1、第6章 智能型電子計數器 第6章 智能型電子計數器 6.1 電子計數器的主要技術性能電子計數器的主要技術性能 6.2 通用電子計數器的基本組成通用電子計數器的基本組成 6.3 通用電子計數器的測量原理通用電子計數器的測量原理 6.4 電子計數器中的智能技術電子計數器中的智能技術 6.5 典型智能電子頻率計實例典型智能電子頻率計實例 思考題與習題思考題與習題 第6章 智能型電子計數器 6.1 電子計數器的主要技術性能電子計數器的主要技術性能6.1.1 6.1.1 電子計數器的分類電子計數器的分類根據儀器所具有的功能，電子計數器有通用計數器和專用根據儀器所具有的功能，電子計數器有通用計數器和專用計

2、數器之分。計數器之分。 通用計數器是一種具有多種測量功能、多種用途的電子計通用計數器是一種具有多種測量功能、多種用途的電子計數器。它可以測量頻率、周期、時間間隔、頻率比、累加計數、數器。它可以測量頻率、周期、時間間隔、頻率比、累加計數、 計時等；配上相應的插件，還可以測量相位、電壓等。一般我計時等；配上相應的插件，還可以測量相位、電壓等。一般我們把凡具有測頻和測周兩種以上功能的電子計數器都歸類為通們把凡具有測頻和測周兩種以上功能的電子計數器都歸類為通用計數器。用計數器。 第6章 智能型電子計數器 專用計數器是指專門用于測量某種單一功能的電子計數器。 例如，專門用于測量高頻和微波頻率的頻率計數器

3、、用以測量時間為基礎的時間計數器和具有某種特殊功能的特種計數器。 時間計數器測時分辨率很高，可達到ns量級；特種計數器如可逆計數器、預置計數器、差值計數器等，主要用于工業自動化方面。 智能型電子計數器是指采用了計算機技術的電子計數器。 由于智能型電子計數器的一切“動作都是在微處理器的控制下進行的，因而可以很方便地采用許多新的測量技術，并能對測量結果進行數據處理、統計分析等，從而使電子計數器的面貌發生了重大的變化。 第6章 智能型電子計數器 6.1.26.1.2電子計數器的主要技術性能電子計數器的主要技術性能1) 1) 測試功能測試功能電子計數器所具備的測試功能一般包括測量頻率、周期、電子計數器

4、所具備的測試功能一般包括測量頻率、周期、 頻率比、時間間隔、累加計數和自校等。頻率比、時間間隔、累加計數和自校等。 2) 2) 測量范圍測量范圍電子計數器的有效測量范圍是相對于測量功能而言的，電子計數器的有效測量范圍是相對于測量功能而言的， 不同的測量功能其測量范圍的含義也不同。如測量頻率時是指不同的測量功能其測量范圍的含義也不同。如測量頻率時是指頻率的上、下限；測量周期時是指周期時間單位的最大、頻率的上、下限；測量周期時是指周期時間單位的最大、最小值。最小值。 第6章 智能型電子計數器 3) 輸入特性一般情況下，當儀器有23個輸入通道時，需分別給出各個通道的特性，主要有： （1） 輸入靈敏度

5、：指儀器正常工作所需輸入的最小電壓。 （2） 輸入耦合方式：主要有AC交流耦合和DC直流耦合兩種。AC耦合時，被測信號經隔直電容輸入；DC耦合時， 被測信號直接輸入，在低頻及脈沖信號輸入時宜采用這種耦合。 第6章 智能型電子計數器 （3） 輸入阻抗：包括輸入電阻和輸入電容，并有高阻抗例如1 M/25 pF和低阻抗例如50 之分。前者多用于頻率不太高的場合，以減小對信號源的負載影響； 后者多用于頻率較高的場合，以滿足匹配要求。（4） 最大輸入電壓：允許的最大輸入電壓。 超過最大輸入電壓后，儀器不能保證正常工作， 甚至會被損壞。 第6章 智能型電子計數器 4) 測量準確度測量準確度常用測量誤差來表

6、示，主要由時基誤差和計數誤差決定。時基誤差由晶體振蕩器的穩定度確定，電子計數器通常給出晶體振蕩器的標準頻率及其頻率穩定度；計數誤差主要指量化誤差。關于計數器的測量誤差將在本章后面討論。 5) 閘門時間和時標由儀器內部標準時間信號源提供的標準時間信號包括閘門時間信號和時標信號，可以有多種選擇。 第6章 智能型電子計數器 6) 顯示及工作方式（1） 顯示位數：儀器可顯示的數字位數。 （2） 顯示時間：儀器一次測量結束后顯示測量結果的持續時間。一般可以調節。 （3） 顯示方式：通常有記憶和不記憶兩種方式。前者只顯示最終計數的結果，后者則顯示正在計數的過程。有的計數器只有記憶顯示方式。 （4） 顯示器

7、件： 儀器所采用的顯示儀器類型。 第6章 智能型電子計數器 7) 輸出這里指的是儀器可輸出的標準時間頻率信號的種類、 輸出數據的編碼方式及輸出電平的高低等。 第6章 智能型電子計數器 數字顯示器數碼寄存器十進制計數器閉鎖單穩顯示單穩復零單穩RM寄存單穩SCPK2J2Q21閉鎖雙穩CPK1J1Q11門控雙穩閘門主門計數顯示單元控制單元B通道放大整形(A通道放大整形(輸入通道部分B輸入A輸入1010 ns100.1 s晶振1 s1010 s3100.1 ms101 ms101010 s1 s1010345211245時標選擇10 ms100 ms閘門時間選擇(周期倍乘)125431自校；2頻率測量

