NO3電子測(cè)量與儀器應(yīng)用

電子測(cè)量與

儀器應(yīng)用模塊三頻率和時(shí)間測(cè)量學(xué)習(xí)單元一頻率和時(shí)間測(cè)量的基本方法學(xué)習(xí)單元二電子計(jì)數(shù)器學(xué)習(xí)單元三電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差目錄學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例學(xué)習(xí)單元一頻率和時(shí)間測(cè)量的基本方法在相等的時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)發(fā)生的現(xiàn)象稱為周期現(xiàn)象，該時(shí)間間隔稱為周期。在單位時(shí)間內(nèi)周期性過程重復(fù)、循環(huán)或振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率，單位為Hz。頻率和時(shí)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(cè)量方法。頻率的范圍很寬，在不同的頻率范圍，其測(cè)量方法也不同。測(cè)量頻率的方法有很多，按照其工作原理分為無源測(cè)頻法、有源比較法、頻率-電壓變換法、示波器法和計(jì)數(shù)法等。無源測(cè)頻法是利用電路的頻率響應(yīng)特性測(cè)量頻率；比較法是利用已知的參數(shù)頻率同被測(cè)頻率進(jìn)行比較而測(cè)得被測(cè)頻率；計(jì)數(shù)法實(shí)際上屬于比較法，其中的電子計(jì)數(shù)器是一種最常見、最基本的數(shù)字化測(cè)量儀器。引言無源測(cè)頻法一、學(xué)習(xí)單元一頻率和時(shí)間測(cè)量的基本方法諧振法測(cè)頻的基本原理如圖3-1所示。被測(cè)信號(hào)經(jīng)互感M與LC串聯(lián)諧振回路進(jìn)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(shí)回路電流I達(dá)到最大。被測(cè)頻率fx可用以下表達(dá)式計(jì)算：無源測(cè)頻法一、學(xué)習(xí)單元一頻率和時(shí)間測(cè)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(cè)頻,但要求電橋的頻率特性盡可能尖銳。測(cè)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(jìn)行測(cè)量。有源比較測(cè)頻法二、學(xué)習(xí)單元一頻率和時(shí)間測(cè)量的基本方法拍頻法是將被測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)線性元件（如耳機(jī)、電壓表）直接進(jìn)行疊加來實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量的，其原理電路如圖3-3（a）所示。有源比較測(cè)頻法二、學(xué)習(xí)單元一頻率和時(shí)間測(cè)量的基本方法高頻段測(cè)頻常用差頻法。差頻法是利用非線性器件和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行差頻變換來實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量的，其原理如圖3-4所示。頻率－電壓變換法三、學(xué)習(xí)單元一頻率和時(shí)間測(cè)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(cè)頻率。頻率-電壓變換法測(cè)正弦波頻率原理框圖如圖3－5（a)所示。首先把正弦信號(hào)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(dǎo)得知頻率－電壓變換法三、學(xué)習(xí)單元一頻率和時(shí)間測(cè)量的基本方法當(dāng)Um、τ一定時(shí)，Uo指示就構(gòu)成頻率-電壓變換型直讀式頻率計(jì)，電壓表直接按頻率刻度。最高頻率可達(dá)幾兆赫。示波法三、學(xué)習(xí)單元一頻率和時(shí)間測(cè)量的基本方法用示波器測(cè)量信號(hào)頻率的方法很多，下面介紹常用的兩種基本方法?；痉椒?．測(cè)周期法2．李沙育圖形法示波法三、學(xué)習(xí)單元一頻率和時(shí)間測(cè)量的基本方法李沙育圖形法將被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)分別接到示波器Y軸和X軸（X－Y圖示方式），當(dāng)被測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)相等時(shí)，顯示為斜線（橢圓或圓）。其原理框圖如圖3－6所示。電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻率（周期）十分普遍，具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。