255390annizj电子测量仪器教案 第5章.docx
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255390annizj电子测量仪器教案第5章
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。
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
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。
1.A、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。
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:
①闸门信号(时间较长):
根据分频技术的不同多选。
②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
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:
测量原理框图如图所示。
①被测信号→放大、整形(经A输入通道)→序列脉冲→主门
②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→①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:
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。
(2)闸门时间T:
10ns(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
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:
2.测量周期公式:
布置作业
习题
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
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
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:
工作开关S置“分”位置:
①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。
②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:
2.测量周期公式:
3.测量频率比公式:
布置作业
习题
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。
工作过程(①②同时进行):
①晶体振荡器→时标信号
(经系数为m倍频器)作为计数信号。
②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
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
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
N越大,量化误差越小。
2.标准频率误差
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。
由
fx=N/T
其中T:
晶振信号分频,常数,所以
,即
式中
为量化误差。
因为
=±1,故有
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:
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
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。
3.减小触发误差的影响:
提高信噪比和多周期测量法。
布置作业
习题
课题5.5 E312A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
5.5 E312A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:
1Hz~10MHz。
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:
10ms、0.1s、1s、10s四档。
测量单位为:
μs。
小数点自动定位。
2.周期测量
输入端:
A通道。
测量范围:
0.4μs~10s。
多周期测量,倍乘率有⨯100、⨯101、⨯102、⨯103四档。
测量单位为:
μs。
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1Hz~10MHz;B为1Hz~2.5MHz
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:
0.25μs~(107-1)μs。
要求脉宽≥0.5μs,休止期≥0.5μs。
测量单位为:
μs。
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≥500kΩ,输入电容≤30pF。
7.晶体振荡器
振荡频率:
5MHz,稳定度≤1×10-8/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0.2s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
课题5.5 E312A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10ms~10s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:
10MHz(晶振采用5MHz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10MHz(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
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