8、；3周期測量；4 fA / fB測量；5累計計數1 ms、時基單元&圖 6-1 通用計數器基本組成方框圖第6章 智能型電子計數器 6.2 通用電子計數器的基本組成通用電子計數器的基本組成 6.2.16.2.1基本組成基本組成1. A1. A、 B B輸入通道輸入通道輸入通道的作用是將被測信號進行放大、整形，使其變換輸入通道的作用是將被測信號進行放大、整形，使其變換為標準脈沖。輸入通道部分包括為標準脈沖。輸入通道部分包括A A、B B兩個通道，它們均由衰減兩個通道，它們均由衰減器、器、 放大器和整形電路等組成。凡是需要計數的外加信號放大器和整形電路等組成。凡是需要計數的外加信號例如測頻信

9、號），均由例如測頻信號），均由A A輸入通道輸入，經過輸入通道輸入，經過A A通道適當的衰通道適當的衰減、放大整形之后，變成符合主門要求的脈沖信號。而減、放大整形之后，變成符合主門要求的脈沖信號。而B B輸入輸入通道的輸出與一個門控雙穩相連，如果需要測量周期，則被測通道的輸出與一個門控雙穩相連，如果需要測量周期，則被測信號就要經過信號就要經過B B輸入通道輸入，作為門控雙穩的觸發信號。輸入通道輸入，作為門控雙穩的觸發信號。 第6章 智能型電子計數器 2. 主門主門又稱閘門，它是用于實現量化的比較電路，它可以控制計數脈沖信號能否進入計數器。 主門電路是一個雙輸入端邏輯與門，如圖6-2所示。它的一

10、個輸入端接受來自控制單元中門控雙穩態觸發器的門控信號， 另一個輸入端則接受計數(脈沖)信號。在門控信號作用有效期間，允許計數(脈沖)通過主門進入計數器計數。 第6章 智能型電子計數器 圖 6-2 主門電路 &T至計數器T計數(脈沖)信號門控信號第6章 智能型電子計數器 3. 計數、 顯示單元計數與顯示電路是用于對來自主門的脈沖信號進行計數， 并將計數的結果以數字的形式顯示出來。為了便于讀數，計數器通常采用十進制計數電路。 帶有微處理器的儀器也可用二進制計數器計數，然后轉換成十進制并譯碼后再進入顯示器。 第6章 智能型電子計數器 4. 時基單元時基電路主要由晶體振蕩器、分頻及倍頻器組成。

11、 時基電路主要用于產生各種標準時間信號。標準時間信號有兩類，一類時間較長的稱為閘門時間信號，通常根據分頻級數的不同有多種選擇； 另一類時間較短的稱為時標信號。時標信號可以是單一的， 也可以有多種選擇。 第6章 智能型電子計數器 由于電子計數器類儀器是基于被測信號的時間與標準時間進行比較而進行測量的，其測量精度與標準時間有直接關系， 因而要求時基電路具有高穩定性和多值性。為了使時基電路具有足夠高的穩定性，時基信號源采用了晶體振蕩器。在一些精度要求更高的通用計數器中，為使精度不受環境溫度的影響， 還對晶體振蕩器采取了恒溫措施。為了實現多值性，在高穩定晶體振蕩器的基礎上，又采用了多級倍頻和多級分頻器

12、。 電子計數器共需時標和閘門時間兩套時間標準，它們由同一晶體振蕩器和一系列十進制倍頻和分頻來產生。例如圖6-1中，1 MHz晶體振蕩器經各級倍頻及前幾級分頻器得到10 ns、0.1 s、1 s、10 s、0.1 ms和1 ms六種時標信號；若再經后幾級分頻器可進一步得到1 ms、10 ms、100 ms、1 s和10 s五種閘門時間信號。 第6章 智能型電子計數器 5. 控制單元控制電路的作用是產生門控信號Q）、寄存信號M和復零信號R三種控制信號，使儀器的各部分電路按照準備丈量顯示的流程有條不紊地自動進行測量工作。 控制單元中包括前述的門控雙穩態電路，它輸出的門控信號用于控制主門的開閉，在觸發

13、脈沖作用下雙穩態電路發生翻轉。通常以一個輸入脈沖開啟主門，另一路輸入脈沖信號使門控雙穩復原，關閉主門。 第6章 智能型電子計數器 6.2.26.2.2控制電路的工作過程控制電路的工作過程在測頻功能下控制電路的工作過程為：在準備期，計數器在測頻功能下控制電路的工作過程為：在準備期，計數器復零，門控雙穩復零，閉鎖雙穩置復零，門控雙穩復零，閉鎖雙穩置“1”1”，門控雙穩解鎖即，門控雙穩解鎖即J1J1為為1 1），處于等待一個時標信號觸發的狀態。在第一個時標），處于等待一個時標信號觸發的狀態。在第一個時標信號的作用下，門控雙穩翻轉信號的作用下，門控雙穩翻轉Q1Q1為為1 1），使主門閘門翻），使主門閘

14、門翻開，開， 被測信號通過主門進入計數器計數，儀器進入測量狀態；被測信號通過主門進入計數器計數，儀器進入測量狀態； 當第二個時標信號到來時，門控雙穩再次翻轉使主門關閉，當第二個時標信號到來時，門控雙穩再次翻轉使主門關閉， 于是測量期結束而進入顯示期；在顯示期，門控雙穩在翻轉的于是測量期結束而進入顯示期；在顯示期，門控雙穩在翻轉的同時也使閉鎖雙穩翻轉同時也使閉鎖雙穩翻轉Q2Q2為為0 0）。閉鎖雙穩的翻轉一方面使）。閉鎖雙穩的翻轉一方面使門控雙穩閉鎖門控雙穩閉鎖J1J1為為0 0），避免了在顯示期門控雙穩被下一個），避免了在顯示期門控雙穩被下一個時標信號觸發翻轉；時標信號觸發翻轉； 第6章 智能

