学习情境12使用电子计数器测试时间和频率参数.ppt
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1、学习情境1.2 使用电子计数器测试时间和频率参数,一、时间和频率的定义,提问:1时间的基本概念是什么?2频率的基本概念是什么?3常用的频率测量的方法有哪些?时间有两个含义:“时刻”:即某个事件何时发生;“时间间隔”:即某个时间相对于某一时刻持续了多久。频率的定义:周期信号在单位时间(1s)内的变化次数(周期数)。如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化了N次,则频率可表达为:,fN/T,二、时间与频率的原始基准,时间与频率基准的精确度是所有计量基准中最高的一种,也是复制得最精确,保持得最稳定的一个物理量。准确度可达10-14,校准(比对)方便,因而数字化时频测量可达到很高的准确度。因此,许多物理
2、量的测量都转换为时频测量。,二、时间与频率的原始基准1.世界时(UT时),最初的时间(频率)标准是由天文观测得到的。以地球自转周期为标准测定的时间称为世界时(UT时)。零类世界时(UT0)以地球自转周期的1/86400作为世界时的1秒,其准确度在110-6量级。,二、时间与频率的原始基准1.世界时(UT时),第一类世界时(UT1)地球自转受极运动(即极移动引起的经度变化)的影响,校正了这个偏差而得到的第一类世界时(UT1)。第二类世界时(UT2)在第一类世界时的基础上,把地球自转的季节性、年度性的变化校正后的世界时称为第二类世界时(UT2),其准确度在310-8量级。,二、时间与频率的原始基准
3、 2.历书时ET,在1956年正式定义1899年12月31日12时起始的回归年(太阳连续两次经过春分点所经历的时间)长度的1/3556925.9747为1,即历书时ET。回归年不受地球自转速度的影响,使秒的准确度可达110-9UT2、ET为宏观计时标准,它需要精密的天文观测,准确度有限。,二、时间与频率的原始基准 3.原子时(AT),一级原子频率标准为了寻求更加稳定、又能迅速测定的时间标准,引进了微观计时标准。利用原子或分子内部能级跃迁所辐射或吸收的电磁波的频率为基准来计量时间。能量与频率之间存在着如下的量子关系:E=h f 式中,h普朗克常数。,二、时间与频率的原始基准 3.原子时(AT),
4、当原子在E2、E1两个能级之间跃迁时,就会吸收或释放出一定频率的电磁振荡能量,其频率大小为:f=(E2E1)/h由于能级数值是高度准确的,因而所发出的频率也是十分准确的。,二、时间与频率的原始基准 3.原子时(AT),1967年10月第10届国际计量大会正式通过了秒的定义:“秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线持续9192631770个周期的时间”。以此为标准定出的时间标准称为原子时(记作AT),其准确度为10-13量级。又被称作一级原子频率标准。,二、时间与频率的原始基准 3.原子时(AT),石英晶体振荡器由于石英晶体具有很高的稳定性,它的振荡频率受外界因素的影响
5、又较小,因而比较稳定。采用了高品质因数的石英晶体和精密的恒温设备后,短期稳定性可达110-10110-11/s,可作为二级频率标准。,问题:,1与门的工作的原理是什么?2时间的数字转换是怎样完成的3频率的数字转换是怎样完成的?4比较这两种转换过程中,加在与门两端的信号有什么不同?5量化误差是怎样产生的?,三、电子计数器工作原理,首先将时间或频率进行模拟量数字量转换(A-D),然后对转换后的数字量(通常以脉冲个数表示)进行计数,最后把结果用数字直接显示出来。,三、电子计数器工作原理1.模数转换原理,(1)模拟量和数字量模拟量的表现形式是“连续的”,包括两个方面的含义:时间上,随时间连续变化;数值
6、上,数值也是连续可变的。如,电压量和电流量。数字量则不具有这种连续变化的特点,只能增加或减少一个单位,其变化是不连续的(离散)。,三、电子计数器工作原理1.模数转换原理,(2)模拟量数字量转换取样定理取样的实质是将时间上和幅度上都连续的信号分割为时间上离散而幅值上连续的信号,具有窄脉冲的形式。,三、电子计数器工作原理1.模数转换原理,在取值上采取整量化的处理方法,用一个标准的量化单位A去对模拟量进行比较,看大体上能分割出多少个A,获得所似的不连续的数字量D。,三、电子计数器工作原理1.模数转换原理,将模拟量A用A的整数倍D来表示叫做整量化(量化)。一般来说,A不一定是A的整数倍。故D只是一个近
