电子计数器测频和测周的原理

电子计数器测频和测周的原理

一、实验目的        

1. 了解频率测量的基本原理。
2. 了解电子计数器测频/测周的基本功能。
3. 熟悉电子计数器的使用方法。

二、实验内容

1. 频率测量，并了解测频方式下：闸门时间与测量分辨率关系。
2. 周期测量，并了解测周方式下：时标、周期倍增与测量分辨率关系。

三、实验器材

1.SJ-8002B电子测量实验箱                               1台
2．双踪示波器（20MHz模拟或数字示波器）                 1台
3．函数信号发生器（1Hz～1MHz）                         1台
4．计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力)       1台

四、实验原理

   1.测频原理

    所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间变化的次数。电子计数器是严格按照f＝N/T的定义进行测频，其对应的测频原理方框图和工作时间波形如图1 所示。从图中可以看出测量过程：输入待测信号经过脉冲形成电路形成计数的窄脉冲，时基信号发生器产生计数闸门信号，待测信号通过闸门进入计数器计数，即可得到其频率。若闸门开启时间为T、待测信号频率为fx，在闸门时间Ｔ内计数器计数值为N，则待测频率为
             fx = N/T                                        (1)
若假设闸门时间为1s，计数器的值为1000，则待测信号频率应为1000Hz或1.000kHz，此时，测频分辨力为1Hz。

                    

                                     图2-1 测频原理框图和时间波形

   2.测周原理

   由于周期和频率互为倒数，因此在测频的原理中对换一下待测信号和时基信号的输入通道就能完成周期的测量。其原理如图2所示。

                   

                                       图2     测周原理图

   待测信号Tx通过脉冲形成电路取出一个周期方波信号加到门控电路，若时基信号(亦称为时标信号)周期为To，电子计数器读数为N，则待测信号周期的表达式为

                                                    （2）
   例如：fx = 50Hz，则主门打开1/50Hz（= 20ms）。若选择时基频率为fo = 10MHz，时基To＝0.1us，周期倍乘选1，则计数器计得的脉冲个数为?= 200000 个，如以ms为单位，则计数器可读得20.0000(ms) ，此时，测周分辨力为0.1us。

   3.中界频率

   当直接测频和直接测周的量化误差相等时，就确定了一个测频和测周的频率分界点，这个分界点的频率值称为中界频率。由测频和测周的误差表达式并结合图2-3可以看出：测频时的量化误差和测周时的量化误差相等时，即可确定中界频率为

                                                  （3）
故                                                    （4）

式中，为测频时选用的频标信号频率，即 闸门时间的倒数；为测周频时选用的时标信号频率，；当时，应使用测频的方法；当时，则应使用测周频的方法。对于一台电子计数器特定的应用状态，可以在同一坐标图上同时作出直接测频和直接测周的误差曲线（图3），两曲线的交点即中界频率点。

 

 

 

 

 

 

                       

图 3    测频和测周时的误差曲线

   4.电子计数器测频/测周的自动功能

   电子计数器的自动测频/测周功能主要取决于中界频率。假定选择闸门时间为1s和测周/频时标信号频率为10MHz，则中界频率为MHz(=3162Hz)。因此在选用电子计数器自动测量时，先指定用测频的方式预测一下输入信号的频率，再与中界频率比较之后自动确定电子计数器测频/测周方式。

   5．测量时间和计数值

  （1）测频模式
   测量时间＝闸门时间T
   计数值N= fx*T
   闸门时间短，测量低频信号，N可能很小，甚至为0，这种情况应避免。
   由于我们使用24位计数器，计数值N<224（16777216），否则溢出（OVER）。

  （2）测周模式
   测量时间＝

   计数值
   测量时间与被测信号的周期和周期被乘系数成正比，若选择大的周期倍乘系数，测量低频信号时，测量时间将很长。
低频信号选用大的周期被乘系数和高的时标时，计数值会很大，产生溢出。

五、实验步骤

   1. 按如图4所示,连接实验系统。

图 4  实验平台及实验器材连接图

   说明：被测输入信号有两种接法，一种是如图3所示的①，由外接信号发生器连接实验箱测频输入fx的BNC插座；一种是如图3所示的②，由实验箱上的信号源Aout1(或Aout2)连接实验箱测频输入fx的BNC接头，并用示波器监测输入信号的幅度和频率大小。然后按照电子计数器测频/测周实验运行电子计数器程序进行测量。