15、型電子計數器 另一方面也通過寄存單穩產生寄存信號M，將計數結果送入寄存器寄存并譯碼驅動顯示器顯示。為了使顯示的讀數保持一定的時間，顯示單穩產生了用于顯示時間的延時信號。 顯示延時結束時，又驅動復零單穩電路產生計數器復零信號R和解鎖信號，使儀器又恢復到準備期的狀態，于是上述過程又將自動重復。通用計數器控制部分電路控制信號的時間波形圖如圖6-3所示。從以上過程可以看出，控制電路是整個儀器的指揮中心。 第6章 智能型電子計數器 圖 6-3 控制信號的時間波形圖 1 s時標信號門控雙穩閉鎖雙穩寄存單穩顯示單穩復零單穩閉鎖單穩LRMQ2Q1第6章 智能型電子計數器 6.2.3 6.2.3 通用電子計數器

16、的基本功能通用電子計數器的基本功能圖圖6-16-1所示的通用電子計數器共含有五個基本功能，所示的通用電子計數器共含有五個基本功能， 它它是通過功能開關進行選擇的。是通過功能開關進行選擇的。當功能開關置于位置當功能開關置于位置“2 2時，儀器處于頻率測量功能，時，儀器處于頻率測量功能， 此時被測信號從此時被測信號從A A端輸入。端輸入。當功能開關置于位置當功能開關置于位置“3 3時，儀器處于周期測量功能，時，儀器處于周期測量功能， 此時被測信號從此時被測信號從B B端輸入。端輸入。 當功能開關置于位置當功能開關置于位置“4 4時，儀器處于時，儀器處于A A信號與信號與B B信號的信號的頻率比頻率

17、比(fA/fB)(fA/fB)測量功能。測量功能。 第6章 智能型電子計數器 當功能開關置于位置“5時，儀器處于累加計數功能。 累加計數是在一定的人工控制的時間內記錄A信號的脈沖個數， 其人工控制的時間通過操作開關S來實現圖中未畫出）。 當功能開關置于位置“1時，儀器處于自校功能。從電路的連接可以看出其電路連接如同頻率測量電路，所不同的是在自校功能下被測信號是機內時標信號，因而其計數與顯示的結果應是已知的。若顯示的結果與應顯示的結果不一致，則說明儀器工作不正常。 第6章 智能型電子計數器 6.3 通用電子計數器的測量原理通用電子計數器的測量原理 6.3.1 6.3.1 測量頻率測量頻率頻率定義

18、為一個周期性過程在單位時間內重復的次數。頻率定義為一個周期性過程在單位時間內重復的次數。 只要在一定的時間間隔只要在一定的時間間隔T T內測出這個過程的周期數內測出這個過程的周期數N N，即可按下，即可按下式求出頻率式求出頻率: : TNf x (6-1) 第6章 智能型電子計數器 圖6-4為傳統的頻率測量原理框圖。頻率為fx的被測信號，由A端輸入，經A通道放大整形后輸往主門閘門）。晶體振蕩器簡稱晶振產生頻率準確度和穩定度都非常高的振蕩信號， 經一系列分頻器逐級分頻之后，可獲得各種標準時間脈沖信號簡稱時標）。通過閘門時間選擇開關將所選時標信號加到門控雙穩， 再經門控雙穩形成控制主門啟、閉作用的

19、時間T稱閘門時間），則在所選閘門時間T內主門開啟，被測信號通過主門進入計數器計數。若計數器計數值為N，則被測信號的頻率fx=N/T。 第6章 智能型電子計數器 圖 6-4 頻率測量原理框圖放 大 整 形閘門計 數 、 顯 示晶 振倍 頻 、 分 頻十 進 分 頻100 ms10 ms1 ms1 s10 sT閘 門 時 間選 擇 開 關A 通 道A 輸 入 端fx第6章 智能型電子計數器 儀器閘門時間T的選擇一般都設計為10n sn為整數）， 并且閘門時間的改變與顯示屏上小數點位置的移動同步進行， 故使用者無須對計數結果進行換算，即可直接讀出測量結果。 例如, 被測信號頻率為100 kHz，閘門

20、時間選1 s時，N=100 000，顯示為100.00 kHz；若閘門時間選100 ms，則N=10 000，顯示為100.00 kHz。測量同一個信號頻率時，閘門時間增加，測量結果不變，但有效數字位數增加，提高了測量精確度。 第6章 智能型電子計數器 6.3.2 6.3.2 測量周期測量周期周期是頻率的倒數，因此，測量周期時可以把測量頻率周期是頻率的倒數，因此，測量周期時可以把測量頻率時的計數信號和門控信號的來源相對換來實現。圖時的計數信號和門控信號的來源相對換來實現。圖6-56-5為傳統為傳統的周期測量原理圖。周期為的周期測量原理圖。周期為TxTx的被測信號由的被測信號由B B通道進入，經