7、似的数字量。量化单位A是根据模数转换精度来确定的。A越小,分割越细。,三、电子计数器工作原理2.时间数字转换原理,把被转换的时间Tx与标准时间间隔t0进行比较,取整量化数字N,即式中,1量化误差。比较过程常用一个与门电路来实现,与门有两个输入端A、B和一个输出端C。,三、电子计数器工作原理2.时间数字转换原理,若在A端加上标准时间间隔t0作为时标信号,在B端加上被转换的时间信号Tx作为闸门信号(或门控信号)。,计数端,控制端,三、电子计数器工作原理3.频率数字转换原理,把被转换的频率fx与标准频率F0进行比较,取整量化数字N,即 式中,1量化误差。比较过程同样可用与门电路实现?思考:与门电路两
8、个输入端此时应分别加入什么信号?,三、电子计数器工作原理3.频率数字转换原理,A端:加上被转换的频率fx作为时标信号,B端:加上标准频率F0对应的标准时间为T0作为闸门信号,C端输出数字量N。,三、电子计数器工作原理4.量化误差,将模拟量转换为数字量时所产生的误差叫量化误差,其大小为1个字。宽度同为Tx的闸门信号,由于通过主门时与计数脉冲不同步而带来的计数值一个为6,一个为5,相差1个字。,闸门信号起始时刻与量化的脉冲信号之间不同步,四、电子计数器基本组成,四、电子计数器基本组成 1.输入电路,又称为输入通道。首先将被测信号,如正弦波、三角波、锯齿波等波形,放大和整形为脉冲信号,其重复频率等于
9、被测信号的频率。一般包含两到三个通道,其中A通道用于传输被计数的信号,B、C通道用于传输控制主门打开的闸门信号。,四、电子计数器基本组成 1.输入电路,施密特触发电路:利用施密特触发器的回差特性,对输入信号具有较好的抗干扰作用。,四、电子计数器基本组成 2.主门电路,实现整量化的比较电路 主门常是一个可控制的与门电路,要计数的脉冲信号加到A端,闸门信号加到B端利用主门的“打开”与“关闭”可产生多种测量功能。,四、电子计数器基本组成 3.时基信号产生与变换电路,标准时间间隔t0和标准频率F0是由时基电路产生的。它有两个要求:首先是要有足够的准确度与稳定度;其次是要求多值性。,四、电子计数器基本组
10、成 3.时基信号产生与变换电路,由内部晶体振荡器(也可外接),通过倍频或分频得到。再通过门控双稳态触发器得到“门控信号”。如,若f0=1MHz,经106分频后,可得到fs=1Hz(周期Ts=1s)的时基信号,经过门控双稳态电路得到宽度为Ts=1s的门控信号。计数用的时标信号常有1s、10s、0.1ms、1ms等;闸门信号常有1ms、10ms、0.1s、1s、10s,四、电子计数器基本组成4.计数与显示电路,计数电路对通过主门的脉冲进行计数(计数值代表了被测频率或时间),并通过数码显示器将测量结果直观地显示出来。为了便于观察和读数,通常使用十进制计数电路。,四、电子计数器基本组成 5.控制逻辑电
11、路,产生各种控制信号,协调各部件电路的工作,使计数器按照工作程序:计数显示复零准备下一次测量来进行工作。,五、电子计数器的分类,按功能的不同,电子计数器可以分为四大类:1通用计数器 具有测频、测周、测时间、测多周期平均、测频率比、测任意时间间隔内的脉冲个数及累加计数功能。2频率计数器 只具有测量频率单一功能,测频范围很宽。如Marconi公司的2240型微波频率计数器的测频范围达10Hz20GHz。,五、电子计数器的分类,3时间间隔计数器 测量两个电信号之间的时间间隔,也可以测量一个周期信号的周期、脉冲宽度、占空系数、上升时间和下降时间。4特种计数器 指具有特种功能的计数器。包括可逆计数器、预
12、置计数器、序列计数器以及差值计数器等。,五、电子计数器的分类,按直接计数的最高频率可分为四类:1.低速计数器 最高计数频率小于10MHz。2.中速计数器 计数频率范围在10MHz100MHz。3高速计数器 最高计数频率大于100MHz。4微波计数器 计数频率范围在1GHz80GHz或更高。,六、电子计数器技术指标,1测试功能 一般具有测量频率、测量周期、测量频率比、测量时间间隔、累计脉冲个数以及自校等功能。2测量范围 说明测量的有效范围。对于不同的测量功能,测量范围的含义也不同。测量频率时,常用频率的上限和下限值来表示测量范围;,六、电子计数器技术指标,3输入特性 电子计数器通常备有23个输入
13、端,在测量不同的项目时,信号经不同的通道进入仪器。(1)输入灵敏度:一般用能使仪器正常工作的最小输入电压来表示,通用电子计数器的灵敏度一般在10mV100mV内。,六、电子计数器技术指标,(2)最大输入电压:指仪器所能允许的最大输入电压,超过这个电压仪器将不能正常工作,甚至会损坏。(3)输入耦合方式:常有AC、DC两种耦合方式。DC耦合适合低频脉冲或随机脉冲信号的测量。,六、电子计数器技术指标,(4)触发斜率选择和触发电平调节:触发斜率分为“+”和“”,用以选择被测信号的上升沿或下降沿来触发。触发电平调节决定了被测信号的触发点。(5)输入阻抗:由输入电阻和输入电容组成。常分为高阻(1M/25p
