2022年电子测量仪器教案第5章.pdf

课题第五章电子计数器5.1概述教学目标知识与能力：掌握电子计数器的分类、主要技术性能。过程与方法：通过观察和讲解，掌握电子计数器的分类、主要技术性能。情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点电子计数器的分类、主要技术性能。教学难点电子计数器的分类、主要技术性能。新授课5.1 概述5.1.1电子计数器的分类按测试功能：（1）通用计数器多功能计数器。具有测量频率、周期、频率比、时间间隔和累加计数等功能。配以适当的转换插件，还可扩展测试功能。（2）频率计数器具有测频和计数功能。（3）计算计数器带有微处理器具有计算功能。数学运算、求解比较复杂的方程等。可程控与计算机连接实现自动化测量。5.1.2电子计数器的主要技术性能1测试功能测量频率、周期、频率比、时间间隔和累加计数等功能。2测量范围仪器的有效测量范围。3输入特性（1）输入灵敏度工作所需输入的最小电压。（2）输入耦合方式AC 耦合和 DC 耦合。 AC 耦合：被测信号经隔直电容输入；DC耦合：被测信号直接输入（适于低频及脉冲信号）。（3）输入阻抗包括输入电阻和输入电容。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 高阻抗适于：频率不太高，减小对信号源的负载影响。低阻抗适于：频率较高。（4）最大输入电压4测量准确度表示：常用测量误差。决定：由时基误差（由晶体管振荡器的稳定度确定）和计数误差（主要指量化误差）。5闸门时间和时标由机内标准时间信号源提供的标准时间信号。包括：闸门时间信号和时标信号。6显示及工作方式（1）显示位数（2）显示时间（3）显示方式记忆：只显示最终计数的结果。不记忆：显示正在计数的过程。（4）显示器件7输出输出的标准时间（频率）信号的种类、输出数据的编码方式及输出电平等。练习习题小结电子计数器的分类：通用计数器、频率计数器、计算计数器。布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 课题5.2通用电子计数器教学目标知识与能力：理解通用电子计数器的基本组成原理。过程与方法：通过观察和讲解，理解通用电子计数器的基本组成原理。情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点通用电子计数器的基本组成原理。教学难点通用电子计数器的基本组成原理。新授课5.2通用电子计数器的基本组成通用电子计数器的基本组成原理框图如图所示。1A、B 输入通道作用：被测信号放大、整形成标准脉冲。A 通道输出脉冲：计数器的计数信号，门控信号作用时间通过主门计数；B 通道输出脉冲：控制门控信号的作用时间。2主门（又称为闸门）作用：控制计数脉冲信号能否进入计数器。主门电路：一个双输入端逻辑与门，如图所示。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 一个输入端 门控信号（控制单元中门控双稳态触发器）；另一个输入端 计数脉冲信号。门控信号作用时，计数脉冲通过主门进入计数器计数。3时基单元组成：晶体振荡器、分频及倍频器。标准时间信号分类： 闸门信号（时间较长） ：根据分频技术的不同多选。 时标信号（时间较短） ：可为单选，也可为多选。4控制单元作用：产生控制信号，各单元的工作，使整机自动完成测量。门控双稳态电路：控制主门的开闭。5计数与显示单元作用：对主门输出的脉冲计数并以十进制数字显示计数结果。组成：二十进制计数器、译码器和数字显示器等。练习习题小结1电子计数器的基本组成：A、B 输入通道、时基单元、主门、控制单元、计数与显示单元。2电子计数器各部分作用：输入通道：将被测信号进行放大、整形，使其变换为标准脉冲。主门：控制计数脉冲信号能否进入计数器。控制单元：产生各种控制信号去控制和协调通用计数器各单元的工作，以使整机按一定的工作程序自动完成测量任务。计数与显示单元：对主门输出的脉冲技术并以十进制数字显示计数结果。布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 课题5.3通用电子计数器的测量原理（一）教学目标知识与能力：理解通用电子计数器的周期、频率。过程与方法：通过观察和讲解，情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点理解通用电子计数器的周期、频率。教学难点理解通用电子计数器的周期、频率。新授课5.3通用电子计数器的测量原理5.3.1测量频率求解方法：tNfx测量原理框图如图所示。 被测信号放大、整形（经A 输入通道）序列脉冲主门 晶振产生振荡信号fs（Ts）标准时间脉冲信号（kf， Ts）门控信号控制主门的“开启”或“关闭”主门开启序列脉冲计数（经主门输入十进制计数器）计数结果 N 转换为频率值显示。即：sfxTKNTNf式中 Kf为分频器系数。注意：（1）门控信号的脉宽 分频器输出的触发信号的周期。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 16 页 - - - - - - - - - - （2）闸门时间T：10n s（n 为整数），计数结果无须换算。5.3.2测量周期测量周期的原理框图如图所示。为提高测量精确度，采用多周期法（又称周期倍乘），即在 B 通道后加设几级十进制分频器（设分频器系数为Kf） ，使主门开启时间扩展Kf倍。如果仍用Ts（fs）作时标信号，则其计数结果为sxfTTKNfsxKTNT周期倍乘率 （Kf）的改变与显示屏上的小数点位置的移动同步进行，故使用者无须对计数结果进行换算，即可直接读出测量结果。