21、通道進入，經B B通道處理后，再經門控雙穩輸出作為主門啟閉的控制信號，通道處理后，再經門控雙穩輸出作為主門啟閉的控制信號， 使主門僅在被測周期使主門僅在被測周期TxTx時間內開啟。晶體振蕩器輸出的信號時間內開啟。晶體振蕩器輸出的信號經倍頻和分頻得到了一系列的時標信號，通過時標選擇開關，經倍頻和分頻得到了一系列的時標信號，通過時標選擇開關，所選時標經所選時標經A A通道送往主門。在主門的開啟時間內，時標進入通道送往主門。在主門的開啟時間內，時標進入計數器計數。計數器計數。 若所選時標為若所選時標為T0T0，計數器計數值為，計數器計數值為N N，則被測，則被測信號的周期為信號的周期為 Tx=NT0

22、 （6-2） 第6章 智能型電子計數器 圖 6-5 周期測量原理圖 閘門計數、顯示門控放大整形十進分頻晶振倍頻、分頻Tx110102103104B輸入放大整形10 ns1 msA通道TxT0B通道第6章 智能型電子計數器 由于T0f0為常數，因此Tx正比于N。T0通常設計為10ns(n為整數)，配合顯示屏上小數點的自動定位，可直接讀出測量結果。 例如, 某通用計數器時標信號T00.1 s(f0=10 MHz),測量周期Tx為1 ms的信號，得到N=Tx/T0=10 000，則顯示結果為1000.0 s。 如果被測周期較短，為了提高測量精確度，還可采用多周期法又稱周期倍乘），即在B通道和門控雙穩

23、之間加設幾級十進分頻器設分頻系數為Kf），這樣使被測周期得到倍乘即主門的開啟時間擴展Kf倍。若周期倍乘開關Kf選為10n，則計數器所計脈沖個數將擴展10n倍，所以被測信號的周期應為 nNTT100 x（6-3） 第6章 智能型電子計數器 周期倍乘率Kf的改變與顯示屏上小數點位置的移動同步進行，故使用者無須對計數結果進行換算， 即可直接讀出測量結果。例如,前例中若采用多周期法，設周期倍乘率選102， 則計數結果N為1 000 000，顯示結果為1000.000 s。 測量結果不變，但有效數字位數增加了， 測量精確度提高了。 第6章 智能型電子計數器 6.3.3 測量頻率比測量頻率比 圖 6-6

24、測量頻率比的原理框圖 放大整形電路主門計數顯示放大整形電路門控電路輸入AfA(A通道)fB輸入B(B通道)TATATBTB第6章 智能型電子計數器 當fAfB時,被測信號fB由B通道輸入，經放大整形后控制主門的啟閉，門控信號的脈寬等于B通道輸入信號的周期； 而被測信號fA由A通道輸入，經放大整形后作為計數脈沖， 在主門開啟時送至計數器計數。 計數結果為 BAABffTTN（6-4） 為了提高測量精確度，也可采用類似多周期的測量方法，即在B通道后加設分頻器，對fB進行Kf次分頻，使主門開啟的時間擴展Kf倍， 于是 BAfABfffKTTKN(6-5) 第6章 智能型電子計數器 6.3.4 6.3

25、.4 測量時間間隔測量時間間隔測量時間間隔的原理框圖如圖測量時間間隔的原理框圖如圖6-76-7所示。所示。 圖 6-7 測量時間間隔的原理框圖 晶振分頻或倍頻器D主門計數顯示門控電路放大整形電路(A通道)Au1放大整形電路(B通道)Bu2合分S第6章 智能型電子計數器 測量時間間隔時，利用A、B輸入通道分別控制門控電路的啟動和復原。在測量兩個輸入脈沖信號u1和u2之間的時間間隔雙線輸入時，將工作開關S置“分位置，把時間超前的信號加至A通道，用于啟動門控電路; 另一個信號加至B 通道， 用于使門控電路復原。測量時，A通道的輸出脈沖較早出現，觸發門控雙穩開啟主門，開始對時標信號T0D處信號計數;

26、較遲出現的B通道的輸出脈沖使門控電路復原， 關閉主門，停止對T0計數，有關波形如圖6-8所示。主門開啟期間計數器的計數結果N與兩脈沖信號間的時間間隔td的關系為 td =NT0 （6-6） 第6章 智能型電子計數器 圖 6-8 測量時間間隔的波形圖 NT0時標門控信號td輸入B終止輸入A起始被計時標數第6章 智能型電子計數器 為了適應測量的需要，在A、 B通道內分別設置有斜率極性選擇和觸發電平調節功能。根據所要測量的時間間隔所在點的信號極性和電平的特征來選擇觸發極性和觸發電平， 就可以在被測時間間隔的起點和終點所對應的時刻決定主門的啟閉。 當需要測量一個脈沖信號內的時間間隔時，將工作開關S置“

27、合的位置，兩通道輸入并聯，被測信號由此公共輸入端輸入。調節兩個通道的觸發極性和觸發電平，可測量脈沖信號的脈沖寬度、 前沿、 休止期等參數。 第6章 智能型電子計數器 如要測量某正脈沖的脈寬，將A通道觸發極性選擇為“”， B通道觸發極性選擇為“-”，調節兩通道觸發電平均為脈沖幅度的50，則計數結果即為脈寬值。若A、B通道的觸發極性分別改選為“-”和“”，則可測得脈沖休止期時間。 如果要測量正脈沖的前沿，則將兩通道的極性均選擇為“”，調節A通道的觸發電平到脈沖幅度的10處，調節B通道的觸發電平到脈沖幅度的90處， 則計數結果即為該脈沖的前沿值。 上述控制門控電路啟動和復原的兩個輸入通道可以是圍繞圖

