電子測量技術課件

電子測量技術課件第1頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1頻率與時間測量的特點與方法

6.1.1頻率與時間測量的特點 與其他各種物理測量相比，頻率與時間測量具有如下特點： （1）時頻測量具有動態(tài)性質。 （2）測量精度高。 （3）測量范圍廣。 （4）頻率信息的傳輸和處理比較容易。第2頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.1.2頻率測量的方法 出現(xiàn)并得到過應用的測頻方法與儀器主要有以下幾種： （1）諧振法：利用LC回路的諧振特性進行測頻(如諧振式波長表可測無源LC回路的固有諧振頻率）,測頻范圍為0.5~1500MHz。 （2）外差法：改變標準信號頻率，使它與被測信號混合，取其差頻，當差頻為零時讀取頻率。這種外差式頻率計可測高達3000MHz的微弱信號的頻率，測頻精確度為10-6左右。

第3頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 （3）示波法：在示波器上根據(jù)李沙育圖形或信號波形的周期個數(shù)進行測頻。這種方法的測量頻率范圍從音頻到高頻信號皆可。 （4）電子計數(shù)器法：直接計數(shù)單位時間內被測信號的脈沖數(shù)，然后以數(shù)字形式顯示頻率值。這種方法測量精確度高、快速，適合不同頻率、不同精確度測頻的需要。第4頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.1.3電子計數(shù)器測頻法原理 計數(shù)是電子計數(shù)器最基本的功能。因此，盡管電子計數(shù)器的種類很多，但其基本的工作原理可用圖6.1所示的簡化方框圖加以說明。第5頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.1電子計數(shù)器簡化方框圖第6頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 當把周期為TA的脈沖信號由“1”端加入后，假設在閘門信號的上升沿主門打開，計數(shù)器對輸入脈沖信號進行累加計數(shù)，在閘門信號的下降沿主門關閉，計數(shù)器停止計數(shù)，顯然計數(shù)器所計之數(shù)N為（6-1）第7頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2通用電子計數(shù)器

6.2.1通用電子計數(shù)器的主要技術性能 用于測頻的通用電子計數(shù)器其主要技術性能包括：（1）測試性能：儀器所具備的測試功能，如測量頻率、周期、頻率比等。 （2）測量范圍：儀器的有效測量范圍。在測頻和測周期時，測量范圍不同。測頻時要指明頻率的上限和下限；測周期時要指明周期的最大值和最小值。第8頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 （3）輸入特性：通用電子計數(shù)器一般由2~3個輸入通道組成，需分別指出各個通道的特性，包括：輸入耦合方式：有AC和DC兩種耦合方式。在低頻和脈沖信號計數(shù)時宜采用DC耦合方式。 （4）測量準確度：常用測量誤差來表示，主要由時基誤差和計數(shù)誤差決定，時基誤差由內部晶體振蕩器的穩(wěn)定度確定。 表6.1概括了以上三類振蕩器的頻率穩(wěn)定度。第9頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月表6.1振蕩器的標準頻率穩(wěn)定度第10頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 （5）閘門時間和時標：由機內時標信號源所能提供的時間標準信號決定。根據(jù)測頻和測周期的范圍不同，可提供的閘門時間和時標信號有多種供選擇，如通常的0.01s、0.1s、1s、10s等。 （6）顯示及工作方式：

包括顯示位數(shù)、顯示時間、顯示方式等。 顯示位數(shù)：可顯示的數(shù)字位數(shù)，如常見的8位。 顯示時間：兩次測量之間顯示結果的時間，一般是可調的。 第11頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 顯示方式：有記憶和不記憶兩種顯示方式。記憶顯示方式只顯示最終計數(shù)的結果，不顯示正在計數(shù)的過程。實際上顯示的數(shù)字是剛結束的一次測量結果，顯示的數(shù)字保留至下一次計數(shù)過程結束時再刷新。不記憶顯示方式可顯示正在計數(shù)的過程。但多數(shù)計數(shù)器沒有這種顯示方式。 （7）輸出：包括儀器可輸出的時標信號種類、輸出數(shù)據(jù)的編碼方式及輸出電平等。6.2.2通用電子計數(shù)器的測量功能