练习习题小结1测量频率公式：sfxTKNTNf2测量周期公式：fsxKTNT布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 课题5.3通用电子计数器的测量原理（二）教学目标知识与能力：理解通用电子计数器的频率比、时间间隔。过程与方法：通过观察和讲解，理解通用电子计数器频率比、时间间隔。情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点通用电子计数器的频率比、时间间隔。教学难点通用电子计数器的频率比、时间间隔。新授课5.3.3测量频率比测量频率比原理框图如图所示。当 fA fB， fB（由 B 通道输入）放大整形控制主门的启闭， 门控信号的脉宽B 通道输入信号的周期fA由 A 通道输入放大整形，作为计数脉冲主门开启计数器计数。计数结果为BAABffTTN直接显示测量结果。多周期的测量方法（提高精度）：在 B 通道后，加设分频器，对fB进行 Kf次分频，使主门开启的时间扩展Kf倍，于是BAfABfffKTTKN不同 Kf时，小数点相应变化，直接读出测量结果，但有效数字位数变化。5.3.4测量时间间隔测量时间间隔的原理框图如右图所示。测量过程：精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 工作开关 S 置“分”位置： 时间超前信号 A 通道放大整形启动门控电路开启主门计数。 时间滞后信号 B 通道放大整形复原门控电路关闭主门停止计数。时标信号 Ts计数有关波形如图所示。主门开启时间计数器的计数结果N 与两脉冲信号间的时间间隔td的关系为td = NTs注意：（1）A、B 通道内分别设置有斜率（极性）选择和触发电平调节，用于在被测时间间隔的起点和终点所对应的时刻决定主门的开闭。（2）测量一个脉冲信号内的时间间隔时，将工作开关S 置“合”的位置。两通道输入并联，被测信号由此公共输入端输入。调节两个通道的触发斜率和电平可测量脉冲信号的脉冲宽度、前沿、休止期等参数。练习习题小结1测量频率公式：sfxTKNTNf2测量周期公式：fsxKTNT3测量频率比公式：BAABffTTN布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 课题5.3通用电子计数器的测量原理（三）教学目标知识与能力：理解电子计数器累加计数、自校过程与方法：通过观察和讲解，理解电子计数器累加计数、自校情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点电子计数器累加计数、自校教学难点电子计数器累加计数、自校新授课5.3.5累加计数累加计数的原理框图如图所示。门控电路：人工控制。启动后，主门开启，输入脉冲通过主门进入计数器累加计数；门控双稳电路被复原后，主门关闭，计数停止。显示器直接显示累加计数的总和。注意：在开启主门前，应先做复零操作。5.3.6自校自校的原理图如图所示。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 工作过程（同时进行）： 晶体振荡器时标信号sT （经系数为m 倍频器）作为计数信号。 晶体振荡器闸门时间信号T（经过 Kf分频电路）：门控电路的触发信号。计数器的计数结果：取决于时标信号和闸门时间信号，则mKmTTKTTNfssfs据上式实现自校。练习习题小结主门开启时间计数器的计数结果N 与两脉冲信号间的时间间隔td的关系为td = NTs。布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 10 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 课题5.4电子计数器的测量误差教学目标知识与能力：1掌握电子计数器的测量误差来源。2掌握频率测量误差分析、周期测量误差分析。过程与方法：通过观察和讲解，情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点频率测量误差分析、周期测量误差分析。教学难点频率测量误差分析、周期测量误差分析。新授课5.4 电子计数器的测量误差5.4.1误差来源1量化误差（计数误差）原因： 主门的开启和计数脉冲的到达时间关系上是随机的。因此， 在相同的主门开启时间内，计数器对同样的脉冲串进行计数时，计数结果不一定相同。测量频率或时间时，量化的最小单位是数码的一个字，即量化的结果只能取整数，故这种误差的极限是1，因此它的相对误差为%1001%100NNNNN 越大，量化误差越小。2标准频率误差ssff原因：测量频率和时间是以晶体振荡器产生的各种标准时间信号为准的。标准时间信号不准或不稳定则会产生测量误差。3触发误差原因：信号的转换过程存在干扰和噪声的影响，电路本身的触发电平产生漂移。大小：与被测信号的大小和转换电路的信噪比有关。结论：测量频率、周期时，提高信噪比，被测信号不宜衰减过大（测量时间忽略估计）。5.4.2频率测量误差分析决定：量化误差。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 由sfxTKNTNffx = N/T其中 T：晶振信号分频，常数，所以xx1fNNNTf，即NNffxx式中N为量化误差。因为N= 1，故有xsfxxx111fTKTfNff结论：误差的影响因素是被测信号频率和闸门时间。fx一定时，增大T 或增大N 可减小测频误差。5.4.3周期测量误差分析减小触发误差：提高信噪比和多周期测量法。量化误差的影响：推倒得：sxxsxx1TfTTNNNTT结论：量化误差随着fx的升高而增大，fx过高时，直接测频法测量频率fx后再求 Tx。多周期法：将被测信号分频以增加主门开启时间。