本單元將對(duì)電子計(jì)數(shù)器做重點(diǎn)介紹。引言學(xué)習(xí)單元二電子計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器的分類一、學(xué)習(xí)單元二電子計(jì)數(shù)器（1）通用電子計(jì)數(shù)器（3）計(jì)算計(jì)數(shù)器（2）頻率計(jì)數(shù)器（4）特種計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器的組成二、學(xué)習(xí)單元二電子計(jì)數(shù)器如圖3－7所示為通用電子計(jì)數(shù)器組成框圖，主要由輸入通道、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路和邏輯控制電路組成。電子計(jì)數(shù)器的組成二、學(xué)習(xí)單元二電子計(jì)數(shù)器輸入通道十進(jìn)制計(jì)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生電路邏輯控制電路1243通用電子計(jì)數(shù)器三、學(xué)習(xí)單元二電子計(jì)數(shù)器周期性信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)的次數(shù)稱為頻率，即通用電子計(jì)數(shù)器三、學(xué)習(xí)單元二電子計(jì)數(shù)器頻率的倒數(shù)就是周期，通用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期的原理與測(cè)頻原理相似，其原理框圖如圖3－9所示。通用電子計(jì)數(shù)器三、學(xué)習(xí)單元二電子計(jì)數(shù)器頻率比即兩個(gè)信號(hào)的頻率之比，通用電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率比原理框圖如圖3－10所示。其測(cè)量原理與測(cè)量頻率的原理相似。通用電子計(jì)數(shù)器三、學(xué)習(xí)單元二電子計(jì)數(shù)器累加計(jì)數(shù)是指在限定時(shí)間內(nèi)，對(duì)輸入信號(hào)重復(fù)次數(shù)（即放大整形后的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)）進(jìn)行累加。其測(cè)量原理與測(cè)量頻率是相似的，不過此時(shí)門控電路改由人工控制。其原理框圖如圖3－11所示，當(dāng)開關(guān)S打在啟動(dòng)位置時(shí)，閘門開啟，計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)開關(guān)S打在終止位置時(shí)，閘門關(guān)閉，終止計(jì)數(shù)，累加計(jì)數(shù)結(jié)果由顯示電路顯示。通用電子計(jì)數(shù)器三、學(xué)習(xí)單元二電子計(jì)數(shù)器如圖3－12所示為測(cè)量時(shí)間間隔原理框圖，其測(cè)量原理與測(cè)量周期原理相似，不過控制閘門啟閉的是兩個(gè)（或單個(gè)）輸入信號(hào)在不同點(diǎn)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(jì)數(shù)器三、學(xué)習(xí)單元二電子計(jì)數(shù)器通用電子計(jì)數(shù)器三、學(xué)習(xí)單元二電子計(jì)數(shù)器當(dāng)測(cè)量兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間間隔時(shí)，開關(guān)S1處于“單獨(dú)”位置，測(cè)時(shí)間間隔示意圖如圖3－13所示。通用電子計(jì)數(shù)器三、學(xué)習(xí)單元二電子計(jì)數(shù)器大多數(shù)電子計(jì)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(jì)數(shù)器具有多種功能，每個(gè)功能的誤差表達(dá)形式是不一樣的。電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差習(xí)慣用相對(duì)誤差的形式來表示。引言學(xué)習(xí)單元三電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差測(cè)量誤差的來源一、學(xué)習(xí)單元三電子計(jì)數(shù)器的測(cè)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(shí)間均為T，但因?yàn)殚l門開啟時(shí)刻不一樣，計(jì)數(shù)值一個(gè)為9，另一個(gè)卻為8，兩個(gè)計(jì)數(shù)值相差1。量化誤差的特點(diǎn)：無論計(jì)數(shù)值N為多少，每次的計(jì)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?yàn)榱炕`差是在十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)過程中產(chǎn)生的，故又稱為計(jì)數(shù)誤差。