1.頻率測量 頻率的測量實際上就是在單位時間內對被測信號的變化次數(shù)進行累加計數(shù)。其原理框圖如圖6.2所示。第12頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.2頻率測量的原理框圖第13頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 設開門時間為T，在時間T內，從主門通過的脈沖個數(shù)為N，則被測信號的頻率fx為 用E312A型通用計數(shù)器測一輸入頻率fx=100000Hz的信號，顯示電路所顯示讀數(shù)隨閘門時間的不同而不同，見表6.2。 （6-2）第14頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月表6.2閘門時間與顯示第15頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.周期測量 周期是頻率的倒數(shù)，因此周期的測量和頻率的測量正好相反。其原理框圖如圖6.3所示。第16頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.3周期測量的原理框圖第17頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 設被測信號的周期為Tx，時標信號的周期為To，在時間Tx內，有N個時標脈沖通過主門，則被測信號的周期為

Tx=N

To

（6-3） 它實際上是多個被測周期的平均值，即 （6-4）第18頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.時間間隔測量 時間間隔測量和周期的測量都是測量信號的時間，因此測量電路大體相同，所不同的是測量時間間隔需要B、C兩個通道分別送出起始和停止信號去控制門控雙穩(wěn)電路以形成閘門信號，其工作原理如圖6.4所示。第19頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.4時間間隔測量的原理框圖

第20頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 若計數(shù)器在主門打開時間內計得脈沖個數(shù)為N，則B和C兩脈沖信號之間的時間間隔為tB-C=NTo

（6-5） 選取兩個輸入信號的上升沿或下降沿的某電平點作為時間間隔的始點和終點，這樣就可以測量兩個輸入信號任意兩點之間的時間間隔，如圖6.5所示。第21頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.5輸入信號任意兩點間的時間間隔測量示意圖第22頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.相位差測量 相位差測量通常是指兩個同頻率的信號之間的相位差的測量。相位差測量的主要方法有示波器法、比較器法、直讀法等。利用電子計數(shù)器也可進行相位差的測量，它是時間間隔測量的一個應用。瞬時值數(shù)字相位差測量原理框圖如圖6.6所示，通過測量兩個正弦波上兩個相應點之間的時間間隔，可換算出它們之間的相位差。第23頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.6瞬時值數(shù)字相位差測量原理框圖第24頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 其工作波形如圖6.7所示。第25頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.7瞬時值數(shù)字相位差測量工作波形第26頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 設被測信號周期為Tx，門控信號u3的寬度，亦即兩個信號相位差Δφ對應的時間為tφ，則 式中，Ts為時標信號周期。 由以上兩式可得：（6-6）（6-7）第27頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 兩次測量結果取平均值： 再利用式（6-7）可得相位差。

5.頻率比fB/fA測量 頻率比是指兩路信號源的頻率的比值。其測量原理與頻率、周期測量的原理類似，如圖6.8所示。第28頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.8頻率比測量原理框圖第29頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.累加計數(shù)和計時 累加計數(shù)是電子計數(shù)器最基本的功能，是指在一段較長時間內累加被測信號的脈沖個數(shù)，測量原理框圖如圖6.9所示。第30頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.9累加計數(shù)和計時的原理框圖第31頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.自校 在使用電子計數(shù)器測量之前，應對電子計數(shù)器進行自校，一是檢驗電子計數(shù)器的邏輯關系是否正常，二是檢驗電子計數(shù)器能否準確地進行定量測量。自校的原理框圖如圖6.10所示。第32頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.10電子計數(shù)器的自校原理框圖第33頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.2.3通用電子計數(shù)器的基本組成 通用電子計數(shù)器一般由六大部分組成，如圖6.11所示。第34頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.11通用電子計數(shù)器的基本組成框圖第35頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.輸入通道部分 通用計數(shù)器的輸入電路一般包含A、B、C三個輸入通道（圖6.11中只畫出A、B兩個通道，因此在測量時間間隔時需配時間間隔測量插件——通道C），其中A為主通道，頻帶較寬；B、C主要在測量周期、頻率比以及時間間隔時使用，稱為輔助通道。三個輸入通道都由放大器、衰減器及整形電路等組成。

