1、第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.1 電子計(jì)數(shù)器的主要技術(shù)性能電子計(jì)數(shù)器的主要技術(shù)性能 6.2 通用電子計(jì)數(shù)器的基本組成通用電子計(jì)數(shù)器的基本組成6.3 通用電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量原理通用電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量原理 6.4 電子計(jì)數(shù)器中的智能技術(shù)電子計(jì)數(shù)器中的智能技術(shù) 6.5 典型智能電子頻率計(jì)實(shí)例典型智能電子頻率計(jì)實(shí)例思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.1 電子計(jì)數(shù)器的主要技術(shù)性能電子計(jì)數(shù)器的主要技術(shù)性能 6.1.1 電子計(jì)數(shù)器的分類根據(jù)儀器所具有的功能,電子計(jì)數(shù)器有通用計(jì)數(shù)器和專用計(jì)數(shù)器之分。通用計(jì)數(shù)器

2、是一種具有多種測(cè)量功能、多種用途的電子計(jì)數(shù)器。它可以測(cè)量頻率、周期、時(shí)間間隔、頻率比、累加計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)等；配上相應(yīng)的插件,還可以測(cè)量相位、電壓等。一般我們把凡具有測(cè)頻和測(cè)周兩種以上功能的電子計(jì)數(shù)器都?xì)w類為通用計(jì)數(shù)器。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 時(shí)間計(jì)數(shù)器測(cè)時(shí)分辨率很高,可達(dá)到ns量級(jí)；特種計(jì)數(shù)器如可逆計(jì)數(shù)器、預(yù)置計(jì)數(shù)器、差值計(jì)數(shù)器等，主要用于工業(yè)自動(dòng)化方面。智能型電子計(jì)數(shù)器是指采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)的電子計(jì)數(shù)器。由于智能型電子計(jì)數(shù)器的一切“動(dòng)作”都是在微處理器的控制下進(jìn)行的,因而可以很方便地采用許多新的測(cè)量技術(shù),并能對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析等,從而使電子計(jì)數(shù)器的面貌發(fā)生了重

3、大的變化。由于通用計(jì)數(shù)器應(yīng)用范圍最廣,原理也最典型,因此本章的討論以通用計(jì)數(shù)器為主。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.1.2 電子計(jì)數(shù)器的主要技術(shù)性能 1) 測(cè)試功能 電子計(jì)數(shù)器所具備的測(cè)試功能一般包括測(cè)量頻率、周期、頻率比、時(shí)間間隔、累加計(jì)數(shù)和自校等。 2) 測(cè)量范圍電子計(jì)數(shù)器的有效測(cè)量范圍是相對(duì)于測(cè)量功能而言的,不同的測(cè)量功能其測(cè)量范圍的含義也不同。如測(cè)量頻率時(shí)是指頻率的上、下限；測(cè)量周期時(shí)是指周期（時(shí)間單位）的最大、最小值。 3) 輸入特性一般情況下,當(dāng)儀器有23個(gè)輸入通道時(shí),需分別給出各個(gè)通道的特性,主要有： 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 （1）輸入靈

4、敏度：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(shí),被測(cè)信號(hào)經(jīng)隔直電容輸入；DC耦合時(shí),被測(cè)信號(hào)直接輸入,在低頻及脈沖信號(hào)輸入時(shí)宜采用這種耦合。 （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(chǎng)合,以減小對(duì)信號(hào)源的負(fù)載影響；后者多用于頻率較高的場(chǎng)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?xí)粨p壞。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 4) 測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)量準(zhǔn)確度常用測(cè)量誤差來(lái)

5、表示,主要由時(shí)基誤差和計(jì)數(shù)誤差決定。時(shí)基誤差由晶體振蕩器的穩(wěn)定度確定,電子計(jì)數(shù)器通常給出晶體振蕩器的標(biāo)準(zhǔn)頻率及其頻率穩(wěn)定度；計(jì)數(shù)誤差主要指量化誤差。關(guān)于計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差將在本章后面討論。5) 閘門時(shí)間和時(shí)標(biāo)由儀器內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)源提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)包括閘門時(shí)間信號(hào)和時(shí)標(biāo)信號(hào),可以有多種選擇。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6) 顯示及工作方式 （1） 顯示位數(shù)：儀器可顯示的數(shù)字位數(shù)。 （2） 顯示時(shí)間：儀器一次測(cè)量結(jié)束后顯示測(cè)量結(jié)果的持續(xù)時(shí)間。一般可以調(diào)節(jié)。 （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(jì)數(shù)的結(jié)果,后者則顯示正在計(jì)數(shù)的過程。有的計(jì)數(shù)器只有記憶顯示方式

6、。 （4）顯示器件： 儀器所采用的顯示儀器類型。7) 輸出這里指的是儀器可輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（頻率）信號(hào)的種類、輸出數(shù)據(jù)的編碼方式及輸出電平的高低等。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.2 通用電子計(jì)數(shù)器的基本組成通用電子計(jì)數(shù)器的基本組成 6.2.1 基本組成通用電子計(jì)數(shù)器的基本組成原理框圖如圖6-1所示。電路由A、B輸入通道、主門路、計(jì)數(shù)與顯示、時(shí)基單元以及控制電路五大部分組成。不同測(cè)量功能,各單元間的信號(hào)連接也不同,由轉(zhuǎn)換開關(guān)切換。下面分別介紹各單元的作用及其組成特點(diǎn)。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-1 通用計(jì)數(shù)器基本組成方框圖 數(shù)字顯示器數(shù)碼寄存器十進(jìn)制

7、計(jì)數(shù)器閉鎖單穩(wěn)顯示單穩(wěn)復(fù)零單穩(wěn)RM寄存單穩(wěn)SCPK2J2Q21閉鎖雙穩(wěn)CPK1J1Q11門控雙穩(wěn)閘門主門計(jì)數(shù)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(shí)標(biāo)選擇10 ms100 ms閘門時(shí)間選擇(周期倍乘)125431自校；2頻率測(cè)量；3周期測(cè)量；4 fA / fB測(cè)量；5累計(jì)計(jì)數(shù)1 ms、時(shí)基單元&第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 1. A、B輸入通道輸入通道的作用是將被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大、整形,使其變換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖。輸入通

