CN114280522A - 一种脉冲计数器脉冲计数校准装置及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲计数器脉冲计数校准装置及校准方法，它包括函数/任意波形发生器；所述函数/任意波形发生器信号输出端与适配器的信号输入端相连，适配器的信号输出端与脉冲计数器的信号输入端正端和负端相连；利用函数/任意波形发生器的脉冲串功能，输出脉冲数已知的标准脉冲电压信号，经适配器放大后，输出幅度可调的脉冲数已知的标准脉冲电压信号，加到脉冲计数器的信号输入端；脉冲计数器测得的脉冲数与函数/任意波形发生器输出的标准脉冲数进行比较对脉冲计数器进行校准；解决了现有脉冲计数器脉冲计数校准标准仪器种类多、成本高、使用校准复杂，且输出信号幅度窄，满足不了脉冲计数器对输入信号的幅度要求的技术难题。
Description
技术领域
本发明属于测量仪器校准技术，尤其涉及一种脉冲计数器脉冲计数校准装置及校准方法。
背景技术
脉冲计数指对输入的电信号或空接点信号的个数进行累加计数，脉冲计数的最小分辨力一般为1，无量纲。脉冲计数器是一种能够响应脉冲信号或空接点信号并进行计数测量的电子测量仪器，脉冲计数器主要由电源、内部电平触发电路、抽样判别电路、计数电路和显示电路等部分组成。
对电信号进行脉冲个数测量的脉冲计数器的测量原理框图如图1所示，A1为信号输入的正端，A2为信号输入的负端，在A1和A2端输入频率和幅度满足要求的脉冲电压信号时，每1个脉冲使脉冲计数器计1个数并累加。
对空接点信号进行脉冲个数测量的脉冲计数器的测量原理框图如图2所示，A3为信号输入的正端，A4为信号输入的负端，A3和A4端有电压并用V1表示。为了说明其工作原理，外接轻触开关K1。当第1次将K1按下时，A3和A4端短路，A3和A4端的电压从V1跃变为0V，在A3和A4端生成第1个脉冲，脉冲计数器计1个数。当第1次将K1松开时，A3和A4端开路，A3和A4端的电压从0V跃变为V1。当第2次将K1按下时，A3和A4端短路，A3和A4端的电压从V1跃变为0V，在A3和A4端生成第2个脉冲，脉冲计数器计1个数并累加。当第2次将K1松开时，A3和A4端开路，A3和A4端的电压从0V跃变为V1。即每按1次K1时，脉冲计数器计1个数并累加。由于手工每次按K1时停留的时间和相邻两次按的时间间隔长短不一样，因此，脉冲宽度和脉冲间隔时间各不相同，A3和A4端生成的脉冲电压波形如图3所示。
目前，校准脉冲计数器的规范有JJF 1686-2018《脉冲计数器校准规范》，它解决了一些常规的脉冲计数器脉冲计数的校准问题，但还有以下不足：
第一：校准用的标准仪器有：函数信号发生器、脉冲信号发生器、带脉冲计数功能的通用计数器、时间间隔发生器共4种类型的仪器，仪器多、成本高，使用和校准复杂。
第二：JJF 1686-2018《脉冲计数器校准规范》适用于响应30mV～10V的电信号或空接点信号并进行脉冲个数测量的脉冲计数器及脉冲计数模块的校准。目前，有许多脉冲计数器及脉冲计数模块要求输入脉冲信号的电压幅度超出30mV～10V范围，有的高达50V以上。而函数信号发生器、脉冲信号发生器、时间间隔发生器这些仪器通常在50Ω输出阻抗下最大输出脉冲电压峰峰值为10V，在高阻输出阻抗下最大输出脉冲电压峰峰值为20V，因此，它们的输出信号不能使脉冲计数器及脉冲计数模块计数，无法校准。
第三：对于空接点信号的脉冲计数器，有的其空接点间的电压超出30mV～10V的范围，有的高达50V以上，如用函数信号发生器、脉冲信号发生器、带脉冲计数功能的通用计数器、时间间隔发生器这4种类型的仪器进行校准，会对仪器造成损伤。
目前，典型的脉冲计数的主要技术指标为：内置时基最大允许频率偏差：±1.0×10-8，脉冲计数范围：1～1×107，最大允许误差：±(时基最大允许频率偏差×脉冲计数频率×测量时间+1)。