2.計數(shù)器 計數(shù)器由觸發(fā)器構成,對來自主門的脈沖信號進行計數(shù)。在數(shù)字儀表中，最常用的是按8421碼進行編碼的十進制計數(shù)器。計數(shù)器的最高工作頻率決定了儀器的最高測量頻率。目前計數(shù)器都已集成化，在使用時可當做一個邏輯部件使用。第36頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.顯示部分 顯示部分將累計的結果以十進制數(shù)字的形式顯示出來。它包括譯碼和顯示電路。 電子計數(shù)器以數(shù)字方式顯示出被測量，目前常用的有LED顯示器和LCD顯示器。LED為數(shù)碼顯示，其優(yōu)點是工作電壓低，能與COMS/TTL電路兼容，發(fā)光亮度高，響應快，壽命長。

LCD為液晶顯示，其突出優(yōu)點是供電電壓低和微功耗，它是各類顯示器中功耗最低的。同時，LCD制造工藝簡單，體積小而薄，特別適用于小型數(shù)字儀表。特別是近年來圖形點陣LCD的大量應用，為儀器帶來了更加豐富、直觀、智能的操作界面。第37頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.時間基準部分 時間基準電路包括晶體振蕩器、分頻器、倍頻器以及時基選擇電路。

5.主門及控制部分 控制電路一般由雙穩(wěn)電路、單穩(wěn)電路等構成，它包括門控電路，工作方式選擇電路，記憶、顯示時間和復原控制電路等。

第38頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 控制電路的作用是產生各種指令信號，如閘門脈沖、閉鎖脈沖、顯示脈沖、復零脈沖、記憶脈沖等，控制和協(xié)調各單元電路的工作，使整機按一定的工作程序完成測量任務。

6.電源部分 這部分電路包括整機電源電路、晶體振蕩器和恒溫槽電源電路。第39頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.2.4通用電子計數(shù)器的測量誤差

1.測量誤差的來源

1）量化誤差 如圖6.12所示，雖然閘門開啟時間都為T，但因為閘門開啟時刻不一樣，計數(shù)值一個為9，另一個卻為8，兩個計數(shù)值相差1。第40頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.12量化誤差的形成第41頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 量化誤差的相對誤差為

（6-8）

2）觸發(fā)誤差 施密特電路輸出規(guī)則的矩形波，如圖6.13（a）所示。第42頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.13噪聲和干擾產生的觸發(fā)誤差第43頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

3）標準頻率誤差 電子計數(shù)器在測量頻率和時間時是以晶振產生的各種時標信號作為基準的。顯然，如果時標信號不穩(wěn)定，則會產生測量誤差，這種誤差稱為標準頻率誤差。

2.測量誤差分析與提高測量精度的方法

1）測頻誤差 通過前面的介紹，測頻量化誤差可用下式表示：（6-9）第44頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

2）測周誤差 測周誤差包括測周量化誤差和觸發(fā)誤差。

(1)測周量化誤差。 參照圖6.3，以及對測頻量化誤差的分析，測周量化誤差為（6-10）第45頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)測周觸發(fā)誤差。 因為一般門電路采用過零觸發(fā)，可以證明觸發(fā)誤差可按下式近似表示：