8、道部分包括A、B兩個(gè)通道,它們均由衰減器、放大器和整形電路等組成。凡是需要計(jì)數(shù)的外加信號(hào)（例如測(cè)頻信號(hào)）,均由A輸入通道輸入,經(jīng)過A通道適當(dāng)?shù)乃p、放大整形之后,變成符合主門要求的脈沖信號(hào)。而B輸入通道的輸出與一個(gè)門控雙穩(wěn)相連, 如果需要測(cè)量周期,則被測(cè)信號(hào)就要經(jīng)過B輸入通道輸入,作為門控雙穩(wěn)的觸發(fā)信號(hào)。 2. 主門主門又稱閘門,它是用于實(shí)現(xiàn)量化的比較電路,它可以控制計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)能否進(jìn)入計(jì)數(shù)器。主門電路是一個(gè)雙輸入端邏輯與門,如圖6-2所示。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 它的一個(gè)輸入端接受來(lái)自控制單元中門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的門控信號(hào),另一個(gè)輸入端則接受計(jì)數(shù)(脈沖)信號(hào)。在門控信號(hào)作

9、用有效期間,允許計(jì)數(shù)(脈沖)通過主門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-2 主門電路&T至計(jì)數(shù)器T計(jì)數(shù)(脈沖)信號(hào)門控信號(hào)第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 3. 計(jì)數(shù)、顯示單元計(jì)數(shù)與顯示電路是用于對(duì)來(lái)自主門的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),并將計(jì)數(shù)的結(jié)果以數(shù)字的形式顯示出來(lái)。為了便于讀數(shù),計(jì)數(shù)器通常采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路。帶有微處理器的儀器也可用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),然后后轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制并譯碼后再進(jìn)入顯示器。4. 時(shí)基單元時(shí)基電路主要由晶體振蕩器、分頻及倍頻器組成。時(shí)基電路主要用于產(chǎn)生各種標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)有兩類,一類時(shí)間較長(zhǎng)的稱為閘門（時(shí)間）信號(hào),通常

10、根據(jù)分頻級(jí)數(shù)的不同有多種選擇；另一類時(shí)間較短的稱為時(shí)標(biāo)信號(hào)。時(shí)標(biāo)信號(hào)可以是單一的,也可以有多種選擇。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 由于電子計(jì)數(shù)器類儀器是基于被測(cè)信號(hào)的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行比較而進(jìn)行測(cè)量的,其測(cè)量精度與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間有直接關(guān)系,因而要求時(shí)基電路具有高穩(wěn)定性和多值性。為了使時(shí)基電路具有足夠高的穩(wěn)定性,時(shí)基信號(hào)源采用了晶體振蕩器。在一些精度要求更高的通用計(jì)數(shù)器中， 為使精度不受環(huán)境溫度的影響,還對(duì)晶體振蕩器采取了恒溫措施。為了實(shí)現(xiàn)多值性,在高穩(wěn)定晶體振蕩器的基礎(chǔ)上,又采用了多級(jí)倍頻和多級(jí)分頻器。電子計(jì)數(shù)器共需時(shí)標(biāo)和閘門時(shí)間兩套時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),它們由同一晶體振蕩器和一系列十進(jìn)制倍頻

11、和分頻來(lái)產(chǎn)生。例如圖6-1中,1 MHz晶體振蕩器經(jīng)各級(jí)倍頻及前幾級(jí)分頻器得到10 ns、0.1 s、1 s、10 s、0.1 ms和1 ms六種時(shí)標(biāo)信號(hào)；若再經(jīng)后幾級(jí)分頻器可進(jìn)一步得到1 ms、10 ms、100 ms、1 s和10 s五種閘門時(shí)間信號(hào)。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 5. 控制單元控制電路的作用是產(chǎn)生門控信號(hào)（Q）、寄存信號(hào)（M）和復(fù)零信號(hào)（R）三種控制信號(hào),使儀器的各部分電路按照準(zhǔn)備測(cè)量顯示的流程有條不紊地自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量工作。控制單元中包括前述的門控雙穩(wěn)態(tài)電路,它輸出的門控信號(hào)用于控制主門的開閉,在觸發(fā)脈沖作用下雙穩(wěn)態(tài)電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)。通常以一個(gè)輸入脈沖開啟主門

12、,另一路輸入脈沖信號(hào)使門控雙穩(wěn)復(fù)原,關(guān)閉主門。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.2.2 控制電路的工作過程在測(cè)頻功能下控制電路的工作過程為： 在準(zhǔn)備期,計(jì)數(shù)器復(fù)零,門控雙穩(wěn)復(fù)零,閉鎖雙穩(wěn)置“1”,門控雙穩(wěn)解鎖（即J1為1）,處于等待一個(gè)時(shí)標(biāo)信號(hào)觸發(fā)的狀態(tài)。 在第一個(gè)時(shí)標(biāo)信號(hào)的作用下,門控雙穩(wěn)翻轉(zhuǎn)（Q1為1）,使主門（閘門）打開,被測(cè)信號(hào)通過主門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),儀器進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)；當(dāng)?shù)诙€(gè)時(shí)標(biāo)信號(hào)到來(lái)時(shí),門控雙穩(wěn)再次翻轉(zhuǎn)使主門關(guān)閉,于是測(cè)量期結(jié)束而進(jìn)入顯示期；在顯示期,門控雙穩(wěn)在翻轉(zhuǎn)的同時(shí)也使閉鎖雙穩(wěn)翻轉(zhuǎn)（Q2為0）。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 閉鎖雙穩(wěn)的翻轉(zhuǎn)一

13、方面使門控雙穩(wěn)閉鎖（J1為0）,避免了在顯示期門控雙穩(wěn)被下一個(gè)時(shí)標(biāo)信號(hào)觸發(fā)翻轉(zhuǎn)；另一方面也通過寄存單穩(wěn)產(chǎn)生寄存信號(hào)M,將計(jì)數(shù)結(jié)果送入寄存器寄存并譯碼驅(qū)動(dòng)顯示器顯示。為了使顯示的讀數(shù)保持一定的時(shí)間,顯示單穩(wěn)產(chǎn)生了用于顯示時(shí)間的延時(shí)信號(hào)。顯示延時(shí)結(jié)束時(shí),又驅(qū)動(dòng)復(fù)零單穩(wěn)電路產(chǎn)生計(jì)數(shù)器復(fù)零信號(hào)R和解鎖信號(hào),使儀器又恢復(fù)到準(zhǔn)備期的狀態(tài),于是上述過程又將自動(dòng)重復(fù)。通用計(jì)數(shù)器控制部分電路控制信號(hào)的時(shí)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(gè)儀器的指揮中心。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-3 控制信號(hào)的時(shí)間波形圖1 s時(shí)標(biāo)信號(hào)門控雙穩(wěn)閉鎖雙穩(wěn)寄存單穩(wěn)顯示單穩(wěn)復(fù)零單穩(wěn)閉鎖單

