jīng)過一段相等的時間間隔又出現(xiàn)相同狀態(tài)的現(xiàn)象，在數(shù)學上可用一個周期函數(shù)來表示所謂周期性現(xiàn)象。周期信號在單位時間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)（周期數(shù)）。如果在一定時間間隔T內(nèi)周期信號重復變化了N次，則頻率可表達為：f＝N/T對一個周期現(xiàn)象來說，周期和頻率都是描述它的重要參數(shù)。周期與頻率互為倒數(shù)關系，只要測出其中一個，便可取倒數(shù)而求得另一個。3、常用的頻率測量方法◆頻率的測量方法可以分為：直接法測量比較法測量電子計數(shù)器測量諧振法電橋法拍頻法外差法示波法一、時間和頻率的基本概念

（1）直接法

指直接利用電路的某種頻率響應特性來測量頻率的方法。電橋法和諧振法是這類測量方法的典型代表。（2）比對法

是利用標準頻率與被測頻率進行比較來測量頻率。其測量準確度主要取決于標準頻率的準確度。拍頻法、外差法及計數(shù)器測頻法是這類測量方法的典型代表。

（3）電子計數(shù)器

是利用電子計數(shù)器來進行頻率測量。一、時間和頻率的基本概念

3、常用的頻率測量方法二、時間與頻率的標準1、世界時（UT時)最初的時間（頻率）標準是由天文觀測得到的。以地球自轉(zhuǎn)周期為標準測定的時間叫世界時。2、原子時（AT)利用原子或分子內(nèi)部能級躍遷所輻射或吸收的電磁波的頻率為基準來計量時間。各種測量方法有著不同的實現(xiàn)原理，其復雜程度不同。各種測量方法有著不同的測量準確度和適用的頻率范圍。數(shù)字化電子計數(shù)器法是時間、頻率測量的主要方法，具有精度高、速度快、使用簡便等優(yōu)點，因此得到了廣泛應用，是本任務的重點。二、時間與頻率的標準工作原理

1、時間——數(shù)字轉(zhuǎn)換原理三、時間與頻率的數(shù)字轉(zhuǎn)換原理時間或頻率（模擬量）A/D數(shù)字量計數(shù)顯示把被轉(zhuǎn)換的時間TX與標準時間間隔t0進行比較，取整量化數(shù)字N，即式中：±1——量化誤差比較電路常用一個與門電路來實現(xiàn)

1、時間——數(shù)字轉(zhuǎn)換原理A——標準時間間隔t0作為時標信號B——TX作為閘門信號（或門控信號）三、時間與頻率的數(shù)字轉(zhuǎn)換原理比較電路常用一個與門電路來實現(xiàn)

2、頻率——數(shù)字轉(zhuǎn)換原理把被轉(zhuǎn)換的頻率fX與標準頻率F0進行比較，取整量化數(shù)字N，即式中：±1——量化誤差三、時間與頻率的數(shù)字轉(zhuǎn)換原理

2、頻率——數(shù)字轉(zhuǎn)換原理比較電路同樣一個與門電路來實現(xiàn)？？思考：與門電路兩個輸入端此時應分別加入什么信號？A——轉(zhuǎn)換的頻率fX作為時標信號B——標準頻率f0對應的標準時間T0作為閘門信號（或門控信號）三、時間與頻率的數(shù)字轉(zhuǎn)換原理

將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量時所產(chǎn)生的誤差叫量化誤差，其大小為±1一個字3、量化誤差寬度同為Tx的閘門信號，由于通過主門時與計數(shù)脈沖不同步而帶來的計數(shù)值一個為6，一個為5。三、時間與頻率的數(shù)字轉(zhuǎn)換原理一、電子計數(shù)器的基本組成第二節(jié)電子計數(shù)器A輸入通道閘門十進制計數(shù)顯示門控電路邏輯控制電路B輸入通道測頻累加計數(shù)測時間倍頻器晶振分頻器時標選擇標準時間產(chǎn)生電路閘門時間選擇人工觸發(fā)功能變換1、輸入電路又稱輸入通道，首先將被測信號，放大和整形為脈沖信號，其重復頻率等于被測信號的頻率。施密特觸發(fā)電路：利用施密特觸發(fā)器的回差特性，對輸入信號具有較好的抗干擾作用。實現(xiàn)整量化的比較電路。主門常是一個可以控制的與門電路。一、電子計數(shù)器的基本組成2、主門電路一、電子計數(shù)器的基本組成2、主門電路