此时fsxxfsxx1KTfTKTNTT练习习题小结1误差来源：量化误差、标准频率误差、触发误差。2测频率误差：主要由量化误差决定。xsfxxx111fTKTfNff3减小触发误差的影响：提高信噪比和多周期测量法。fsxxfsxx1KTfTKTNTT布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 12 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 课题5.5E312A 型通用电子计数器（一）教学目标知识与能力：掌握 E312A 型通用电子计数器的主要技术性能、基本工作原理、基本测量方法。过程与方法：通过观察和讲解情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点E312A 型通用电子计数器的主要技术性能、基本工作原理、基本测量方法。教学难点E312A 型通用电子计数器的主要技术性能、基本工作原理、基本测量方法。新授课5.5E312A 型通用电子计数器5.5.1主要技术性能1频率测量输入端： A 通道。测量范围： 1 Hz 10 MHz 。输入端为AC 耦合：适于正弦波；为DC 耦合时：适于脉冲波、三角波或锯齿波。闸门时间： 10 ms、0.1 s、1 s、10 s 四档。测量单位为：s。小数点自动定位。2周期测量输入端： A 通道。测量范围： 0.4 s 10 s。多周期测量，倍乘率有100、101、 102、103四档。测量单位为：s。小数点自动定位。3频率比测量输入端： A、B 通道。测量范围： A 为 1 Hz 10 MHz ；B 为 1 Hz 2.5 MHz 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 13 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 多周期测量，倍乘率有100、101、 102、103四档。无单位显示。小数点自动定位。4脉冲时间间隔测量输入端：双线A、B 通道；单线A 通道。测量范围：0.25 s （107- 1）s。要求脉宽0.5 s，休止期0.5 s。测量单位为：s。小数点自动定位。5计数计数最大值为108 - 1；小数点在数字右边；6输入阻抗A、B 段输入电阻 500 k，输入电容 30 pF。7晶体振荡器振荡频率： 5 MHz ，稳定度 110-8/d（日）8显示及工作方式8 位 LED 记忆显示、自动复原，显示时间为0.2 s加测量时间；可人工复原和保持。练习习题小结E312A 型通用计数器组成：输入通道、计数/控制逻辑单元、晶体振荡器、LED 显示器及电源。布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 14 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 课题5.5E312A 型通用电子计数器（二）教学目标知识与能力：掌握 E312A 型通用电子计数器的主要技术性能、基本工作原理、基本测量方法。过程与方法：通过观察和讲解，情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点E312A 型通用电子计数器的主要技术性能、基本工作原理、基本测量方法。教学难点E312A 型通用电子计数器的主要技术性能、基本工作原理、基本测量方法。新授课5.5.2基本工作原理组成：输入通道、计数/控制逻辑单元、晶体振荡器、LED 显示器及电源。整机原理图如图所示。A、B 输入通道：衰减器、输入保护电路、阻抗变换器、放大器、整形器、三态灯指示电路以及控制选择门组成，其原理框图如图所示。1工作过程被测信号 （经输入通道）放大整形矩形波控制选择门 （选择上升或下降沿）技术 /控制逻辑单元。2电路的各部分作用三态灯指示电路：来监测整形电路的工作情况，当整形电路工作正常时，它将被触发，指示灯闪烁点亮。计数 /控制逻辑单元（核心） ：直接驱动外界的8 位 LED 显示器，以扫描形式显示测量结果。3电路基本功能具有 BCD 码输出、复原输出、记忆输出、段码输出和扫描位脉冲输出，还具有时钟输入、闸门时间（周期倍乘）输入、功能输入、复原输入、保持输入及A、B 输入。其原理框精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 15 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 图如图所示。ICM7226B 芯片介绍功能输入端： 与不同的扫描位脉冲输出端连接时，测量功能发生变化，可分别完成如图所示功能。闸门时间输入端：与不同的扫描位脉冲输出端连接时，可获得10 ms 10 s 四档闸门时间或 100 103四档倍乘率。显示驱动电路：有无效零消隐功能，并有计数溢出指示。标准时钟信号： 10 MHz（晶振采用5 MHz 的晶体晶体振荡器，经 2 的倍频电路获得） 。5.5.3基本测量方法1面板说明2使用方法（1） “自校”检查：时钟信号频率10 MHz （fs） ，选择不同闸门时间，显示结果符合表5.1（见书 104 页）的读数。（2）在频率、计数、周期、时间间隔（单线或双线）、频率比测量时，板上各功能键的位置和输入端的选择见表5.2（见书 104 页） 。练习习题小结E312A 型通用计数器组成：输入通道、计数/控制逻辑单元、晶体振荡器、LED 显示器及电源。布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 16 页，共 16 页 - - - - - - - - - -