3）中界頻率的確定 忽略隨機誤差，根據(jù)中界頻率的定義，可得到中界頻率的計算公式： （6-12）（6-11）第46頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 例如，用電子計數(shù)器測量fx=2kHz信號的頻率，分別采用測頻（閘門時間為1s）和測周（晶振頻率fc=10MHz）兩種測量方法，由于量化誤差所引起的相對誤差如下： 測頻時，量化誤差為 測周時，量化誤差為第47頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 中界頻率為

4）多周期測量 除采取以上措施外，測量時還應注意以下事項：

(1)每次測試前應先對儀器進行自校檢查，當顯示正常時再進行測試。

(2)當被測信號的信噪比較差時，應降低輸入通道的增益或加低通濾波器。

(3)為保證機內晶體穩(wěn)定，應避免溫度有大的波動和機械振動，避免強的工業(yè)磁電干擾，儀器的接地應良好。第48頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3等精度時間/頻率測量

6.3.1等精度測量原理 圖6.14示出了等精度測量原理。測量時，儀器先產生閘門預備信號，由被測信號脈沖的上升沿觸發(fā)同步門E，主門E開啟，E計數(shù)器計數(shù)。與此同時，時鐘脈沖的上升沿觸發(fā)同步門T，主門T開啟，T計數(shù)器計數(shù)。 圖6.15是等精度測量的邏輯時序圖。第49頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.14等精度測量原理第50頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.15等精度測量邏輯時序圖第51頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月 在閘門時間T內，E計數(shù)器累計了NE=fx·T個被測信號脈沖，T計數(shù)器累計了NT=f0·T個時鐘脈沖，由運算部分（微處理器）可算出：，并顯示出來。 當鐘頻f0選為100MHz時，對1s閘門時間測量的分辨力恒為10-8，如圖6.16所示。第52頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.161s閘門時間測量分辨力示意圖第53頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.3.2時間間隔平均測量原理 時間間隔測量時序圖如圖6.17所示。第54頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.17時間間隔測量時序圖第55頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4EE3376型可程控通用計數(shù)器簡介

6.4.1EE3376型可程控通用計數(shù)器原理及電路介紹 圖6.18示出了EE3376型可程控通用計數(shù)器的原理框圖。第56頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.18EE3376型可程控通用計數(shù)器邏輯原理框圖第57頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.A、B輸入通道

A通道中輸入保護電路包括由兩只二極管組成的雙向限幅電路及由一只穩(wěn)壓管等組成的源極跟隨器，其作用是過壓保護、阻抗變換及電平移位。

B通道同A通道。

2.C輸入通道

C通道由放大、分頻及電平控制三大部分組成，其中放大器由五級ERB90組成，分頻由SP8668完成。圖6.19所示為C通道方框圖。第58頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.19C通道方框圖第59頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.預定標

EE3376的鐘頻周期為100ns，最大可測信號頻率為10MHz。為了測量高于10MHz的信號頻率，需進行預定標法。

A通道頻寬為DC~120MHz，C通道頻寬為100MHz~1.5GHz。在C通道中，信號經(jīng)放大、整形后通過SP8668預先進行分頻。

4.主門電路 主門電路是實現(xiàn)倒數(shù)計數(shù)的關鍵部件，由微機送出各種不同的功能碼，經(jīng)由選擇開關選擇，來實現(xiàn)各種功能的測量。第60頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.預選閘門電路

EE3376的預選閘門電路是由單穩(wěn)電路T555組成的。單穩(wěn)電路的脈寬受控于前面板上的可調電位器，因此閘門時間約在0.05~10s之間連續(xù)可調。

6.計數(shù)電路

EE3376采用兩塊40位二進制計數(shù)器LS7061和兩塊十六進制計數(shù)器74LS93分別組成E、T計數(shù)器。其中LS7061包括32位二進制計數(shù)器、40位寄存器、掃描選通譯碼電路及8位三態(tài)門輸出電路。微處理器接到測量結束指令后開始取數(shù)。第61頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.送顯電路 送顯電路是由掃描驅動顯示器7812完成的。