標準時間間隔t0和標準頻率F0是由時基電路產(chǎn)生的。它有兩個要求。（1）首先是要有足夠的準確度和穩(wěn)定度。（2）其次是要求多值性。其內(nèi)部的晶體振蕩器（也可外接），通過倍頻或分頻得到。再通過門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器得到“門控信號”。3、時基信號產(chǎn)生與變換電路如：若f0=1MHZ,經(jīng)106分頻后，可得到fs=1HZ（周期TS=1s）的時基信號，經(jīng)過門控雙穩(wěn)態(tài)電路得到寬度為TS=1s的門控信號。計數(shù)用的時標信號常有1us、

10us、0.1ms、1ms等；閘門信號常有1ms、10ms、0.1s、1s、10s。一、電子計數(shù)器的基本組成為了便于觀察和讀數(shù)，通常使用十進制計數(shù)電路。

計數(shù)電路對通過主門的脈沖進行計數(shù)（計數(shù)值代表了被測頻率或時間），并通過數(shù)碼顯示器將測量結(jié)果直觀地顯示出來。4、計數(shù)與顯示電路一、電子計數(shù)器的基本組成

產(chǎn)生各種控制信號，協(xié)調(diào)各部件電路的工作，使計數(shù)器按照工作程序：5、邏輯控制電路一、電子計數(shù)器的基本組成

計數(shù)——顯示——復零——準備下一次測量來進行工作。準備期（復零，等待）測量期（開門，計數(shù)）顯示期（關門，停止計數(shù)）二、電子計數(shù)器的分類按功能的不同，電子計數(shù)器可以分為四大類：1、通用計數(shù)器通用電子計數(shù)器即多功能電子計數(shù)器。它可以測量頻率、頻率比、周期、時間間隔及累加計數(shù)等，通常還具有自檢功能。2、頻率計數(shù)器頻率計數(shù)器是指專門用于測量高頻和微波頻率的電子計數(shù)器，它具有較寬的頻率范圍。

二、電子計數(shù)器的分類3、時間間隔計數(shù)器測量兩個電信號之間的時間間隔，也可以測量一個周期信號的周期、脈沖寬度、占空系數(shù)、上升時間和下降時間。4、特種計數(shù)器特種計數(shù)器是指具有特殊功能的電子計數(shù)器。如可逆計數(shù)器、預置計數(shù)器、程序計數(shù)器和差值計數(shù)器等，它們主要用于工業(yè)生產(chǎn)自動化，尤其在自動控制和自動測量方面。最高計數(shù)頻率小于10MHz二、電子計數(shù)器的分類按直接計數(shù)的最高頻率可分為四大類：1、低速計數(shù)器2、中速計數(shù)器計數(shù)頻率范圍在10——100MHz3、高速計數(shù)器最高計數(shù)頻率大于100MHz4、微波計數(shù)器計數(shù)頻率范圍在1——80GHz或更高三、電子計數(shù)器技術(shù)指標1、測量功能

即儀器所具備的全部測試功能，如測頻、測周、測量頻率比、測量時間間隔、累計脈沖個數(shù)及自校等功能。2、測量范圍

測量范圍即儀器的有效測量范圍，如測頻時的頻率上限和下限，測周時的周期最大值和最小值。3、輸入特性

（1）輸入靈敏度

輸入靈敏度是為保證儀器準確完成測試功能所需的最小輸入電壓。

最高輸入電壓即允許輸入的最大電壓，超過該電壓儀器不能正常工作，甚至損壞。輸入耦合方式有AC和DC兩種方式。AC耦合是指選擇輸入端交流成分加到電子計數(shù)器。DC耦合即直接耦合，輸入端信號直接加到電子計數(shù)器上。B、C通道用于控制門控電路的工作狀態(tài)，只有被測信號達到一定的觸發(fā)電平時，門控電路的狀態(tài)才能翻轉(zhuǎn)，閘門才能適時地開啟關閉，從而測出時間間隔等參量。因此，觸發(fā)電平必須連續(xù)可調(diào)、具備一定的可調(diào)范圍。三、電子計數(shù)器技術(shù)指標（2）最高輸入電壓（3）輸入耦合方式（4）觸發(fā)電平及其可調(diào)范圍