14、穩(wěn)LRMQ2Q1第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.2.3 通用電子計(jì)數(shù)器的基本功能圖6-1所示的通用電子計(jì)數(shù)器共含有五個(gè)基本功能,它是通過功能開關(guān)進(jìn)行選擇的。當(dāng)功能開關(guān)置于位置“2”時(shí),儀器處于頻率測(cè)量功能,此時(shí)被測(cè)信號(hào)從A端輸入。當(dāng)功能開關(guān)置于位置“3”時(shí),儀器處于周期測(cè)量功能,此時(shí)被測(cè)信號(hào)從B端輸入。當(dāng)功能開關(guān)置于位置“4”時(shí),儀器處于A信號(hào)與B信號(hào)的頻率比(fA/fB)測(cè)量功能。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 當(dāng)功能開關(guān)置于位置“5”時(shí),儀器處于累加計(jì)數(shù)功能。累加計(jì)數(shù)是在一定的人工控制的時(shí)間內(nèi)記錄A信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù),其人工控制的時(shí)間通過操作開關(guān)S來(lái)實(shí)現(xiàn)（圖中未

15、畫出）。當(dāng)功能開關(guān)置于位置“1”時(shí),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(cè)量電路,所不同的是在自校功能下被測(cè)信號(hào)是機(jī)內(nèi)時(shí)標(biāo)信號(hào),因而其計(jì)數(shù)與顯示的結(jié)果應(yīng)是已知的。若顯示的結(jié)果與應(yīng)顯示的結(jié)果不一致,則說(shuō)明儀器工作不正常。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.3 通用電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量原理通用電子計(jì)數(shù)器的測(cè)量原理 6.3.1 測(cè)量頻率頻率定義為一個(gè)周期性過程在單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)的次數(shù)。只要在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)出這個(gè)過程的周期數(shù)N,即可按下式求出頻率: (6-1) TNf 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖6-4為傳統(tǒng)的頻率測(cè)量原理框圖。頻率為fx的被測(cè)信

16、號(hào),由A端輸入,經(jīng)A通道放大整形后輸往主門（閘門）。晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱晶振）產(chǎn)生頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都非常高的振蕩信號(hào),經(jīng)一系列分頻器逐級(jí)分頻之后,可獲得各種標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號(hào)（簡(jiǎn)稱時(shí)標(biāo)）。通過閘門時(shí)間選擇開關(guān)將所選時(shí)標(biāo)信號(hào)加到門控雙穩(wěn),再經(jīng)門控雙穩(wěn)形成控制主門啟、閉作用的時(shí)間T（稱閘門時(shí)間）,則在所選閘門時(shí)間T內(nèi)主門開啟,被測(cè)信號(hào)通過主門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-4 頻率測(cè)量原理框圖放大整形閘門計(jì)數(shù)、顯示晶振倍頻、分頻十進(jìn)分頻100 ms10 ms1 ms1 s10 sT閘門時(shí)間選擇開關(guān)A通道A輸入端fx第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 若

17、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為N,則被測(cè)信號(hào)的頻率fx=N/T。儀器閘門時(shí)間T的選擇一般都設(shè)計(jì)為10ns（n為整數(shù)）,并且閘門時(shí)間的改變與顯示屏上小數(shù)點(diǎn)位置的移動(dòng)同步進(jìn)行,故使用者無(wú)須對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行換算,即可直接讀出測(cè)量結(jié)果。例如, 被測(cè)信號(hào)頻率為100 kHz,閘門時(shí)間選1 s時(shí),N=100 000,顯示為100.00 kHz；若閘門時(shí)間選100 ms,則N=10 000,顯示為100.00 kHz。測(cè)量同一個(gè)信號(hào)頻率時(shí),閘門時(shí)間增加,測(cè)量結(jié)果不變,但有效數(shù)字位數(shù)增加,提高了測(cè)量精確度。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.3.2測(cè)量周期周期是頻率的倒數(shù),因此,測(cè)量周期時(shí)可以把測(cè)量頻率時(shí)的計(jì)數(shù)信

18、號(hào)和門控信號(hào)的來(lái)源相對(duì)換來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖6-5為傳統(tǒng)的周期測(cè)量原理圖。周期為Tx的被測(cè)信號(hào)由B通道進(jìn)入,經(jīng)B通道處理后,再經(jīng)門控雙穩(wěn)輸出作為主門啟閉的控制信號(hào),使主門僅在被測(cè)周期Tx時(shí)間內(nèi)開啟。晶體振蕩器輸出的信號(hào)經(jīng)倍頻和分頻得到了一系列的時(shí)標(biāo)信號(hào),通過時(shí)標(biāo)選擇開關(guān),所選時(shí)標(biāo)經(jīng)A通道送往主門。在主門的開啟時(shí)間內(nèi),時(shí)標(biāo)進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。若所選時(shí)標(biāo)為T0,計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為N,則被測(cè)信號(hào)的周期為Tx=NT0 （6-2） 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-5 周期測(cè)量原理圖閘門計(jì)數(shù)、顯示門控放大整形十進(jìn)分頻晶振倍頻、分頻Tx110102103104B輸入放大整形10 ns1 msA通道TxT

19、0B通道第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 由于T0（f0）為常數(shù),因此Tx正比于N。T0通常設(shè)計(jì)為10ns(n為整數(shù)),配合顯示屏上小數(shù)點(diǎn)的自動(dòng)定位,可直接讀出測(cè)量結(jié)果。例如, 某通用計(jì)數(shù)器時(shí)標(biāo)信號(hào)T0 0.1 s(f0=10 MHz), 測(cè)量周期Tx為1 ms的信號(hào),得到N= Tx /T0=10 000,則顯示結(jié)果為1000.0 s。如果被測(cè)周期較短,為了提高測(cè)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(wěn)之間加設(shè)幾級(jí)十進(jìn)分頻器（設(shè)分頻系數(shù)為Kf）,這樣使被測(cè)周期得到倍乘即主門的開啟時(shí)間擴(kuò)展Kf倍。若周期倍乘開關(guān)Kf選為10n,則計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖個(gè)數(shù)將擴(kuò)展10n倍

20、,所以被測(cè)信號(hào)的周期應(yīng)為 nNTT100(6-3)第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 周期倍乘率（Kf）的改變與顯示屏上小數(shù)點(diǎn)位置的移動(dòng)同步進(jìn)行,故使用者無(wú)須對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行換算,即可直接讀出測(cè)量結(jié)果。例如, 前例中若采用多周期法,設(shè)周期倍乘率選102,則計(jì)數(shù)結(jié)果N為1 000 000,顯示結(jié)果為1000.000 s。測(cè)量結(jié)果不變,但有效數(shù)字位數(shù)增加了,測(cè)量精確度提高了。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.3.3 測(cè)量頻率比 測(cè)量頻率比的原理框圖如圖6-6所示。 圖 6-6 測(cè)量頻率比的原理框圖放大整形電路主門計(jì)數(shù)顯示放大整形電路門控電路輸入AfA(A通道)fB輸入B(B