由于现有校准脉冲计数器的标准仪器的种类多、成本高、使用和校准复杂，且这些仪器输出信号幅度等参数达不到有些脉冲计数器的输入信号要求，造成校准困难，因此，校准这些类型的脉冲计数器是需要解决的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提供一种脉冲计数器脉冲计数校准装置及校准方法，以解决现有技术标准仪器种类多、成本高、输出电压范围窄、使用和校准复杂等技术问题。
本发明技术方案：
一种脉冲计数器脉冲计数校准装置，它包括函数/任意波形发生器；所述函数/任意波形发生器信号输出端与适配器的信号输入端相连，适配器的信号输出端与脉冲计数器的信号输入端正端和负端相连；利用函数/任意波形发生器的脉冲串功能，输出脉冲数已知的标准脉冲电压信号，经适配器放大后，输出幅度可调的脉冲数已知的标准脉冲电压信号，加到脉冲计数器的信号输入端；脉冲计数器测得的脉冲数与函数/任意波形发生器输出的标准脉冲数进行比较对脉冲计数器进行校准。
所述适配器包括变压器B1，变压器B1的初级绕组的一端连接到开关K1的一端，开关K1的另一端引出到接线端A5，变压器B1的初级绕组的另一端引出到接线端A6；变压器B1的次级绕组的两端分别连接到整流桥D1的交流输入的两端，整流桥D1的2路直流输出端其负端连接到地GND，其正端与高频电容C1、电解电容C2、电感L1的一端相连。电感L1的另一端与高频电容C3、电解电容C4、电阻R2的一端相连并引出到接线端A8；高频电容C1、电解电容C2、高频电容C3、电解电容C4的另一端与地GND相连。
电阻R1的一端引出到接线端A7，R1的另一端与NPN型晶体三极管Q1的基极相连，Q1的发射极连接到地端GND；电位器W1的一固定端与其调节端相连后与Q1的集电极、电位器W2的一固定端、电压表U的一端相连并引出到接线端A9；电位器W2的另一固定端与其调节端相连后连接到地端GND。
变压器B1初级绕组和次级绕组的匝数相同。
接线端A8为香蕉插座，接线端A7和A9为BNC型接头。
所述的一种脉冲计数器脉冲计数校准装置的校准方法，它包括：
步骤1、合上适配器的开关K1，使适配器通电工作；根据脉冲计数器输入信号幅度要求，调节电位器W1和电位器W2，同时观察电压表U，使电压在脉冲计数器的输入电压范围内，然后断开开关K1；
步骤2、用电缆将函数/任意波形发生器的信号输出端与适配器的信号输入端A7相连，用电缆将适配器的信号输出端与脉冲计数器的信号输入端正端A10和负端A11相连，合上适配器的开关K1；
步骤3、根据脉冲计数器的输入信号频率范围，设置函数/任意波形发生器的输出信号的频率；
步骤4、设置函数/任意波形发生器的输出信号的波形为脉冲波或正弦波，根据适配器输入信号幅度要求，设置输出信号幅度；
步骤5、开启函数/任意波形发生器的脉冲串功能，根据要校准的脉冲个数点，设置函数/任意波形发生器输出的脉冲个数为N0；
步骤6、启动函数/任意波形发生器的信号输出，脉冲计数器开始计数；当输出的脉冲个数达到N0时，输出结束，脉冲计数器停止计数；读取脉冲计数器测得的脉冲个数后，将脉冲计数器清零；
步骤7、重复步骤5和步骤6两次，共校准3次，计算3次脉冲计数器测得的平均值Nx；
步骤8、按照(1)式计算脉冲计数误差：
△N＝Nx-N0 (1)
式中：△N为脉冲计数误差；
Nx为脉冲计数器3次测得的平均值；
N0为函数/任意波形发生器设置的脉冲个数；
步骤9、判断脉冲计数器脉冲计数是否满足技术指标要求，如△N在最大允许误差范围内则合格，否则不合格。
本发明的有益效果：
本发明由1只开关、1只变压器、1只整流桥、1只电感、2只高频电容、2只电解电容、2只电阻、2只电位器、1只NPN型晶体开关三极管和1块电压表共14只电子元件组成适配器，由适配器和1台函数/任意波形发生器组成校准装置。利用函数/任意波形发生器的脉冲串功能，输出所需的脉冲个数电压信号，经适配器进行开关放大后，输出幅度可调的脉冲串电压信号，实现脉冲计数器的校准。
本发明简单可靠，使用方便。校准装置输出的脉冲个数在1～1×107范围内可调，输出幅度在0V～300V范围内连续可调，覆盖了脉冲计数器的计数范围和输入电压的范围。提供了一种解决现有脉冲计数器脉冲计数校准标准仪器种类多、成本高、使用校准复杂，且输出信号幅度窄，满足不了脉冲计数器对输入信号的幅度要求的技术难题，解决了现有技术不能校准所有类型的脉冲计数器脉冲计数的校准技术问题。