28、6-7所述的測量過程中的兩個輸入通道，有的計數器也另外增設輔助輸入通道。 第6章 智能型電子計數器 6.3.56.3.5累加計數累加計數 累加計數是指在給定的時間內，對輸入的脈沖個數進行累加計數是指在給定的時間內，對輸入的脈沖個數進行累計。累加計數的原理框圖如圖累計。累加計數的原理框圖如圖6-96-9所示。所示。 圖 6-9 累加計數的原理框圖 放大整形電路輸入(A通道)主門計數顯示門控電路啟動停止(人工觸發)第6章 智能型電子計數器 6.3.6 6.3.6 自校自校 在正式測量前，為了檢驗儀器工作是否正常，一般智能型在正式測量前，為了檢驗儀器工作是否正常，一般智能型電子計數器都設有自校功能。

29、電子計數器都設有自校功能。 自校的原理框圖如圖自校的原理框圖如圖6-106-10所示。所示。 圖 6-10 自校的原理框圖 倍 頻 器m閘 門計 數 顯 示分 頻 器門 控 電 路晶 振T0KfTKfT00TmT0第6章 智能型電子計數器 自校時，晶體振蕩器經過倍頻器倍頻系數m輸出的標準時間信號，即時標信號T0，被用作通過主門到達計數器的計數信號；晶體振蕩器經過分頻電路分頻系數Kf輸出的標準時間信號，即閘門時間信號T，被用作門控電路的觸發信號。 此時, 計數器的計數結果取決于所選的時標信號和閘門時間信號，即倍頻系數m和分頻系數Kf，則有如下公式： mKmTTKTTNff000/（6-7） 操作

30、人員可根據上式對儀器實現自校。 第6章 智能型電子計數器 6.3.7 6.3.7 通用計數器測量誤差的類型通用計數器測量誤差的類型1. 1. 最大計數誤差（最大計數誤差（1 1誤差）誤差）通用計數器各測量功能在計數時，如果主門的開啟時刻與通用計數器各測量功能在計數時，如果主門的開啟時刻與計數脈沖的時間關系是不相關的，那么，同一信號在相同的主計數脈沖的時間關系是不相關的，那么，同一信號在相同的主門開啟時間內兩次測量所記錄的脈沖數門開啟時間內兩次測量所記錄的脈沖數N N可能是不一樣的參可能是不一樣的參見圖見圖6-116-11）。其結果可能為）。其結果可能為N N，也可能為，也可能為N+1N+1或者

31、是或者是N-1N-1。由此。由此可見，可見， 最大計數誤差為最大計數誤差為N=N=1 1，該項誤差將使儀器最后的顯，該項誤差將使儀器最后的顯示結果會有一個字的閃動。示結果會有一個字的閃動。 NNN1（6-8） 第6章 智能型電子計數器 圖 6-11 1誤差示意圖 計 數 8個計 數 7個閘 門 信 號第6章 智能型電子計數器 很顯然，在測頻、測周、測fA/fB等功能中，主門開啟信號與通過主門被計數信號的時間關系不相關，都存在該項誤差。 但在自校功能中，時標信號和閘門時間信號來自同一信號源， 應不存在1誤差。 最大計數誤差的特點是：不管計數N是多大，N的最大值都為1。因此，為了減少最大計數誤差對

32、測量精度的影響， 在儀器使用中所采取的技術措施是：盡量使計數值N大，使N/N誤差相應減少。例如在測頻時，應盡量選用大的閘門時間; 在測周時，應盡量選用小的時標信號，必要時使用周期倍乘率開關， 進行多周期平均測量。 第6章 智能型電子計數器 2. 標準頻率誤差標準頻率誤差在測頻時取決于閘門時間的準確度，在測周時取決于時標的準確度。由于閘門時間和時標均由晶體振蕩器多次倍頻或分頻獲得，因此，通用計數器有關功能的標準頻率誤差就是指通用計數器內或外部接入的晶體振蕩器的準確度f0/f0。 凡是使用時標和閘門時間標準信號的功能都存在此項誤差， 例如測頻、測周、測時間間隔等。而測fA/fB、累加計數等功能中不

33、存在該項誤差。 第6章 智能型電子計數器 為了使標準頻率誤差對測量結果產生的影響足夠小，應認真選擇晶振的準確度。一般說來，通用計數器顯示器的位數愈多，所選擇的內部晶振準確度就應愈高。例如，7位數字的通用計數器一般采用準確度優于10-7數量級的晶體振蕩器。 這樣， 在任何測量條件下，由標準頻率誤差引起的測量誤差， 都不大于1誤差所引起的測量誤差。 第6章 智能型電子計數器 3. 3. 觸發誤差觸發誤差當進行周期等功能的測量時，門控雙穩的門控信號由通過當進行周期等功能的測量時，門控雙穩的門控信號由通過B B通道的被測信號所控制。當無噪聲干擾時，主門開啟時間剛通道的被測信號所控制。當無噪聲干擾時，主

34、門開啟時間剛好等于一個被測信號的周期好等于一個被測信號的周期TxTx。如果被測信號受到干擾，當信。如果被測信號受到干擾，當信號通過號通過B B通道時，將會使整形電路施密特觸發器出現超前通道時，將會使整形電路施密特觸發器出現超前或滯后觸發，致使整形后波形的周期與實際被測信號的周期發或滯后觸發，致使整形后波形的周期與實際被測信號的周期發生偏離生偏離TxTx，引起所謂的觸發誤差或轉換誤差）。，引起所謂的觸發誤差或轉換誤差）。 經推導，經推導， 觸發誤差觸發誤差Tx/TxTx/Tx的大小為的大小為 mnxx21UUTT（6-9） 第6章 智能型電子計數器 式中：Um信號的振幅； Un干擾或噪聲的振幅。