14、F)和低阻(50)两种。,六、电子计数器技术指标,4测量准确度 常用测量误差表示测量准确度。5晶振的频率稳定度 常用日稳定度表示,一般在110-5/d 110-9/d。6闸门时间(门控时间)和时标机内的石英晶体振荡器提供的闸门时间(门控时间)和时标有几种。,六、电子计数器技术指标,7显示及工作方式 一般标明显示位数、显示器件以及一次测量完毕的显示持续时间。8输出 指仪器可以直接输出的时标信号的种类和测量结果如何编码输出。,例:E312B型通用电子计数器技术指标,E312B型通用计数器是一种频率和时间测量的仪器。以89C52单片机为核心进行功能转换、测量控制和数据处理及显示,同时采用倒数技术,实
15、现了全频带范围的等精度测量。,E312B型通用电子计数器计数器分类,E312B型通用计数器按测量频段分类,共有四种机型,见表1。表1 E312B型通用计数器分类,E312B型通用电子计数器主要技术指标,1输入通道特性(1)测量频率范围(A、B通道)DC耦合0.1Hz10MHz/100MHz AC耦合100Hz10MHz/100MHz(2)测量周期范围 100ns10s(3)输入阻抗 1M 45pF(4)输入幅度范围 正弦波30mVrms2Vrms80MHz)50mVrms2Vrms(80MHz),E312B型通用电子计数器主要技术指标,脉冲波90mVp-p 6Vp-p(80MHz)150mVp
16、-p 6Vp-p(80MHz)(5)触发电平 1.5V步进30mV递增或递减可调(6)极性、2C通道输入特性(1)测量频率范围 100 MHz1GHz(2)输入幅度范围 30mVrms1.5Vrms(3)输入阻抗 50,E312B型通用电子计数器主要技术指标,3周期测量 100ns10s(1)预选闸门时间 10ms、100ms、1s、10s(2)测量时间 Tm为测量时间、Tg为预选闸门时间,Tx为预选闸门关闭与紧跟来的被测信号的终止触发电平所需时间。当TxTg时,Tm=Tg+Tx;当TxTg时,Tm=Tx,E312B型通用电子计数器主要技术指标,(3)测量误差 时基准确度触发误差被测频率或被测
17、周期(100ns/闸门时间)被测频率或被测周期 4时间间隔测量 测量范围 200 ns100s 测量时间 同周期测量 测量误差 时间间隔时基准确度触发误差T1100ns,E312B型通用电子计数器主要技术指标,5频率比测量B/A(1)测量范围 11081;频率:0.1Hz10MHz(fBfA)(2)测量时间 同周期测量 6累加计数(1)计数容量 1081(2)输入频率 10MHz,E312B型通用电子计数器主要技术指标,7晶体振荡器(1)标称频率 5MHz(2)一周平均日老化率 110-8/日 8显示 8位、单位为MHz、KHz、ms、s、ns,七、电子计数器测量功能,七、电子计数器测量功能1
18、.自校(自检),功能开关置于“1”。自校是电子计数器对机内基准信号源进行测量的一种功能,用以检查自身的逻辑功能是否正常。自检时利用时标信号t0作为标准频率加到主门进行计数。其计数值N=T0/t0=T0F0,不存在量化误差。,问题:,根据测量原理图,比较电子计数器的各测量功能,填写下表。,七、电子计数器测量功能1.自校(自检),七、电子计数器测量功能1.自校(自检),对于不同的闸门时间和不同的时标,计数器的正确显示如下表所示。,七、电子计数器测量功能 2.测频,功能开关置于“2”。在规定的时间T0内,统计出信号重复的周期数为N,则信号的频率为:fx=N/T0,七、电子计数器测量功能 2.测频,被
19、测信号fx送入A通道放大、整形,形成的计数脉冲加至主门A端,适当选择分频器所产生的闸门时间T0,得到计数值N。,七、电子计数器测量功能2.测频,对于同一被测信号,如果选择不同的闸门时间,则计数值N是不同的。例如,被测信号fx=1000KHz,当T0=1s时,测得N=1000000,若显示器的单位采用KHz,则显示1000.000KHz;当T0=0.1s时,则测得N=100000,显示1000.00KHz;当T0=10s时,则测得N=10000000,显示1000.0000KHz。显示结果的有效数字末位的意义,它表示了频率测量的分辨力,七、电子计数器测量功能 3.测周,功能开关置于“3”。被测信
20、号Tx送入B通道放大、整形形成控制主门打开的闸门信号,选择适当的时标信号t0送计数端。,七、电子计数器测量功能3.测周,在周期Tx的时间内,对时标信号t0计数,计数结果为N,则被测周期为:Tx=Nt0例如,时标t0=1us,若计数值N=10000,则显示的Tx为“10000”us,或“10.000”ms。如时标t0=10us,则计数值N=1000,显示的Tx为“10.00”ms。一次测量时间即为一个周期Tx,Tx愈大(频率愈低)则测量时间愈长;计数值N与时标有关,时标愈小分辨力愈高。,七、电子计数器测量功能 3.测周(多周期倍乘),如果待测周期较短时,可以用多周期倍乘的方法提高测量精度。在多周
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