    2.电子计数器的面板如图5所示。

                                          图5 虚拟电子计数器面板
   使用说明：
  （1）当选择测频/测周按钮置“测频”时，可选“闸门时间”分别为：1ms,10ms,100ms,1s,10s，时标选择旋钮不使能；
  （2） 当选择测频/测周按钮置“测周”时，可选“周期倍乘”分别为：×1，×10，×100，×1000，×10000。时标选择旋钮可选10MHz,1MHz,100KHz,10KHz,1KHz。
  （3）当选择“自动”按钮时，测频/测周按钮、时标选择旋钮和测频/测周按钮不使能，将自动根据被测信号与中界频率的大小关系来确定采用测频或测周方式，并显示相关内容。
注意：在“测周”模式下，若选择大的周期倍乘系数，测量低频信号时，测量时间将很长。

  3.电子计数器测频/测周实验

 （１） 利用函数信号发生器产生不同频率的信号，波形可分别为方波、正弦波、三角波，幅度为1V～5V,由虚拟电子计数器对其进行“测频”，选择不同的闸门时间，对测量结果进行比较和分析。记录测量的频率值，并填入表1：

表1

信号频率 闸门时间	25Hz	250Hz	2kHz	20kHz	200kHz	2MHz
1ms	不做	不做
10ms	不做
100ms
1s
10s

   提问：本实验中测频模式，闸门时间选用10S时，测量2M信号为什么会溢出？

  （２） 利用实验箱上的信号源产生不同频率的信号，波形可分别为方波、正弦波、三角波，幅度为1V～5V,由虚拟电子计数器对其进行“测频”，选择不同的闸门时间，对测量结果进行比较和分析。记录测量的频率值，并填入表2：

表2

信号频率 闸门时间	25Hz	250Hz	2kHz	20kHz	200kHz	2MHz
1ms	不做	不做
10ms	不做
0.1s
1s
10s

   （３） 利用函数信号发生器产生不同频率的信号，由虚拟电子计数器对其进行“测周”，时标选择为10MHz，幅度为2V，改变不同的周期倍乘，对测量结果进行比较和分析。记录测量的周期值，并填入表3：

表3

信号周期 周期倍乘	0.2s (5Hz)	20ms (50Hz)	2ms (500Hz)	0.2ms (5kHz)	20us (50kHz)	2us (0.5MHz)
1
10
100	不做
1000	不做	不做
10000	不做	不做	不做

   提问：本实验中测周模式，周期被乘选用10时，测量5Hz信号为什么会溢出？

  （４） 利用实验箱上的信号源产生不同频率的信号，由虚拟电子计数器对其进行“测周”，时标选择为10MHz，幅度为2V，改变不同的周期倍乘，对测量结果进行比较和分析。记录测量的周期值，并填入表4：

表4

信号周期 周期倍乘	0.2s (5Hz)	20ms (50Hz)	2ms (500Hz)	0.2ms (5kHz)	20us (50kHz)	2us (0.5MHz)
1
10
100	不做
1000	不做	不做
10000	不做	不做	不做

  （5）利用函数信号发生器产生一个频率为60Hz,幅度为3V左右的方波信号，由虚拟电子计数器对其进行“测周”，选择不同的时标频率，对测量结果进行比较和分析。记录测量的周期值和频率值，并填入表5：

时标选择	10MHz	1MHz	100KHz	10KHz	1KHz
频率
周期

  （6）利用函数信号发生器产生不同频率的信号，幅度为2V，由虚拟电子计数器对其进行测量，选择“自动方式”，观察仪器自动选择的“测频或测周”模式，记录测量的频率值和周期值，对测量结果进行比较和分析，并填入表6：

表6

信号频率	20Hz	200Hz	3kHz	4kHz	50kHz	1.5MHz
测频/测周模式
实测频率
实测周期

六、思考和练习

  1、分析以上测量数据，在电子计数器测频过程中，闸门时间对测量分辨力有何影响？
  2、时标选择对电子计数器测周分辨力有何影响？