35、 可見，信噪比Um/Un愈大，觸發誤差就愈小，若無噪聲干擾，便不會產生該項誤差。因此，在頻率等測量功能中， 由于控制門控雙穩的門控信號是由儀器內部產生的，因此不會存在觸發誤差。在周期、fA/fB等測量功能中，如果進入B通道的信號含有干擾， 便會存在觸發誤差。 第6章 智能型電子計數器 采用周期倍乘率開關進行多周期測量，可減弱此項誤差。 例如，如果周期倍乘率取10，則只在第1個周期開始與第10個周期結束時會產生觸發誤差，使觸發誤差相對減弱了10倍。 通過上述分析，可得頻率測量誤差表達式如下： 00001fffTffNNffxgxx（6-10） 式中, Tg為閘門時間。 第6章 智能型電子計數器

36、另外，可得周期測量誤差表達式如下： 00mnns00n210110ffUUTTffTTNNffnnxx（6-11） 式中,10n為周期倍乘率值(n取0，1，2，3，4)，Tn為選用的時標信號。 其他功能的測量誤差表達式可根據儀器的具體電路結構并參照上述分析作出。 第6章 智能型電子計數器 6.4 電子計數器中的智能技術電子計數器中的智能技術 6.4.1 6.4.1 多周期同步測量技術多周期同步測量技術1. 1. 等精度測量等精度測量在按圖在按圖6-46-4所示的原理測量頻率時，當被測頻率很低時，所示的原理測量頻率時，當被測頻率很低時， 由由1 1誤差而引起的測量誤差將大到不能允許的程度。例如，

37、誤差而引起的測量誤差將大到不能允許的程度。例如，fx=1 Hzfx=1 Hz，閘門時間為，閘門時間為1 s1 s時，測量誤差高達時，測量誤差高達100100。因此，為提。因此，為提高低頻測量精度，通常將電子計數器的功能轉為測周期，然后高低頻測量精度，通常將電子計數器的功能轉為測周期，然后再利用頻率與周期互為倒數的關系來換算其頻率值，這樣便可再利用頻率與周期互為倒數的關系來換算其頻率值，這樣便可得到較高的精確度。在測量周期時，當被測周期很小時也會產得到較高的精確度。在測量周期時，當被測周期很小時也會產生同樣的問題，并且也可以采取同樣的解決辦法，先測頻率，生同樣的問題，并且也可以采取同樣的解決辦法

38、，先測頻率， 再換算出周期。再換算出周期。 第6章 智能型電子計數器 測頻量化誤差及測周量化誤差與被測信號頻率的關系見圖6-12所示，圖中測頻和測周量化誤差曲線交點所對應的被測信號頻率稱為中界頻率fxm。在中界頻率下，由測頻和測周所引起的量化誤差相等。很顯然，當fxfxm時宜采用測頻的方法， 當fxfxm時宜采用測周的方法。中界頻率fxm與測頻時所取的閘門時間以及測周時所取的時標有關。例如，測頻時取閘門時間為1 s，測周時取時標為10 ns的中界頻率fxm10 kHz，由圖可知，此時兩種方法所引起的量化誤差均為10-4。 第6章 智能型電子計數器 圖 6-12 測頻量化誤差及測周量化誤差與被測

39、信號頻率的關系圖 1011021031041051061071081 Hz1 kHz1 MHz100 MHz被測頻率 fx測頻量化誤差測周量化誤差閘門 T0.1 s1 s10 s10 ns0.1 s時標1 nsNN第6章 智能型電子計數器 上述測量方法是減少由1誤差引起的測量誤差的一種有效方法，但還存在兩個問題：一是該方法不能直接讀出其頻率值或周期值； 二是在中界頻率附近，仍不能達到較高的測量精度。若采用多周期同步測量方法，便可解決上述問題。該方法不僅可以直接讀取頻率值或周期值，而且還可以使其測量精度在全頻段上一致， 即實現了等精度測量。 第6章 智能型電子計數器 2. 多周期同步測量原理多周

40、期同步測量原理與傳統的頻率和周期的測量原理不同， 其測量原理可用圖6-13所示的框圖來分析。 預置閘門時間產生電路用于產生預置的閘門時間Tp， Tp經同步電路便可產生與被測信號fx同步的實際的閘門時間Tg。主門與主門在時間Tg內被同時打開，于是計數器和計數器便分別對被測信號fx和時鐘信號f0的周期數進行累計。在時間Tg內，計數器的累計數NA=fxTg，計數器的累計數NB=f0Tg, 再由運算部件計算得出fx=(NA/NB)f0, 即為被測頻率。 第6章 智能型電子計數器 計數器記錄了被測信號的周期數，所以通常稱為事件計數器。由于閘門的開和關與被測信號同步， 因而實際的閘門時間Tg已不等于預置的

41、閘門時間Tp,且大小也不是固定的。為此設置了計數器，用以在Tg內對標準時鐘信號進行計數，以確定實際開門的閘門時間Tg的大小，所以計數器通常稱為時間計數器。 第6章 智能型電子計數器 圖 6-13 多周期同步測量原理框圖 預 置 閘 門時 間 產 生DQ同 步 電 路主門主門放 大整 形通 道時 鐘 f0計 數 器 NA fxTg計 數 器 NB f0Tg 計 算 ：顯 示fxTpTgBANNfxf0第6章 智能型電子計數器 由圖6-14所示的工作波形圖中可以看出，由于D觸發器的同步作用，計數器所記錄的NA值已不存在1誤差的影響了。但由于時鐘信號與閘門的開和關無確定的相位關系，因此計數器所記錄的