21、通道)TATATBTB第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 當(dāng)fAfB時(shí), 被測(cè)信號(hào)fB由B通道輸入,經(jīng)（放大）整形后控制主門的啟閉,門控信號(hào)的脈寬等于B通道輸入信號(hào)的周期；而被測(cè)信號(hào)fA由A通道輸入,經(jīng)（放大）整形后作為計(jì)數(shù)脈沖,在主門開啟時(shí)送至計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)結(jié)果為 為了提高測(cè)量精確度,也可采用類似多周期的測(cè)量方法,即在B通道后加設(shè)分頻器,對(duì)fB進(jìn)行Kf次分頻,使主門開啟的時(shí)間擴(kuò)展Kf倍,于是 （6-4） BAABffTTNBAfABfffKTTKN（6-5） 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 選擇不同的倍乘率（Kf）時(shí),顯示屏上小數(shù)點(diǎn)的位置相應(yīng)地變化,從顯示屏幕上可以

22、直接讀出測(cè)量結(jié)果而無(wú)須換算,只是測(cè)量結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)發(fā)生了變化。6.3.4測(cè)量時(shí)間間隔測(cè)量時(shí)間間隔的原理框圖如圖6-7所示。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-7 測(cè)量時(shí)間間隔的原理框圖晶振分頻或倍頻器D主門計(jì)數(shù)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第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 測(cè)量時(shí)間間隔時(shí),利用A、B輸入通道分別控制門控電路的啟動(dòng)和復(fù)原。在測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入脈沖信號(hào)u1和u2之間的時(shí)間間隔（雙線輸入）時(shí),將工作開關(guān)S置“分”位置,把時(shí)間超前的信號(hào)加至A通道,用于啟動(dòng)門控電路; 另一個(gè)信號(hào)加至B 通道,用于使門控電路復(fù)原。測(cè)

23、量時(shí),A通道的輸出脈沖較早出現(xiàn),觸發(fā)門控雙穩(wěn)開啟主門,開始對(duì)時(shí)標(biāo)信號(hào)T0（D處信號(hào)）計(jì)數(shù); 較遲出現(xiàn)的B通道的輸出脈沖使門控電路復(fù)原,關(guān)閉主門,停止對(duì)T0計(jì)數(shù),有關(guān)波形如圖6-8所示。主門開啟期間計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果N與兩脈沖信號(hào)間的時(shí)間間隔td的關(guān)系為 td =NT0 （6-6） 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-8 測(cè)量時(shí)間間隔的波形圖NT0時(shí)標(biāo)門控信號(hào)td輸入B終止輸入A起始被計(jì)時(shí)標(biāo)數(shù)第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 為了適應(yīng)測(cè)量的需要,在A、B通道內(nèi)分別設(shè)置有斜率（極性）選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)功能。根據(jù)所要測(cè)量的時(shí)間間隔所在點(diǎn)的信號(hào)極性和電平的特征來(lái)選擇觸發(fā)極性

24、和觸發(fā)電平,就可以在被測(cè)時(shí)間間隔的起點(diǎn)和終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻決定主門的啟閉。 當(dāng)需要測(cè)量一個(gè)脈沖信號(hào)內(nèi)的時(shí)間間隔時(shí),將工作開關(guān)S置“合”的位置,兩通道輸入并聯(lián),被測(cè)信號(hào)由此公共輸入端輸入。調(diào)節(jié)兩個(gè)通道的觸發(fā)極性和觸發(fā)電平,可測(cè)量脈沖信號(hào)的脈沖寬度、前沿、休止期等參數(shù)。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 如要測(cè)量某正脈沖的脈寬,將A通道觸發(fā)極性選擇為“”,B通道觸發(fā)極性選擇為“-”,調(diào)節(jié)兩通道觸發(fā)電平均為脈沖幅度的50,則計(jì)數(shù)結(jié)果即為脈寬值。若A、B通道的觸發(fā)極性分別改選為“-”和“”,則可測(cè)得脈沖休止期時(shí)間。如果要測(cè)量正脈沖的前沿,則將兩通道的極性均選擇為“”,調(diào)節(jié)A通道的觸發(fā)電平到脈沖

25、幅度的10處,調(diào)節(jié)B通道的觸發(fā)電平到脈沖幅度的90處,則計(jì)數(shù)結(jié)果即為該脈沖的前沿值。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.3.5 累加計(jì)數(shù) 累加計(jì)數(shù)是指在給定的時(shí)間內(nèi),對(duì)輸入的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行累計(jì)。累加計(jì)數(shù)的原理框圖如圖6-9所示。累加計(jì)數(shù)時(shí),門控電路改用人工控制。門控電路被啟動(dòng)后,主門開啟,輸入脈沖通過主門進(jìn)入計(jì)數(shù)器累加計(jì)數(shù); 門控雙穩(wěn)電路被復(fù)原后,主門關(guān)閉,計(jì)數(shù)停止,顯示器直接顯示累加計(jì)數(shù)的總和。注意,在開啟主門前,應(yīng)先做復(fù)零操作,此時(shí)儀器顯示為零。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 放大整形電路輸入(A通道)主門計(jì)數(shù)顯示門控電路啟動(dòng)停止(人工觸發(fā))圖6-9 自校的原

26、理框圖第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.3.6 自校 在正式測(cè)量前,為了檢驗(yàn)儀器工作是否正常,一般智能型電子計(jì)數(shù)器都設(shè)有自校功能。自校的原理框圖如圖6-10所示。 圖 6-10 自校的原理框圖 倍頻器m閘門計(jì)數(shù)顯示分頻器門控電路晶振T0KfT KfT00TmT0第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 自校時(shí),晶體振蕩器經(jīng)過倍頻器（倍頻系數(shù)m）輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào),即時(shí)標(biāo)信號(hào) ,被用作通過主門到達(dá)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號(hào)；晶體振蕩器經(jīng)過分頻電路（分頻系數(shù)Kf）輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào),即閘門時(shí)間信號(hào)T,被用作門控電路的觸發(fā)信號(hào)。此時(shí), 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果取決于所選的時(shí)標(biāo)信號(hào)和閘門時(shí)間信號(hào),即