測量準確度常用測量誤差來表示。

輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容。（5）輸入阻抗三、電子計數(shù)器技術(shù)指標4、測量準確度閘門時間和時標由標準時間電路產(chǎn)生的信號決定?？梢蕴峁┑拈l門時間和時標信號有多種。6、閘門時間和時標5、晶振頻率的穩(wěn)定度

常用日穩(wěn)定度表示，一般在±1×10-5/d～±1×10-9/d三、電子計數(shù)器技術(shù)指標7、顯示及工作方式（1）顯示位數(shù)顯示位數(shù)是指可以顯示的數(shù)字位數(shù)。（2）顯示時間顯示時間是指兩次測量之間顯示結(jié)果的時間，一般可調(diào)。（3）顯示器件顯示器件是指顯示測量結(jié)果或測量狀態(tài)的器件，如數(shù)碼管、發(fā)光管、液晶顯示器等。（4）顯示方式顯示方式有記憶顯示和非記憶顯示兩種方式。記憶顯示只顯示最終結(jié)果，不顯示正在計數(shù)的過程，實際顯示的數(shù)字是剛結(jié)束的一次測量結(jié)果，顯示的數(shù)字保留至下一次計數(shù)過程結(jié)束時再刷新。非記憶顯示方式時，還可顯示正在計數(shù)的過程。三、電子計數(shù)器技術(shù)指標輸出是指儀器可輸出的時標信號種類、輸出數(shù)碼的編碼方式及輸出電平。8、輸出四、電子計數(shù)器測量功能四、電子計數(shù)器測量功能1、測頻（功能開關置于“2”）1、測頻

對于同一被測信號，如果選擇不同的閘門時間，則計數(shù)值N是不同的。四、電子計數(shù)器測量功能1、測頻

例如，被測信號fx=1000KHz，當T0=1s時，測得N=100000，若顯示器的單位采用KHz，則顯示1000.000KHz；當T0=0.1s時，測得N=100000，顯示1000.00KHz；當T0=10s時，測得N=10000000，顯示1000.0000KHz。

顯示結(jié)果的有效數(shù)字末位的意義，它表示了頻率測量的分辨力。四、電子計數(shù)器測量功能2、測周期（功能開關置于“3”）四、電子計數(shù)器測量功能2、測周期

在周期TX的時間內(nèi)，對時標信號t0計數(shù)，計數(shù)結(jié)果為N，則被測周期為：TX=Nt0例如，時標t0=1us，若計數(shù)值N=100000，則顯示的TX為“100000”us，或“100.000”ms。如時標t0=10us，則計數(shù)值N=10000，顯示的TX為“100.00”ms。一次測量時間即為一個周期TX，TX越大（頻率越低）則測量時間越長；計數(shù)值N與時標有關，時標越小分辨力越高。四、電子計數(shù)器測量功能2、測周期（多周期倍乘）如果待測周期較短時，可以用多周期倍乘的方法提高測量精度。在多周期測量中，B通道和門控之間插入n級十進分頻器，即周期倍乘率，把開關門時間擴展10n倍。多周期測量法測出的結(jié)果實際上是對多個周期的平均值：即周期倍乘率通常有×1、×10、×102、×103、×104等。四、電子計數(shù)器測量功能3、測頻率比頻率比是指A、B通道兩路電路的頻率之比，功能開關置于“4”。TB=1/fB放大整形電路B閘門計數(shù)顯示門控電路放大整形電路AfA=1/TATB

TATBTAfA（B通道）（A通道）fB四、電子計數(shù)器測量功能3、測頻率比頻率較高者由A通道輸入，頻率較低者