42、NB的值仍存在1誤差的影響，只是由于時鐘頻率很高，1誤差的影響很小。所以測量精度與被測信號的頻率無關， 且在全頻段的測量精度是均衡的。 第6章 智能型電子計數器 圖 6-14 多周期同步測量工作波形圖 fxTpTgNAf0NB第6章 智能型電子計數器 設閘門時間為1s，取時鐘頻率f0=10 MHz，則由1誤差而引起的相對誤差為10-7。若要進一步減少這項誤差的影響， 須再增大時鐘頻率f0。由圖6-14還可以看出，NB實際是NA個被測信號周期的時鐘脈沖的個數，由運算部件計算fx的值為多周期測量的平均值，所以把這種測量方法稱為多周期同步測量。 多周期同步測量電路需要計算電路且要有兩個計數器，因而電

43、路的實現比傳統的測量電路要復雜，但若使用微處理器可使電路大大簡化，所以在智能型電子計數器中完全可采用此方法。 第6章 智能型電子計數器 6.4.2內插模擬擴展技術內插模擬擴展技術在傳統的電子計數器中，測量時間間隔的分辨能力取決于在傳統的電子計數器中，測量時間間隔的分辨能力取決于所用的時鐘頻率所用的時鐘頻率f0。單純地通過提高時鐘頻率。單純地通過提高時鐘頻率f0來提高測時分來提高測時分辨率是有限的，例如即使辨率是有限的，例如即使f0高達高達100 MHz的時鐘，其測時分辨的時鐘，其測時分辨率也只能達到率也只能達到10 ns。采用內插模擬擴展技術可在時鐘頻率不變。采用內插模擬擴展技術可在時鐘頻率不

44、變的情況下使測時分辨率大大提高，一般而言，可提高的情況下使測時分辨率大大提高，一般而言，可提高23個數個數量級或更高。量級或更高。 第6章 智能型電子計數器 6-15示出了內插法測量波形圖。由波形圖可以看出，采用內插法測時間間隔，不僅要累計T內的時鐘脈沖數，而且還把產生1誤差的那兩部分時間T1和T2拉寬N倍。然后累計其中的時鐘脈沖數N1和N2，這樣就把分辨率提高了N倍。如果時鐘頻率為10 MHzT0=100 ns），內插模擬擴展倍數N=1000，則被測時間間隔可以表示為 10010001000210210NNNTTTT將T1和T2展寬的辦法是：首先在T1和T2內對一個電容以恒定電流充電；然后以

45、慢N倍例如N1000的速度放電，則電容放電到起始狀態下的時間是T1和T2的N倍；最后再用原來的時鐘對其進行測量計數得到N1和N2。 第6章 智能型電子計數器 圖 6-15 內插法測量波形圖 123TNT2T112N11000T112N21000T2第6章 智能型電子計數器 一個實際的模擬擴展器的電路原理圖如圖6-16所示，它主要由一對高速電流開關V1、V2，恒流源I1(I1=10 mA)、I2(I2=10 A)（即I1=I2），閾值檢測管V3等部分組成。工作原理為：初始狀態V1導通、V2截止， 10 A恒流源I2對電容C充電，使A點電位上升到約5.7 V，V3導通。在T1或T2時間內，電流開關

46、V1截止,V2導通，電容C通過V2放電，使A點電位下降，V3截止，則在T1或T2時間內放走的電荷Q1=(I1-I2)T1。T1結束后，電流開關又轉換為使V1導通、 V2截止的初始狀態，10 A恒流源I2對電容C充電，使A點電位逐步上升。若在T1時間內，A點電位上升到約5.7 V，使V3重新導通而使充電結束，則在T1內充到的電荷Q2=I2T1。 顯然Q1=Q2，于是可得： 第6章 智能型電子計數器 122111999)(TIIITT（6-12） 即 1111000TTT（6-13） 在T1+T1這段時間內,V3處于截止狀態，B點的電壓為 0 V； V3導通時， B點電壓為1 V(10 A100

47、k)，則B點出現了一個寬度為1000T1的脈沖，再經運算放大器放大即可觸發擴展觸發器。 第6章 智能型電子計數器 圖 6-16 模擬擴展器電路原理圖 5 V15 VCAI210 AV3B100 kV1V2QQ15 VI110 mA擴展輸出T1 1000T11T0 V0.1 VT1UBUA5.7 V999 T11T第6章 智能型電子計數器 6.5 典型智能電子頻率計實例典型智能電子頻率計實例 6.5.16.5.1頻率計的系統結構頻率計的系統結構智能型頻率計以單片機智能型頻率計以單片機AT89C2051AT89C2051為控制芯片。為控制芯片。 AT89C2051AT89C2051是是MCS-51

48、MCS-51系列單片機中的一種，由其完成電路中待系列單片機中的一種，由其完成電路中待測信號的計數、譯碼和顯示，以及對分頻比的控制。智能型頻測信號的計數、譯碼和顯示，以及對分頻比的控制。智能型頻率計的電路結構框圖如圖率計的電路結構框圖如圖6-176-17所示。待測信號經放大整形后，所示。待測信號經放大整形后， 由分頻器進行分頻，分頻后的信號再經由分頻器進行分頻，分頻后的信號再經CD4051CD4051選擇后送入單片選擇后送入單片機的機的T0T0端進行計數，分頻比受單片機控制。時基信號發生器主端進行計數，分頻比受單片機控制。時基信號發生器主要產生脈寬為要產生脈寬為1s1s的閘門信號，并輸入單片機的