27、倍頻系數(shù)m和分頻系數(shù)Kf,則有如下公式： 操作人員可根據(jù)上式對(duì)儀器實(shí)現(xiàn)自校。 0TmKmTTKTTNff/000(6-7)第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.3.7 通用計(jì)數(shù)器測(cè)量誤差的類型 通用計(jì)數(shù)器的誤差習(xí)慣于用相對(duì)誤差的形式來(lái)表示。通用計(jì)數(shù)器具有多種功能,每個(gè)功能的誤差表達(dá)式都是不一樣的。根據(jù)誤差分析,各功能的誤差表達(dá)式主要由三種類型誤差合成。1. 最大計(jì)數(shù)誤差（1誤差）通用計(jì)數(shù)器各測(cè)量功能在計(jì)數(shù)時(shí),如果主門的開啟時(shí)刻與計(jì)數(shù)脈沖的時(shí)間關(guān)系是不相關(guān)的,那么,同一信號(hào)在相同的主門開啟時(shí)間內(nèi)兩次測(cè)量所記錄的脈沖數(shù)N可能是不一樣的（參見圖6-11）。其結(jié)果可能為N,也可能為N+1或

28、者是N-1。由此可見,最大計(jì)數(shù)誤差為N=1,該項(xiàng)誤差將使儀器最后的顯示結(jié)果會(huì)有一個(gè)字的閃動(dòng)。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 最大計(jì)數(shù)誤差相對(duì)誤差的形式為 很顯然,在測(cè)頻、測(cè)周、測(cè)fA/fB等功能中,主門開啟信號(hào)與通過主門被計(jì)數(shù)信號(hào)的時(shí)間關(guān)系不相關(guān),都存在該項(xiàng)誤差。但在自校功能中,時(shí)標(biāo)信號(hào)和閘門時(shí)間信號(hào)來(lái)自同一信號(hào)源,應(yīng)不存在1誤差。最大計(jì)數(shù)誤差的特點(diǎn)是：不管計(jì)數(shù)N是多大,N的最大值都為1。因此,為了減少最大計(jì)數(shù)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響,在儀器使用中所采取的技術(shù)措施是： 盡量使計(jì)數(shù)值N大,使N/N誤差相應(yīng)減少。例如在測(cè)頻時(shí),應(yīng)盡量選用大的閘門時(shí)間; 在測(cè)周時(shí),應(yīng)盡量選用小的時(shí)標(biāo)信號(hào),

29、必要時(shí)使用周期倍乘率開關(guān),進(jìn)行多周期平均測(cè)量。 NNN1（6-8） 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-11 1誤差示意圖計(jì)數(shù)8個(gè)計(jì)數(shù)7個(gè)閘門信號(hào)第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 2. 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差在測(cè)頻時(shí)取決于閘門時(shí)間的準(zhǔn)確度,在測(cè)周時(shí)取決于時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確度。由于閘門時(shí)間和時(shí)標(biāo)均由晶體振蕩器多次倍頻或分頻獲得,因此,通用計(jì)數(shù)器有關(guān)功能的標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差就是指通用計(jì)數(shù)器內(nèi)（或外部接入）的晶體振蕩器的準(zhǔn)確度f(wàn)0/f0。凡是使用時(shí)標(biāo)和閘門時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的功能都存在此項(xiàng)誤差,例如測(cè)頻、測(cè)周、測(cè)時(shí)間間隔等。而測(cè)fA/fB、累加計(jì)數(shù)等功能中不存在該項(xiàng)誤差。 第第6章章 智

30、能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 為了使標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響足夠小,應(yīng)認(rèn)真選擇晶振的準(zhǔn)確度。一般說(shuō)來(lái),通用計(jì)數(shù)器顯示器的位數(shù)愈多,所選擇的內(nèi)部晶振準(zhǔn)確度就應(yīng)愈高。例如,7位數(shù)字的通用計(jì)數(shù)器一般采用準(zhǔn)確度優(yōu)于10-7數(shù)量級(jí)的晶體振蕩器。這樣,在任何測(cè)量條件下，由標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差引起的測(cè)量誤差,都不大于1誤差所引起的測(cè)量誤差。3. 觸發(fā)誤差當(dāng)進(jìn)行周期等功能的測(cè)量時(shí),門控雙穩(wěn)的門控信號(hào)由通過B通道的被測(cè)信號(hào)所控制。當(dāng)無(wú)噪聲干擾時(shí),主門開啟時(shí)間剛好等于一個(gè)被測(cè)信號(hào)的周期Tx。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 如果被測(cè)信號(hào)受到干擾,當(dāng)信號(hào)通過B通道時(shí),將會(huì)使整形電路（施密特觸發(fā)器）出現(xiàn)

31、超前或滯后觸發(fā),致使整形后波形的周期與實(shí)際被測(cè)信號(hào)的周期發(fā)生偏離Tx,引起所謂的觸發(fā)誤差（或轉(zhuǎn)換誤差）。經(jīng)推導(dǎo),觸發(fā)誤差Tx /Tx的大小為式中：Um信號(hào)的振幅； Un干擾或噪聲的振幅。NNN1（6-9） 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 可見,信噪比（Um/Un）愈大,觸發(fā)誤差就愈小,若無(wú)噪聲干擾,便不會(huì)產(chǎn)生該項(xiàng)誤差。因而,在頻率等測(cè)量功能中,由于控制門控雙穩(wěn)的門控信號(hào)是由儀器內(nèi)部產(chǎn)生的,因此不會(huì)存在觸發(fā)誤差。在周期、fA/fB等測(cè)量功能中,如果進(jìn)入B通道的信號(hào)含有干擾,便會(huì)存在觸發(fā)誤差。采用周期倍乘率開關(guān)進(jìn)行多周期測(cè)量,可減弱此項(xiàng)誤差。例如,如果周期倍乘率取10,則只在第1個(gè)周

32、期開始與第10個(gè)周期結(jié)束時(shí)會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)誤差,使觸發(fā)誤差相對(duì)減弱了10倍。 通過上述分析,可得頻率測(cè)量誤差表達(dá)式如下： 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 )1()(0000fffTffNNffxgxx式中, Tg為閘門時(shí)間。另外,可得周期測(cè)量誤差表達(dá)式如下： )210110()()1()(00000000ffUUTTffTTNNTTfffTffNNffmnnnnsnxxxgxx第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 式中, 10n為周期倍乘率值(n取0,1,2,3,4), Tn為選用的時(shí)標(biāo)信號(hào)。其他功能的測(cè)量誤差表達(dá)式可根據(jù)儀器的具體電路結(jié)構(gòu)并參照上述分析作出。 第第6章章 智能

