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通用电子仪器详解:从计数器到电压表
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更新于2024-07-17
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"通用电子仪器 367页 7.9M 超清书签版.pdf" 是一本详细讲解通用电子仪器的书籍,涵盖了电子计数器和电子电压表等多个主题,适合电子工程领域的学习者和从业者参考。 本书首先深入介绍了电子计数器的相关知识。在第1章中,作者从基础开始,阐述了电子计数器的基本概念,包括其定义和历史发展。电子计数器按功能和用途可分为多种类型,如频率计、周期计、相位计等。接着,书中详细解析了计数器的组成结构,包括核心部件如时基电路、数字显示系统等,并解释了通用计数器的工作原理。此外,还探讨了电子计数器的主要测量功能,如频率、周期、占空比等,并分析了测量误差产生的原因及其影响。在操作使用和维护部分,书中提供了实用的操作指南,如选择合适计数器、理解分辨率和准确度、定期校准、选择时基、调整灵敏度、低频测量技巧、消除噪声触发、处理跳变问题以及使用统计方法进行信号质量分析。这些内容对于正确使用和维护计数器至关重要。 第2章则聚焦于电子电压表,首先给出电压表的基本概念,讨论了不同类型的电压表,包括模拟电压表和数字电压表等。随后,详细解释了电压表的基本工作原理,如检波式电压表的运作机制。这类电压表通常用于测量交流和直流电压,通过检波过程将电压转换为可读的指示值。此外,书中可能还会涉及其他类型电压表的工作原理,如真有效值电压表、峰值电压表等,以及电压表的精度、量程选择、输入阻抗匹配等关键问题。 这本书的丰富内容不仅有助于读者理解电子计数器和电压表的基本原理,还能提供实际操作指导,提升用户在测量和分析电子信号方面的技能。对于EE(电子工程)专业的学生和工程师来说,这是一份宝贵的参考资料,能帮助他们更好地应对各种电子测量挑战。
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主
门
计数
电路
1
2
3
A
B
图1-9 实现规定时间内计数的功能方框图
在规定的时间内,主门让信号进入计数电路进行计数。在此以外的时间,信号均不能
通过主门进入计数电路。
故计数电路的累加计数值 N 为
B
A
BA
A
B
f
f
Tf
T
T
N ===
(1-1)
式中
A
f 为主门“1”端输入的频率
A
A
T
f
1
=
,
B
f 为主门“2”端输入 1 的开门脉冲的持续
时间
B
B
f
T
1
=
。
从公式(1-1)可见,当主门“1”端加不同的计数信号(未知或已知),而“2”端加
入不同的时间信号(未知或已知),且一段让 f
A
>>1/T
B
时,则用同图所示的基本原理电路,
就可以实现频率、周期、时间间隔、频率比等多种测量。
1.2.3 电子计数器主要测量功能原理
1.2.3.1 测量频率
频率是单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数。
用公式表示:
f=N/T
式中 f 为频率,N 为周期性过程重复、循环或振动的次数, T为单位时间(周期)。由此
得频率测量数学模型:
f
x
=N/T
0
式中:f
x
为被测频率, N为计数器读数,T
0
为计数器的计数时间,即闸门信号宽度。
电子计数器由本机恒温石英晶体振荡器提供 5MHz 或 10MHz 标准频率信号,经时基
分频系统分别产生 1ms、10ms、1s 和 10s 等闸门时间信号(闸门时间选择由面板闸门选择
开关控制)送主闸门控制主门开和关的时间。
输入信号由计数器 A(频率)输入端经放大整形后送主门,在选定的闸门时间内开启
主闸门,经计数器计数后在数码管上显示出来,在测量结果中小数点自动定位,完成频率
测量过程。(见图 1-10 和图 1-11).
例: 标准时间脉冲(时标)的重复周期为 1S,则加到闸门上的门控信号作用时间 T (闸
门时间)亦准确等于 1S,即闸门开通时间为 1S,这时若计得 100000 个数,则按上面公式,
被测频率 fx=100000Hz,若计数器上 单位是“kHz”,则显示 100.000kHz,不难设想,若闸门
时间改为 T=0.1S 则计数值为 10000,这个数乘以 10 就等于 1S 的计数值,即 fx=100000Hz。
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9
实际上,当改变闸门时间 T 时,显示器上的小数点 随之往右或往左移一位(自动定位),
显示 100.00kHz。
图1-10 测量频率原理图
图1-11 测量频率波形图
1.2.3.2
周期测量
周期是频率的倒数 T=1/f
0
。测量周期和测量频率的逻辑正好相反,相当于把测频状态
下本机晶振信号与被测信号的位置互换。被测信号由 B(周期)输入端输入,经放大整形
再经过周期倍乘电路,按 1:1,10:1,100:1,1000:1 或 10000:1 的比例将被测周期时间进
行扩展,也就是周期倍乘(测量时可按需要在操作面板选择相应按键),被测信号经倍乘
电路处理后通过控制电路控制主闸门的开启的时间,同时作为本机晶振产生的标准信号
T
0
=1/f
0
,在主闸门开启的时间间隔内通过该主闸门送计数器计数,并显示测量结果。(见图
1-12 和图 1-13)