測(cè)量誤差的來源一、學(xué)習(xí)單元三電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差量化誤差的相對(duì)誤差為測(cè)量誤差的來源一、學(xué)習(xí)單元三電子計(jì)數(shù)器的測(cè)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(cè)量誤差的來源一、學(xué)習(xí)單元三電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差經(jīng)推導(dǎo)得知，觸發(fā)誤差的相對(duì)誤差等于為了減小測(cè)周時(shí)觸發(fā)誤差的影響，除了盡量提高被測(cè)信號(hào)的信噪比外，還可以采用多周期測(cè)量法測(cè)量周期，即增大B通道分頻器分頻次數(shù)。觸發(fā)誤差對(duì)測(cè)量周期的影響較大，而對(duì)測(cè)量頻率的影響較小，所以測(cè)頻時(shí)一般不考慮觸發(fā)誤差的影響。測(cè)量誤差的來源一、學(xué)習(xí)單元三電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差是指由晶振信號(hào)的不穩(wěn)定等原因而產(chǎn)生的誤差。測(cè)頻時(shí)，晶振信號(hào)用來產(chǎn)生門控信號(hào)（即時(shí)基信號(hào)），此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差稱為時(shí)基誤差；測(cè)周時(shí)，晶振信號(hào)用來產(chǎn)生時(shí)標(biāo)信號(hào)，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差稱為時(shí)標(biāo)誤差。一般情況下，由于標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差較小，可以不予考慮。測(cè)量誤差的分析二、學(xué)習(xí)單元三電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差經(jīng)推導(dǎo)得知，測(cè)頻量化誤差等于由此可見，要減小量化誤差對(duì)測(cè)頻的影響，應(yīng)設(shè)法增大計(jì)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(shí)標(biāo)信號(hào)；在B通道中增大分頻次數(shù)Kf，亦即延長閘門時(shí)間；可以直接測(cè)量高頻信號(hào)的頻率，否則，測(cè)出周期后再進(jìn)行換算，該方法屬于間接測(cè)量法，這是由測(cè)周誤差的特性所決定的。測(cè)量誤差的分析二、學(xué)習(xí)單元三電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差1）測(cè)周量化誤差經(jīng)推導(dǎo)得知，測(cè)周量化誤差為2）測(cè)周觸發(fā)誤差減小測(cè)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(cè)量法以及提高信噪比、選用短時(shí)標(biāo)信號(hào)等方法，可以減小測(cè)量周期的誤差。頻率擴(kuò)展技術(shù)三、學(xué)習(xí)單元三電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差如圖3－17所示為手動(dòng)外差降頻變換法擴(kuò)頻原理框圖，它的輸入信號(hào)與調(diào)諧濾波器的輸出混頻后產(chǎn)生差頻信號(hào)，該差頻信號(hào)頻率剛好落在計(jì)數(shù)電路頻率范圍內(nèi)而獲得頻率讀數(shù)。頻率擴(kuò)展技術(shù)三、學(xué)習(xí)單元三電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差如圖3－18所示，預(yù)定標(biāo)法數(shù)字頻率計(jì)與通用計(jì)數(shù)器的區(qū)別就是對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行N分頻，即預(yù)定標(biāo)。電子計(jì)數(shù)器的型號(hào)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(jì)數(shù)器為例，介紹其技術(shù)指標(biāo)、面板裝置以及使用步驟。E312A型通用電子計(jì)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(cè)量快速、準(zhǔn)確和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。引言學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例主要技術(shù)性能一、學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例