33、型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.4 電子計(jì)數(shù)器中的智能技術(shù)電子計(jì)數(shù)器中的智能技術(shù) 6.4.1 多周期同步測(cè)量技術(shù)1. 等精度測(cè)量在按圖6-4所示的原理測(cè)量頻率時(shí),當(dāng)被測(cè)頻率很低時(shí),由1誤差而引起的測(cè)量誤差將大到不能允許的程度。例如, fx=1 Hz,閘門時(shí)間為1 s時(shí),測(cè)量誤差高達(dá)100。因此,為提高低頻測(cè)量精度,通常將電子計(jì)數(shù)器的功能轉(zhuǎn)為測(cè)周期,然后再利用頻率與周期互為倒數(shù)的關(guān)系來(lái)?yè)Q算其頻率值,這樣便可得到較高的精確度。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 在測(cè)量周期時(shí),當(dāng)被測(cè)周期很小時(shí)也會(huì)產(chǎn)生同樣的問題,并且也可以采取同樣的解決辦法,先測(cè)頻率,再換算出周期。測(cè)頻量化誤差及測(cè)周量

34、化誤差與被測(cè)信號(hào)頻率的關(guān)系見圖6-12所示,圖中測(cè)頻和測(cè)周量化誤差曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的被測(cè)信號(hào)頻率稱為中界頻率fxm。在中界頻率下,由測(cè)頻和測(cè)周所引起的量化誤差相等。很顯然,當(dāng)fx fxm時(shí)宜采用測(cè)頻的方法,當(dāng)fx fxm時(shí)宜采用測(cè)周的方法。中界頻率fxm與測(cè)頻時(shí)所取的閘門時(shí)間以及測(cè)周時(shí)所取的時(shí)標(biāo)有關(guān)。例如,測(cè)頻時(shí)取閘門時(shí)間為1 s,測(cè)周時(shí)取時(shí)標(biāo)為10 ns的中界頻率fxm 10 kHz,由圖可知,此時(shí)兩種方法所引起的量化誤差均為10-4。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-12 測(cè)頻量化誤差及測(cè)周量化誤差與被測(cè)信號(hào)頻率的關(guān)系圖1011021031041051061071081

35、 Hz1 kHz1 MHz100 MHz被測(cè)頻率fx測(cè)頻量化誤差測(cè)周量化誤差閘門 T0.1 s1 s10 s10 ns0.1 s時(shí)標(biāo)1 nsNN第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 上述測(cè)量方法是減少由1誤差引起的測(cè)量誤差的一種有效方法,但還存在兩個(gè)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(dá)到較高的測(cè)量精度。若采用多周期同步測(cè)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(cè)量精度在全頻段上一致,即實(shí)現(xiàn)了等精度測(cè)量。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 2. 多周期同步測(cè)量原理多周期同步測(cè)量原理與傳統(tǒng)的頻率和周期

36、的測(cè)量原理不同,其測(cè)量原理可用圖6-13所示的框圖來(lái)分析。預(yù)置閘門時(shí)間產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生預(yù)置的閘門時(shí)間Tp, Tp經(jīng)同步電路便可產(chǎn)生與被測(cè)信號(hào)fx同步的實(shí)際的閘門時(shí)間Tg。主門與主門在時(shí)間Tg內(nèi)被同時(shí)打開,于是計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)器便分別對(duì)被測(cè)信號(hào)fx和時(shí)鐘信號(hào)f0的周期數(shù)進(jìn)行累計(jì)。在時(shí)間Tg內(nèi),計(jì)數(shù)器的累計(jì)數(shù)NA= fx Tg,計(jì)數(shù)器的累計(jì)數(shù)NB= f0 Tg, 再由運(yùn)算部件計(jì)算得出fx=(NA/NB)f0, 即為被測(cè)頻率。計(jì)數(shù)器記錄了被測(cè)信號(hào)的周期數(shù),所以通常稱為事件計(jì)數(shù)器。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 由于閘門的開和關(guān)與被測(cè)信號(hào)同步,因而實(shí)際的閘門時(shí)間Tg已不等于預(yù)置的閘門時(shí)間T

37、p, 且大小也不是固定的。為此設(shè)置了計(jì)數(shù)器,用以在Tg內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),以確定實(shí)際開門的閘門時(shí)間Tg的大小,所以計(jì)數(shù)器通常稱為時(shí)間計(jì)數(shù)器。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-13 多周期同步測(cè)量原理框圖預(yù)置閘門時(shí)間產(chǎn)生DQ同步電路主門主門放大整形通道時(shí)鐘 f0計(jì)數(shù)器NA fxTg計(jì)數(shù)器NB f0Tg 計(jì)算：顯示fxTpTgBANNfxf0第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 由圖6-14所示的工作波形圖中可以看出,由于D觸發(fā)器的同步作用,計(jì)數(shù)器所記錄的NA值已不存在1誤差的影響了。但由于時(shí)鐘信號(hào)與閘門的開和關(guān)無(wú)確定的相位關(guān)系,因此計(jì)數(shù)器所記錄的NB的值仍存在1

38、誤差的影響,只是由于時(shí)鐘頻率很高,1誤差的影響很小。所以測(cè)量精度與被測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān),且在全頻段的測(cè)量精度是均衡的。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-14 多周期同步測(cè)量工作波形圖 fxTpTgNAf0NB第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 設(shè)閘門時(shí)間為1 s,取時(shí)鐘頻率f0=10 MHz,則由1誤差而引起的相對(duì)誤差為10-7。若要進(jìn)一步減少這項(xiàng)誤差的影響,須再增大時(shí)鐘頻率f0。由圖6-14還可以看出, NB實(shí)際是NA個(gè)被測(cè)信號(hào)周期的時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù),由運(yùn)算部件計(jì)算fx的值為多周期測(cè)量的平均值,所以把這種測(cè)量方法稱為多周期同步測(cè)量。多周期同步測(cè)量電路需要計(jì)算電路且要

39、有兩個(gè)計(jì)數(shù)器,因而電路的實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)的測(cè)量電路要復(fù)雜,但若使用微處理器可使電路大大簡(jiǎn)化，所以在智能型電子計(jì)數(shù)器中完全可采用此方法。這種測(cè)量方法實(shí)際上是對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行測(cè)量,信號(hào)的頻率是經(jīng)過倒數(shù)運(yùn)算求出來(lái)的。因而,從測(cè)頻的角度來(lái)講,上述測(cè)量方法也稱為倒數(shù)計(jì)數(shù)器法。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.4.2 內(nèi)插模擬擴(kuò)展技術(shù)在傳統(tǒng)的電子計(jì)數(shù)器中,測(cè)量時(shí)間間隔的分辨能力取決于所用的時(shí)鐘頻率f0。單純地通過提高時(shí)鐘頻率 f0來(lái)提高測(cè)時(shí)分辨率是有限的,例如即使f0高達(dá)100 MHz的時(shí)鐘,其測(cè)時(shí)分辨率也只能達(dá)到10ns。采用內(nèi)插模擬擴(kuò)展技術(shù)可在時(shí)鐘頻率不變的情況下使測(cè)時(shí)分辨率大大提高,一般而