主 门
控制电路
时基倍频
分频系统
计数显示
输入放大整形
晶振
B输 入
门 控 信 号
周期倍乘信号
时
标
信
号
时标选择 周期倍乘
图1-12 周期测量原理图
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图1-13 周期测量波形及其关系图
被测信号 f
x
的周期:
Tx=N T
0
式中 N为计数器读数,T
0
为时标信号周期。
倍乘周期:
Tx=N T
0
/10
n
式中 10
n
为倍乘率,n=0,1,2,3,4。
1.2.3.3
时间间隔测量
将时间间隔测量与周期测量原理方框图比较可知,时间间隔测量只是主闸门开启时间
由两个被测控制信号控制,主闸门的开启时间等于启动脉冲和停止脉冲之间的时间间隔,
在此间隔内,主闸门开启对来自时基输出的脉冲进行计数,由显示器显示出测量结果。故
既可对周期信号进行测量,也可对非周期信号进行测量。
被测时间间隔为:
t=NT
0
式中 N 为计数器读数,T
0
为时标信号的周期。
计数器测量时间间隔一般由 B、C 端输入,当“启动”、“停止”信号来自同一个源时,
将输入转换开关旋至“合”,否则旋至“分”,如计数器没有设“分”“合”开关,测同一
信号可用三通接头和连接电缆将两输入通道短接过来。测试中根据需要的精度要求选择时
标信号,各路输入的斜率均有“+”、“-”之分,测量时根据需要选择。(见图 1-14 和图 1-15)
图1-14 时间间隔测量原理图
放大整形
恒温晶振
主闸门
控制电路
时基倍频
分频系统
计数
显示
放大整形
时标选择
启动B
停止C
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图1-15 时间间隔测量波形图
1.2.4 计数器测量误差
1.2.4.1 频率测量误差
频率测量误差=时基误差(时基准确度)±1 误差(量化误差) 用公式表示:
τ
δ
x
ff
f 1
0
±
Δ
±=
式中 fx 为被测频率的测量值,
τ
为计数器选择的闸门时间,
Δ
f/f
0
为时基准确度。
计数器的时基误差(时基准确度),取决于计数器内部晶振。所以要减小此项测量误差,
应选频率准确度高的晶振,或外输入一个频率准确度高的频标信号。计数器的
1± 误差(量
化误差)是计数器累计计数的误差,即计数器不能测量读数末位数以下的数值,测量结果
可能多计一个或少计一个数产生的,它是计数器的固有误差。
1.2.4.2
周期测量误差:
被测信号倍乘率
时标时间
倍乘率
触发误差
时基准确度周期测量误差
×
±±=
用公式表示:
xm
n
KfUK
U
f
f
τπ
δ
00
1
±±
Δ
±=
(1-2)
式中 Un 为被测信号噪声幅度,Um 为被测信号幅度, K为倍乘率, f
0
为时标标称频率,
τ
x
为被测信号周期。
在 1-2 式中,时基准确度由本机晶振精度决定,触发误差由本机信号的噪声决定(在
下一节专门讨论),±1 误差的产生,在测频时,标准闸门时间与被测信号之间不同步,定
点是任意的,造成控制主闸门输出脉冲前产生一个脉冲的误差,即±1 个数字误差,在测周
期时同样,时标信号与被测周期不同步产生一个脉冲的误差。
由上分析可知,测频时在尽量高的测试频率和尽可能长的闸门时间下测频,可以获得
比较满意的测量精度,但对低频测量,测频精度不高。
测周期时±1 误差与所使用时标信号的周期成正比,与计数器倍乘率和被测信号周期成
反比,在周期倍乘选定情况下,计数器在周期测量时对低频信号的测量精度要高于对高频
信号的测量精度。
所以对频率而言,对高频率值的测量可采用直接测频的方法,对低频率值的测量,为
提高测量精度应采用测周期的方法,测得结果求倒数。
工程应用可用经验公式计算中介频率,以灵活运用测频测周方法,以获得满意的测量
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精度。其公式为:
τ
0
Kf
f =
中
当被测频率 fx>f
中
,用测频方法,当 fx<f
中
,用测周期方法。
常用计数器可选 k=10
4
,
τ
=10s, f
0
=100MHz,则 f
中
=316Hz。
对低于 316Hz 用测周期的方法,对于高于 316Hz 用直接测频法。
1.2.4.3
触发误差
触发误差是由于周期测量时被测信号 fx 经整形后,做为门控电路的控制信号,产生
测量时间 Tx,由于信号上噪声的叠加,触发电平的抖动,触发点信号的斜率都会引起提前
触发或推迟触发(见图 1-16)从而产生的测量误差。设被测信号为正弦波,信号电压为:
tfUu
xmx
π
2sin=
xx
Tf /1
=
x
T
π
ϕ
2
x
u
TΔ
2
1
图1-16 计数器测量触发误差示意图
由于噪声的存在,可使测出的周期
x
T 从
max
T 到
min
T 之间变化
)(
2
1
minmaxminmax
TTTTTTT
xx
−=−=−=Δ
又设信号噪声电平(幅度)为
n
U ,触发电平为
p
U ,
ϕ
为
px
Uu
=
时对应的信号相位
则有:
ϕ
π
π
cos
2
2
2
1
xu
p
Ux
T
U
tf
dt
du
T
U
m
p
xn
==
Δ
=
=
当
m
U 〉〉
p
U 时, )0(1cos →→
P
U或
ϕ
得:
m
n
U
U
T
T
π
=
Δ
X
mn
T
U
T
U
π
22
=
Δ
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