附图说明：
图1为现有技术电信号进行脉冲个数测量的脉冲计数器的测量原理框图；
图2为现有技术空接点信号进行脉冲个数测量的脉冲计数器的测量原理框图；
图3为现有技术空接点信号进行脉冲个数测量手动开关时产生的脉冲电压波形；
图4为本发明适配器电路示意图；
图5为本发明校准装置连接示意图。
具体实施方式：
一种脉冲计数器脉冲计数校准装置包括函数/任意波形发生器和适配器，适配器电路图如图4所示。
变压器B1的初级绕组的一端连接到开关K1的一端，开关K1的另一端引出到接线端A5，变压器B1的初级绕组的另一端引出到接线端A6。变压器B1的次级绕组的两端分别连接到整流桥D1的交流输入的两端，整流桥D1的2路直流输出端其负端连接到地GND，其正端与高频电容C1、电解电容C2、电感L1的一端相连。电感L1的另一端与高频电容C3、电解电容C4、电阻R2的一端相连并引出到接线端A8。高频电容C1、电解电容C2、高频电容C3、电解电容C4的另一端与地GND相连。
电阻R1的一端引出到接线端A7，R1的另一端与NPN型晶体三极管Q1的基极相连，Q1的发射极连接到地端GND。电位器W1的一固定端与其调节端相连后与Q1的集电极、电位器W2的一固定端、电压表U的一端相连并引出到接线端A9。电位器W2的另一固定端与其调节端相连后连接到地端GND。
220V、50Hz的交流电压加到接线端A5和A6端，通过开关K1后，加到变压器B1的初级绕组上。变压器B1的初级绕组和次级绕组的匝数相同，变压器B1起隔离作用，将适配器与供电电网隔离，提高用电安全性。因此，变压器B1的次级绕组输出的也是220V、50Hz的交流电压，此电压经整流桥D1整流后，再经电容C1、C2、C3、C4和电感L1组成的π型滤波器滤波后，在A8端输出约300V的直流电压。其中高频电容C1和C3滤除高频干扰，电解电容C2和C4滤除低频干扰和起平滑作用，电感L1起扼流作用。
电阻R1起限流作用，限制流过Q1基极的电流过大。电阻R2起限流作用，防止电位器W1和电位器W2的阻值均调到最小值0Ω时，流过整流桥D1的电流过大。Q1工作在截止或饱和导通状态，起开关和放大作用。电位器W1和W2用于调节输出信号的幅度，电压表U用于监测输出信号的电压幅度。
接线端A8为香蕉插座，接线端A7和A9为BNC型接头。
校准连接框图如图5所示，函数/任意波形发生器的输出端与适配器的信号输入端A7相连，适配器的信号输出端A9与脉冲计数器的信号输入端正端A10和负端A11相连。
校准的工作原理是利用函数/任意波形发生器的脉冲串功能，输出脉冲数已知的标准脉冲电压信号，经适配器开关放大后，输出幅度可调的脉冲数已知的标准脉冲电压信号，加到脉冲计数器的信号输入端。脉冲计数器测得的脉冲数与函数/任意波形发生器输出的标准脉冲数进行比较，从而判断脉冲计数器是否满足其技术指标要求。
将开关K1闭合，使适配器通电工作，则接线端A8有约300V的直流电压。根据被校准的脉冲计数器输入信号幅度要求，调节电位器W1和电位器W2，同时观察电压表U，使其显示的电压值V2在脉冲计数器的输入电压范围内。根据脉冲计数器的输入信号频率范围，设置函数/任意波形发生器的输出信号的频率，同时设置输出信号幅度低电平为0V，高电平为1V。利用函数/任意波形发生器的脉冲串功能，设置要校准的脉冲数。脉冲信号经接线端A7、R1后加到NPN型晶体三极管Q1的基极。低电平0V使Q1截止，Q1的集电极输出高电平V2；高电平1V使Q1饱和导通，Q1的集电极输出低电平0V，A7端的输入波形和A9端的输出波形如图4中所示。Q1工作在饱和导通或截止状态，相当于接通和断开。因此，适配器输出端A9无论连接的是电信号进行脉冲个数测量的脉冲计数器，空接点信号进行脉冲个数测量的脉冲计数器，还是脉冲计数模块均能使其计数，从而实现其对其脉冲计数的校准。
一种脉冲计数器脉冲计数的校准方法包括：