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

（2）周期測(cè)量范圍為0.4μs～10s。

（3）脈沖時(shí)間間隔測(cè)量范圍為0.25～（107-1）μs。

（4）具有A、B兩個(gè)輸入通道，頻率比測(cè)量時(shí)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(jì)數(shù)時(shí)最大計(jì)數(shù)值為108-1。主要技術(shù)性能一、學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例

（6）A、B兩個(gè)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(jìn)制讀數(shù)，單位為kHz，小數(shù)點(diǎn)可自動(dòng)定位。

（8）工作方式有自動(dòng)復(fù)原、人工復(fù)原和保持三種。

（9）自動(dòng)復(fù)原為0.2s+測(cè)量時(shí)間，人工復(fù)原需按人工復(fù)原鍵后測(cè)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(biāo)準(zhǔn)頻率為5MHz，頻率準(zhǔn)確度為±5×10-8，頻率穩(wěn)定度為1×10-8/日。測(cè)量功能與使用說明二、學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例E312A型通用電子計(jì)數(shù)器可進(jìn)行自校、頻率、周期、時(shí)間、計(jì)數(shù)、插測(cè)、A/B七種功能的測(cè)量。插測(cè)擋可作為E312A儀器的功能擴(kuò)展之用。在輸入電路內(nèi)有三態(tài)燈指示電路，用來檢測(cè)整形器是否工作正常。工作時(shí)指示燈閃亮，不工作時(shí)則為常亮或常滅。功能選擇和閘門時(shí)間選擇通過在輸入端接入不同的掃描位驅(qū)動(dòng)脈沖來實(shí)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(cè)量邏輯功能發(fā)生相應(yīng)變化。前面板各部分的名稱和作用三、學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例（1）電源開關(guān)。開關(guān)鍵按下為機(jī)內(nèi)電源接通，儀器可正常工作。（2）復(fù)原鍵。每按一次，產(chǎn)生一次人工復(fù)原信號(hào)。（3）功能選擇模塊。前面板各部分的名稱和作用三、學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例E312A型通用計(jì)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(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例前面板各部分的名稱和作用三、學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例前面板各部分的名稱和作用三、學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例（1）電源開關(guān)。（2）復(fù)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(hào)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(dāng)采用機(jī)內(nèi)晶振時(shí)，應(yīng)處于“內(nèi)接”位置。（3）儀器預(yù)熱3min能正常工作，預(yù)熱2h能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的穩(wěn)定度。（1）先仔細(xì)檢查工作電源，確認(rèn)電壓在220V±10%范圍內(nèi)，方可將電源線插頭插入本機(jī)后面板上電源插座內(nèi)。通用電子計(jì)數(shù)器的使用四、學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例通用電子計(jì)數(shù)器的使用四、學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例使用E312A型通用計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量之前，可對(duì)儀器進(jìn)行“自?！睋鯗y(cè)量以判斷儀器工作的正常與否。前面板的三位撥動(dòng)開關(guān)撥至“自?！蔽恢?，選擇閘門選擇模塊的不同閘門，時(shí)標(biāo)信號(hào)為10MHz，顯示的測(cè)量結(jié)果應(yīng)符合表3－1所示的自校讀數(shù)。通用電子計(jì)數(shù)器的使用四、學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例前面板的功能選擇模塊中的三位撥動(dòng)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(jìn)入頻率測(cè)量功能。閘門模塊中的四擋閘門的選擇通?？筛鶕?jù)被測(cè)頻率的數(shù)值而定，頻率高時(shí)可選擇取樣率較高的短閘門時(shí)間，頻率低時(shí)一般選長的閘門時(shí)間。通道部分的分合鍵彈出，由A輸入端送入適當(dāng)幅度（當(dāng)輸入幅度大時(shí)，可通過輸入信號(hào)衰減按鍵予以衰減）的被測(cè)信號(hào)。若被測(cè)信號(hào)為正弦波，則送入后即可正常顯示，若被測(cè)信號(hào)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(shí)即可正常顯示被測(cè)信號(hào)的頻率。通用電子計(jì)數(shù)器的使用四、學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例前面板的功能選擇模塊中的三位撥動(dòng)開關(guān)置中間位置，按下周期鍵，此時(shí)閘門選擇模塊的按鍵為倍乘率的選擇，可根據(jù)被測(cè)周期的長短來選擇倍乘率，被測(cè)周期短時(shí)，可選擇適當(dāng)倍乘以提高測(cè)量精度，被測(cè)周期較長可選擇100鍵直接進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)若倍乘率選得太大就會(huì)等待很長時(shí)間，才能顯示測(cè)量結(jié)果或超出測(cè)量正常范圍，以致誤認(rèn)為機(jī)器工作不正常。由于本儀器輸入靈敏度較高，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的信噪比較低時(shí)，一般應(yīng)在輸入端加接低通濾波器和適當(dāng)選擇倍乘率來提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。通用電子計(jì)數(shù)器的使用四、學(xué)習(xí)單元四通用電子計(jì)數(shù)器實(shí)例前面板功能選擇模塊中的三位撥動(dòng)開關(guān)置中間位置，按下時(shí)間鍵，此時(shí)閘門選擇模塊的按鍵為取樣次數(shù)的選擇，可根據(jù)被測(cè)時(shí)間間隔的長短來選擇取樣次數(shù)，間隔較長時(shí)，應(yīng)選擇較小的取樣次數(shù)或選擇100鍵，直接測(cè)量時(shí)間間隔，這時(shí)如取樣次數(shù)太大，同樣會(huì)等待很長時(shí)間才能顯示，或者超出正常測(cè)量范圍。觸發(fā)電平調(diào)節(jié)推拉電位器在本測(cè)量功能時(shí)始終可調(diào)，在適當(dāng)幅度的作用下（單線時(shí)共用A路衰減器，雙線時(shí)使用各自衰減器），調(diào)節(jié)電位