40、言,可提高23個(gè)數(shù)量級(jí)或更高。圖6-15示出了內(nèi)插法測(cè)量波形圖。由波形圖可以看出,采用內(nèi)插法測(cè)時(shí)間間隔,不僅要累計(jì)T內(nèi)的時(shí)鐘脈沖數(shù),而且還把產(chǎn)生1誤差的那兩部分時(shí)間T1和T2拉寬N倍。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 然后累計(jì)其中的時(shí)鐘脈沖數(shù)N1和N2,這樣就把分辨率提高了N倍。如果時(shí)鐘頻率為10MHz,T0=100 ns）,內(nèi)插模擬擴(kuò)展倍數(shù)N=1000,則被測(cè)時(shí)間間隔可以表示為將T1和T2展寬的辦法是：首先在T1和T2內(nèi)對(duì)一個(gè)電容以恒定電流充電；然后以慢N倍（例如N1000）的速度放電,則電容放電到起始狀態(tài)下的時(shí)間是T1和T2的N倍；最后再用原來(lái)的時(shí)鐘對(duì)其進(jìn)行測(cè)量計(jì)數(shù)得到N1和N

41、2。 100)10001000(210210NNNTTTT第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-15 內(nèi)插法測(cè)量波形圖123TNT2T112N11000T112N21000T2第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 一個(gè)實(shí)際的模擬擴(kuò)展器的電路原理圖如圖6-16所示,它主要由一對(duì)高速電流開關(guān)V1、V2,恒流源I1(I1=10 mA)、I2(I2 =10 A)（即I1=1000 I2 ）,閾值檢測(cè)管V3等部分組成。工作原理為：初始狀態(tài)V1導(dǎo)通、V2截止,10 A恒流源I2對(duì)電容C充電,使A點(diǎn)電位上升到約5.7 V,V3導(dǎo)通。在T1（或T2）時(shí)間內(nèi),電流開關(guān)V1截止, V2導(dǎo)通

42、,電容C通過V2放電,使A點(diǎn)電位下降,V3截止,則在T1（或T2）時(shí)間內(nèi)放走的電荷Q1=(I1-I2)T1。T1結(jié)束后,電流開關(guān)又轉(zhuǎn)換為使V1導(dǎo)通、V2截止的初始狀態(tài),10A恒流源I2對(duì)電容C充電,使A點(diǎn)電位逐步上升。若在T1時(shí)間內(nèi),A點(diǎn)電位上升到約5.7 V,使V3重新導(dǎo)通而使充電結(jié)束,則在T1內(nèi)充到的電荷Q2=I2T1。顯然Q1=Q2,于是可得： 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 在T1+T1這段時(shí)間內(nèi), V3處于截止?fàn)顟B(tài),B點(diǎn)的電壓為 0 V； V3導(dǎo)通時(shí),B點(diǎn)電壓為1 V(10 A100 k),則B點(diǎn)出現(xiàn)了一個(gè)寬度為1000T1的脈沖,再經(jīng)運(yùn)算放大器放大即可觸發(fā)擴(kuò)展觸發(fā)器。

43、內(nèi)插擴(kuò)展測(cè)量原理需要多個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),工作過程較復(fù)雜,一般需微處理器參與控制。其控制程序的一般流程是： 先啟動(dòng)一次測(cè)量；然后對(duì)各計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值分別讀入；最后再執(zhí)行一次運(yùn)算并顯示其運(yùn)算結(jié)果。 1111221111000999)(TTTTIIITT即 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-16 模擬擴(kuò)展器電路原理圖5 V15 VCAI210 AV3B100 kV1V2QQ15 VI110 mA擴(kuò)展輸出T1 1000 T11T0 V0.1 VT1UBUA5.7 V999 T11T第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.5 典型智能電子頻率計(jì)實(shí)例典型智能電子頻率計(jì)實(shí)例 6.

44、5.1 頻率計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能型頻率計(jì)以單片機(jī)AT89C2051為控制芯片。 AT89C2051是MCS-51系列單片機(jī)中的一種,由其完成電路中待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)、譯碼和顯示,以及對(duì)分頻比的控制。智能型頻率計(jì)的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖6-17所示。待測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后,由分頻器進(jìn)行分頻,分頻后的信號(hào)再經(jīng)CD4051選擇后送入單片機(jī)的T0端進(jìn)行計(jì)數(shù),分頻比受單片機(jī)控制。時(shí)基信號(hào)發(fā)生器主要產(chǎn)生脈寬為1 s的閘門信號(hào),并輸入單片機(jī)的INT0端,用以啟停T0的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)的結(jié)果經(jīng)軟件譯碼后送入數(shù)碼顯示器顯示。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-17 智能型頻率計(jì)的電路結(jié)構(gòu)框圖顯示器AT89C2051

45、RxDTxD鍵盤P2口INT068T0P1.0P1.1CD4013 1/2DCLKQRSQCD4013 1/2DCLKQRSQGNDCD4060RESTCinQ14outCR1101132768 HzC1100 PC2100 PGNDOUTA0A13111013121110CD405112151413141312111111011001100074HC90CP11CP014R02 , 3R96 , 7121114GNDQAQD74HC90CP11CP014R0R9121113QAQDGND74HC90CP11CP014R0R9121112QAQD11整形放大INPUT3122 , 36 , 7

46、2 , 36 , 7第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.5.2 主要電路工作原理1. 分頻器 由于AT89C2051單片機(jī)內(nèi)部的2個(gè)計(jì)數(shù)器均是16位的,因此最大計(jì)數(shù)范圍為216。若閘門時(shí)間為1s,則所測(cè)信號(hào)最高頻率為65.535 Hz。為實(shí)現(xiàn)頻率較高信號(hào)的測(cè)量,采用3片74HC90構(gòu)成1/10、1/100和1/1000分頻器,這樣,理論上可測(cè)信號(hào)的最高頻率為65.535 MHz。分頻后的信號(hào)通過數(shù)據(jù)選擇器送入CPU的T0端,數(shù)據(jù)選擇器受CPU的P1.0和P1.1控制。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 2. 時(shí)基電路閘門信號(hào)的產(chǎn)生由CD4060和CD4013完成。CD4