步骤1、合上适配器的开关K1，使适配器通电工作；根据脉冲计数器输入信号幅度要求，调节电位器W1和电位器W2，同时观察电压表U，使电压在脉冲计数器的输入电压范围内，然后断开开关K1；
步骤2、用电缆将函数/任意波形发生器的信号输出端与适配器的信号输入端A7相连，用电缆将适配器的信号输出端与脉冲计数器的信号输入端正端A10和负端A11相连，合上适配器的开关K1；
步骤3、根据脉冲计数器的输入信号频率范围，设置函数/任意波形发生器的输出信号的频率；
步骤4、设置函数/任意波形发生器的输出信号的波形为脉冲波或正弦波，根据适配器输入信号幅度要求，设置其输出信号幅度；
步骤5、开启函数/任意波形发生器的脉冲串功能，根据要校准的脉冲个数点，设置函数/任意波形发生器输出的脉冲个数为N0；
步骤6、启动函数/任意波形发生器的信号输出，脉冲计数器开始计数。当输出的脉冲个数达到N0时，输出结束，脉冲计数器停止计数。读取脉冲计数器测得的脉冲个数后，将脉冲计数器清零；
步骤7、重复步骤5和步骤6两次，共校准了3次，计算3次脉冲计数器测得的平均值Nx；
步骤8、按照(1)式计算脉冲计数误差；
△N＝Nx-N0 (1)
式中：△N为脉冲计数误差；
Nx为脉冲计数器3次测得的平均值；
N0为函数/任意波形发生器设置的脉冲个数；
步骤9、判断脉冲计数器脉冲计数是否满足技术指标要求：如△N在其最大允许误差范围内，合格，否则不合格。
本实施例采用的函数/任意波形发生器为美国是德公司(Keysight)生产的33250A型函数/任意波形发生器，输出波形有正弦波、方波、脉冲波、斜波、任意波等。选配最大允许频率偏差为±1.0×10-9的内置时基；输出频率范围：1μHz～80MHz；输出阻抗为50Ω时的输出幅度范围：10mVpp～10Vpp；输出脉冲数范围：1～1×107；具有外参考频率标准输入端口。
以校准日本欧姆龙公司(OMRON)生产的H7EC-NVF型脉冲计数器为例进行说明。
H7EC-NVF型脉冲计数器，其主要技术指标为：输入脉冲信号电压范围：24V～240V，输入脉冲信号频率范围：0Hz～1kHz，脉冲计数范围：1～99999999。
用33250A型函数/任意波形发生器输出脉冲数的设置方法如下：
以输出频率1kHz、幅度1V、脉冲数10000为例进行说明。按前面板上的脉冲键(Pulse)，在Pulse菜单中设置频率(Freq)为1kHz，幅度(Ample)高电平为1V，低电平为0V，偏置(Offset)为0.5V。按前面板上的脉冲串键(Burst)，在Burst菜单中设置输出脉冲数(NCycle)为10000，触发模式设置(Trigger Setup)设置为人工触发(Manual),按确认设置(Done)。按前面板上的输出键(Output),开启输出。则每按一次前面板上的触发键(Trigger)，则从前面板上的输出端(Output)输出幅度高电平1V、低电平为0V、脉冲数为10000的脉冲电压信号。
适配器的设置方法如下：
在H7EC-NVF型脉冲计数器输入脉冲信号电压范围24V～240V内任选一点，如200V为例对适配器进行设置。调节适配器的电位器W1和W2使电压表U显示200V。
按上面的校准方法的步骤操作后，则适配器的信号输出端A9输出频率为1kHz，电压幅度为200V的脉冲信号，此信号能使H7EC-NVF型脉冲计数器计数，从而实现对其校准。
校准装置主要技术指标：
内置时基最大允许频率偏差：±1.0×10-9，输出频率范围：1μHz～80MHz，输出电压范围：0V～300V。输出脉冲数范围：1～1×107。函数/任意波形发生器具有外参考频率标准输入端口，可采用外加更高精度的参考频率标准，如铷原子频率标准、铯原子频率标准等，将时基的最大允许频率偏差提高到：±(1×10-10～1.0×10-12)量级，从而大幅提高输出脉冲数的精度。
Claims (6)