8.取樣率電路 取樣率電路是由T555組成單穩(wěn)電路來執(zhí)行的。

9.微處理器單元 微處理器單元對儀器的運行進行管理、數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理。

10.GPIB通用接口

EE3376配置了GPIB接口，其通用性強，加上通用接口所需的應用軟件，可以很方便地將該機接入自動測試系統(tǒng)。第62頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.4.2EE3376型可程控通用計數(shù)器的使用

1.面板功能 啟動“POWER”鍵，接通電源,這時面板上除“LEVELA”、“LEVELB”兩燈外，所有指示燈全亮，顯示器顯示全“8”1秒鐘，然后顯示本機型號“EE3376”。

2.功能鍵操作 功能鍵可以上下?lián)Q擋，只要分別按↑、↓鍵即可。按一次鍵功能上（或下）移一次。 按“RESET”鍵是對微機重新進行初始化。在進行某一測量時，如不需要繼續(xù)測量，而要重新測量時可按下“CLEAR”鍵，此時仍進行原功能的測量。 第63頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.A通道頻率測量（fA）、周期測量（PA） 被測信號fx從“INPUTA”輸入，“COM”鍵彈起。“LEVELA”可以調節(jié)觸發(fā)電平，調節(jié)范圍為-1.5~+1.5V，觸發(fā)電平可用萬用表從旁邊的檢測孔測量。當電位器調至燈閃亮時，觸發(fā)靈敏度為最高。如fx

為正信號，觸發(fā)電平往“+”方向調節(jié)；如fx為負信號，觸發(fā)電平往“-”方向調節(jié)。

4.A→B時間間隔測量(TA-B)

啟動信號從“INPUTA”輸入，停止信號從“INPUTB”輸入，調節(jié)觸發(fā)電平使A、B通道觸發(fā)指示燈閃爍。調節(jié)LEVELA和LEVELB的電平要一致（用萬用表在檢測孔檢測）。第64頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.TOTA（累計測量） 信號從“INPUTA”輸入，同時按下“STA/STP”鍵，燈亮，表示計數(shù)開始；再按一次該鍵，燈滅，表示停止計數(shù)，顯示計數(shù)結果；再按一次，燈亮，則表示繼續(xù)計數(shù)，并在上次測量結果上繼續(xù)累計。如果需觀測測量的結果，則可將取樣率電位器調節(jié)到需要的位置觀察。6.FC（C通道測頻） 當被測信號頻率在100MHz~1.5GHz范圍時，fx應從“INPUTC”輸入。

第65頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.GPIB通用接口

GPIB通用接口具有完全的源掛鉤功能、完全的受者掛鉤功能、除只講外的完全講功能、除只聽外的完全聽功能、完全的串行點名功能和完全的遠控/本控功能。第66頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

8.EE3376用于自動測試

EE3376型可程控通用計數(shù)器用于自動測試時，其使用說明如下：

(1)由于接入自動測試系統(tǒng)的主控機不同，發(fā)布程控命令的方式也不同。

(2)在遠控狀態(tài)下，每次測量完畢數(shù)據(jù)送顯示的同時，用這組數(shù)據(jù)去刷新數(shù)據(jù)存儲區(qū)，以備系統(tǒng)主控機隨時讀數(shù)。

(3)當系統(tǒng)主控機要求該儀器“聽”時，無論儀器處于什么測量狀態(tài)，均能立即響應，并按輸入的程控命令調整狀態(tài)。

第67頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月

(4)當系統(tǒng)主控機要求該儀器“講”時，若這時儀器正處于測量狀態(tài)，則該儀器暫不響應，直到本儀器測量完畢，數(shù)據(jù)刷新之后，再響應系統(tǒng)主控機的“講”命令，將這組數(shù)據(jù)上傳；若此時該儀器未處于測量狀態(tài)，則儀器立即響應此命令，并將最新測量的一組數(shù)據(jù)上傳。

(5)接口輸出格式：以一行為單位，一行最多為32個字符（包括空白字符）。第68頁，課件共72頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題6