49、的閘門信號，并輸入單片機的INT0INT0端，用以啟端，用以啟停停T0T0的計數。計數的結果經軟件譯碼后送入數碼顯示器顯示。的計數。計數的結果經軟件譯碼后送入數碼顯示器顯示。 第6章 智能型電子計數器 圖 6-17 智能型頻率計的電路結構框圖 顯示器AT89C2051RxDTxD鍵盤P2口INT068T0P1.0P1.1CD4013 1/2DCLKQRSQCD4013 1/2DCLKQRSQGNDCD4060RESTCinQ14outCR1101132768 HzC1100 PC2100 PGNDOUTA0A13111013121110CD405112151413141312111111011

50、001100074HC90CP11CP014R02 , 3R96 , 7121114GNDQAQD74HC90CP11CP014R0R9121113QAQDGND74HC90CP11CP014R0R9121112QAQD11整形放大INPUT3122 , 36 , 72 , 36 , 7第6章 智能型電子計數器 6.5.2 主要電路工作原理主要電路工作原理1. 分頻器分頻器由于由于AT89C2051單片機內部的單片機內部的2個計數器均是個計數器均是16位的，因位的，因此最大計數范圍為此最大計數范圍為216。若閘門時間為。若閘門時間為1 s， 則所測信號最高頻則所測信號最高頻率為率為65.535

51、 Hz。為實現頻率較高信號的測量，采用。為實現頻率較高信號的測量，采用3片片74HC90構成構成1/10、1/100和和1/1000分頻器，這樣，理論上可測分頻器，這樣，理論上可測信號的最高頻率為信號的最高頻率為65.535 MHz。分頻后的信號通過數據選擇。分頻后的信號通過數據選擇器送入器送入CPU的的T0端，數據選擇器受端，數據選擇器受CPU的的P1.0和和P1.1控制。控制。 第6章 智能型電子計數器 2. 2. 時基電路時基電路閘門信號的產生由閘門信號的產生由CD4060CD4060和和CD4013CD4013完成。完成。CD4060CD4060構成石英構成石英晶體振蕩器和分頻器，將晶

52、體振蕩器和分頻器，將32 768 Hz32 768 Hz晶體振蕩信號分頻為晶體振蕩信號分頻為2 Hz2 Hz信號，再經過信號，再經過CD4013CD4013雙雙D D觸發器觸發器4 4分頻獲得持續時間為分頻獲得持續時間為1 s1 s，頻，頻率為率為0.5 Hz0.5 Hz的時基閘門信號。閘門信號送入單片機的的時基閘門信號。閘門信號送入單片機的INT0INT0端，用來控制端，用來控制T0T0計數器的啟停。計數器的啟停。 第6章 智能型電子計數器 3. 系統頻率測量原理根據單片機AT89C2051中計數器T0的方式1結構圖如圖6-18所示可知，T0計數脈沖控制電路中，有一個方式電子開關， 當C/T

53、為“0時，方式電子開關打在上面，以振蕩器的12分頻信號作為T0的計數信號，此時作為定時器使用； C/T為“1時， 方式電子開關打在下面，此時以T0P3.5引腳上的輸入脈沖作為T0的計數脈沖，這種情況下可對外界脈沖進行計數。 C/T的狀態可由T0的方式寄存器TMOD進行設置。 因為系統中需對輸入T0P3.5端的信號進行計數，所以將C/T設為“1”。由圖6-18還可以看出，當GATE為0時，只要TR0為“1”，計數控制開關的控制端即為高電平，使開關閉合，計數脈沖加到定時器T0， 允許T0計數。當GATE為“1時, 僅當TR0為“1且INT0引腳上輸入高電平時，控制端為高電平，控制開關閉合，允許T0

54、計數。 TR0為“0或INT0輸入低電平都可控制開關斷開，禁止T0計數。 第6章 智能型電子計數器 圖 6-18 定時器T -0方式1結構圖 GATEINT0OSC12C / TTL0TH0TF1中斷FCNFinT0TR0TR控制第6章 智能型電子計數器 根據定時器T0的結構原理，系統中將GATE位、TR0均設為“1”，INT0端輸入標準閘門信號，內部同時開啟外中斷EX0。 當時基信號到來時，計數器T0閘門打開，并開始計數；當時基信號的下降沿到來時，計數器T0閘門關閉，同時INT0產生中斷， 此時將TR0清零，計數器停止計數，讀取TL0、TH0的數據設為N并保存。由測頻公式6-14可知，此數據

55、即為被測信號的頻率值因為系統中閘門時間為1 s）： gxTNf （6-14） 第6章 智能型電子計數器 圖 6-19 頻率測試時序圖 finTgTR0fCN第6章 智能型電子計數器 6.5.3 6.5.3 軟件設計軟件設計該頻率計的軟件程序除主程序外，主要包括該頻率計的軟件程序除主程序外，主要包括INT0INT0中斷服務中斷服務程序、自動換擋子程序和顯示子程序。程序、自動換擋子程序和顯示子程序。INT0INT0中斷服務程序的流中斷服務程序的流程圖如圖程圖如圖6-206-20所示，主要完成測頻、所示，主要完成測頻、BCDBCD碼轉換、譯碼等功能。碼轉換、譯碼等功能。 在設計自動換擋子程序時，將計數器在設計自動換擋子程序時，將計數器T0T0設為方式設為方式1 1，C/TC/T位置位置“1”1”。 此時此時,T0,T0為為1616位計數方式，故在不分頻時測試的信號位計數方式，故在不分頻時測試的信號最大頻率為最大頻率為216Hz216Hz，即，即65 535 Hz65 535 Hz。若計數器。若計數器T0T0溢出產生中斷，溢出產生中斷，便進入換擋設置子程序，增大分頻比，直至便進入換擋設