47、060構(gòu)成石英晶體振蕩器和分頻器,將32 768Hz晶體振蕩信號(hào)分頻為2 Hz信號(hào),再經(jīng)過CD4013雙D觸發(fā)器4分頻獲得持續(xù)時(shí)間為1 s,頻率為0.5 Hz的時(shí)基（閘門）信號(hào)。閘門信號(hào)送入單片機(jī)的INT0端,用來(lái)控制T0計(jì)數(shù)器的啟停。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 3. 系統(tǒng)頻率測(cè)量原理根據(jù)單片機(jī)AT89C2051中計(jì)數(shù)器T0的方式1結(jié)構(gòu)圖（如圖6-18所示）可知,T0計(jì)數(shù)脈沖控制電路中,有一個(gè)方式電子開關(guān),當(dāng)C/T為“0”時(shí),方式電子開關(guān)打在上面,以振蕩器的12分頻信號(hào)作為T0的計(jì)數(shù)信號(hào),此時(shí)作為定時(shí)器使用；C/T為“1”時(shí),方式電子開關(guān)打在下面,此時(shí)以T0（P3.5）引腳上

48、的輸入脈沖作為T0的計(jì)數(shù)脈沖,這種情況下可對(duì)外界脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。 C/T的狀態(tài)可由T0的方式寄存器TMOD進(jìn)行設(shè)置。因?yàn)橄到y(tǒng)中需對(duì)輸入T0 （P3.5）端的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),所以將C/T設(shè)為“1”。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 由圖6-18還可以看出,當(dāng)GATE為0時(shí),只要TR0為“1”,計(jì)數(shù)控制開關(guān)的控制端即為高電平,使開關(guān)閉合,計(jì)數(shù)脈沖加到定時(shí)器T0允許T0計(jì)數(shù)。當(dāng)GATE為“1”時(shí), 僅當(dāng)TR0為“1”且INT0引腳上輸入高電平時(shí),控制端為高電平,控制開關(guān)閉合,允許T0計(jì)數(shù)。TR0為“0”或INT0輸入低電平都可控制開關(guān)斷開,禁止T0計(jì)數(shù)。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子

49、計(jì)數(shù)器 圖 6-18 定時(shí)器T 0方式1結(jié)構(gòu)圖GATEINT0OSC12C / TTL0TH0TF1中斷FCNFinT0TR0TR控制第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 根據(jù)定時(shí)器T0的結(jié)構(gòu)原理,系統(tǒng)中將GATE位、TR0均設(shè)為“1”,INT0端輸入標(biāo)準(zhǔn)閘門信號(hào),內(nèi)部同時(shí)開啟外中斷EX0。當(dāng)時(shí)基信號(hào)到來(lái)時(shí),計(jì)數(shù)器T0閘門打開,并開始計(jì)數(shù)；當(dāng)時(shí)基信號(hào)的下降沿到來(lái)時(shí),計(jì)數(shù)器T0閘門關(guān)閉,同時(shí)INT0產(chǎn)生中斷,此時(shí)將TR0清零,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù),讀取TL0、TH0的數(shù)據(jù)（設(shè)為N）并保存。由測(cè)頻公式（6-14）可知,此數(shù)據(jù)即為被測(cè)信號(hào)的頻率值（因?yàn)橄到y(tǒng)中閘門時(shí)間為1 s）： gXTNf（6-1

50、4） 其測(cè)試時(shí)序如圖6-19所示。 第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖 6-19 頻率測(cè)試時(shí)序圖finTgTR0fCN第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.5.3軟件設(shè)計(jì)該頻率計(jì)的軟件程序除主程序外,主要包括INT0中斷服務(wù)程序、自動(dòng)換擋子程序和顯示子程序。INT0中斷服務(wù)程序的流程圖如圖6-20所示,主要完成測(cè)頻、BCD碼轉(zhuǎn)換、譯碼等功能。在設(shè)計(jì)自動(dòng)換擋子程序時(shí),將計(jì)數(shù)器T0設(shè)為方式1,C/T位置“1”。此時(shí), T0為16位計(jì)數(shù)方式,故在不分頻時(shí)測(cè)試的信號(hào)最大頻率為216Hz,即65 535 Hz。若計(jì)數(shù)器T0溢出產(chǎn)生中斷,便進(jìn)入換擋設(shè)置子程序,增大分頻比,直至T0

51、不溢出。若分頻比較大,而輸入信號(hào)頻率較小，則可逐漸減小分頻比,直到不產(chǎn)生溢出中斷,程序由此而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋的功能。由于其程序較簡(jiǎn)單,在此就不列出其流程圖。此外,顯示子程序可采用典型的顯示程序,這里也不再贅述。第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 圖6-20 INT0中斷服務(wù)程序流程圖INT0中斷入口初始化保存計(jì)數(shù)值TR0、TH0、TL0清零BCD碼轉(zhuǎn)換軟件譯碼調(diào)顯示子程序返回第第6章章 智能型電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 6.5.4 提高測(cè)量準(zhǔn)確度的方法提高測(cè)量準(zhǔn)確度的方法如下：(1) 提高低頻信號(hào)頻率測(cè)量準(zhǔn)確度。由頻率直接測(cè)量誤差公式如下：)1(ccxgxxfffTff第第6章章 智能型

52、電子計(jì)數(shù)器智能型電子計(jì)數(shù)器 上式就是式(6-10),由該式可知,直接測(cè)頻的誤差主要由兩部分組成： 即量化誤差1/(Tgfx)和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差|fc/ fc |。在fx一定時(shí),閘門時(shí)間Tg選得越長(zhǎng),測(cè)量的準(zhǔn)確度就越高；而當(dāng)Tg選定后, fx越高,1/(Tgfx)對(duì)結(jié)果的影響就減小,測(cè)量準(zhǔn)確度就越高。隨著1/(Tgfx)對(duì)結(jié)果的影響的減小,| fc / fc |將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生主要影響,并以其為極限,即測(cè)量準(zhǔn)確度不可能優(yōu)于| fc / fc |。該系統(tǒng)在測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)相對(duì)誤差較大,其準(zhǔn)確度不及NF-10A頻率計(jì),這主要是由于該頻率計(jì)閘門時(shí)間固定為1 s。所以要想提高測(cè)試準(zhǔn)確度,可以加大閘門信號(hào)Tg, 使其為10 s。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也可以使閘門信號(hào)為10 s、1 s、0.1 s和10 ms四擋,再由數(shù)據(jù)選擇器通過單片機(jī)的控制進(jìn)行選擇,這樣閘門信號(hào)也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選