1.一种脉冲计数器脉冲计数校准装置，它包括函数/任意波形发生器；其特征在于：所述函数/任意波形发生器信号输出端与适配器的信号输入端相连，适配器的信号输出端与脉冲计数器的信号输入端正端和负端相连；利用函数/任意波形发生器的脉冲串功能，输出脉冲数已知的标准脉冲电压信号，经适配器放大后，输出幅度可调的脉冲数已知的标准脉冲电压信号，加到脉冲计数器的信号输入端；脉冲计数器测得的脉冲数与函数/任意波形发生器输出的标准脉冲数进行比较对脉冲计数器进行校准。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲计数器脉冲计数校准装置，其特征在于：所述适配器包括变压器B1，变压器B1的初级绕组的一端连接到开关K1的一端，开关K1的另一端引出到接线端A5，变压器B1的初级绕组的另一端引出到接线端A6；变压器B1的次级绕组的两端分别连接到整流桥D1的交流输入的两端，整流桥D1的2路直流输出端其负端连接到地GND，其正端与高频电容C1、电解电容C2、电感L1的一端相连。电感L1的另一端与高频电容C3、电解电容C4、电阻R2的一端相连并引出到接线端A8；高频电容C1、电解电容C2、高频电容C3、电解电容C4的另一端与地GND相连。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲计数器脉冲计数校准装置，其特征在于：电阻R1的一端引出到接线端A7，R1的另一端与NPN型晶体三极管Q1的基极相连，Q1的发射极连接到地端GND；电位器W1的一固定端与其调节端相连后与Q1的集电极、电位器W2的一固定端、电压表U的一端相连并引出到接线端A9；电位器W2的另一固定端与其调节端相连后连接到地端GND。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲计数器脉冲计数校准装置，其特征在于：变压器B1初级绕组和次级绕组的匝数相同。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲计数器脉冲计数校准装置，其特征在于：接线端A8为香蕉插座，接线端A7和A9为BNC型接头。
6.如权利要求1所述的一种脉冲计数器脉冲计数校准装置的校准方法，其特征在于它包括：
步骤1、合上适配器的开关K1，使适配器通电工作；根据脉冲计数器输入信号幅度要求，调节电位器W1和电位器W2，同时观察电压表U，使电压在脉冲计数器的输入电压范围内，然后断开开关K1；
步骤2、用电缆将函数/任意波形发生器的信号输出端与适配器的信号输入端A7相连，用电缆将适配器的信号输出端与脉冲计数器的信号输入端正端A10和负端A11相连，合上适配器的开关K1；
步骤3、根据脉冲计数器的输入信号频率范围，设置函数/任意波形发生器的输出信号的频率；
步骤4、设置函数/任意波形发生器的输出信号的波形为脉冲波或正弦波，根据适配器输入信号幅度要求，设置输出信号幅度；
步骤5、开启函数/任意波形发生器的脉冲串功能，根据要校准的脉冲个数点，设置函数/任意波形发生器输出的脉冲个数为N0；
步骤6、启动函数/任意波形发生器的信号输出，脉冲计数器开始计数；当输出的脉冲个数达到N0时，输出结束，脉冲计数器停止计数；读取脉冲计数器测得的脉冲个数后，将脉冲计数器清零；
步骤7、重复步骤5和步骤6两次，共校准3次，计算3次脉冲计数器测得的平均值Nx；
步骤8、按照(1)式计算脉冲计数误差：
△N＝Nx-N0 (1)
式中：△N为脉冲计数误差；
Nx为脉冲计数器3次测得的平均值；
N0为函数/任意波形发生器设置的脉冲个数；
步骤9、判断脉冲计数器脉冲计数是否满足技术指标要求，如△N在最大允许误差范围内则合格，否则不合格。
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| CN116979978B (zh) * | 2023-09-22 | 2024-01-23 | 西安乾景防务技术有限公司 | 基于fpga的接收通道间幅度校准方法及装置 |
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| CN114280522B (zh) | 2024-11-29 |
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