1、第四章 電子計數(shù)器4.1 概 述4.1.1 電子計數(shù)器的分類4.1.2 電子計數(shù)器的主要技術(shù)目的4.2 電子計數(shù)器的任務(wù)原理4.2.1 電子計數(shù)器的測頻原理4.2.2 電子計數(shù)器的測周原理4.2.3 電子計數(shù)器的測時間間隔4.2.4 電子計數(shù)器的控制邏輯4.2.5 電子計數(shù)器的運用方法第四章 電子計數(shù)器 本章要點本章要點 電子計數(shù)器測頻的任務(wù)原理、組成框圖和誤差分析電子計數(shù)器測頻的任務(wù)原理、組成框圖和誤差分析 電子計數(shù)器測周的任務(wù)原理、組成框圖電子計數(shù)器測周的任務(wù)原理、組成框圖 電子計數(shù)器測時間間隔的任務(wù)原理、組成框圖電子計數(shù)器測時間間隔的任務(wù)原理、組成框圖 電子計數(shù)器的控制邏輯電子計數(shù)器的控

2、制邏輯 本章難點本章難點 掌握數(shù)字測頻的根本任務(wù)原理，電子計數(shù)器的組成框圖掌握數(shù)字測頻的根本任務(wù)原理，電子計數(shù)器的組成框圖和各點波形和各點波形 熟習(xí)量化誤差的特點，了解減小量化誤差的技術(shù)途徑熟習(xí)量化誤差的特點，了解減小量化誤差的技術(shù)途徑 掌握電子計數(shù)器測周的原理框圖掌握電子計數(shù)器測周的原理框圖第四章 電子計數(shù)器4.1 概 述 點子計數(shù)器是一種最常見、最根本的數(shù)字儀器。它可以測出一定時間內(nèi)的脈沖數(shù)目，并將結(jié)果以數(shù)字方式顯示。因這種儀器直接測得的是一定時間內(nèi)的脈沖數(shù)，所以早期多用于丈量頻率，稱其為數(shù)字式頻率計。但是，隨著它的廣泛運用和性能的不斷改善，其功能也大大拓寬了。目前均普遍運用電子計數(shù)器這一

3、稱號。第四章 電子計數(shù)器4.1.1 電子計數(shù)器的分類 電子計數(shù)器是一種多功能的儀器，按其測試功能可以分為以下幾種。 1.通用計數(shù)器 2.頻率計數(shù)器 3.計算計數(shù)器 4.特種計數(shù)器第四章 電子計數(shù)器4.1.2 電子計數(shù)器的主要技術(shù)目的1.頻率丈量范圍 2.周期丈量范圍3.晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度4.輸入靈敏度5.輸入阻抗6.閘門時間和時標(biāo)7.顯示及任務(wù)方式第四章 電子計數(shù)器 4.2 電子計數(shù)器的任務(wù)原理4.2.1 電子計數(shù)器的測頻原理1.測頻的根本原理根據(jù)頻率的定義，一個周期性過程的頻率，就是在單位時間內(nèi)，這個過程的反復(fù)次數(shù)。因此，只需在一個特定的時間間隔T內(nèi)，數(shù)出這個過程的周期數(shù)N，即電子計數(shù)器

4、測頻是嚴(yán)厲按照頻率的定義進(jìn)展的。它在某個知的規(guī)范時間間隔Ts內(nèi)，測出被測信號的反復(fù)次數(shù)N，然后由公式計算出頻率。丈量的原理框圖如圖4.1所示。 第四章 電子計數(shù)器第四章 電子計數(shù)器 被測信號經(jīng)過放大整形電路變成一個脈沖列，每一個脈沖對應(yīng)一個振蕩周期。這個脈沖列經(jīng)過一個閘門。而這個閘門只在一段時間間隔T內(nèi)開通，讓脈沖經(jīng)過。其他的時間閘門封鎖，不讓脈沖經(jīng)過。經(jīng)過閘門的脈沖由十進(jìn)制電子計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果N在顯示器上用數(shù)字顯示出來。 閘門的開啟與閉合受石英晶體振蕩器頻率為fx控制。經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆诸l也可為倍頻后，得到的脈沖，Kf為分頻次數(shù)。此脈沖構(gòu)成門控信號，使閘門在時間間隔T=KfTs 第四章 電子

5、計數(shù)器 Ts為晶振信號的周期內(nèi)開啟。顯然，假設(shè)T=1s，那么頻率fx=N；T=0.1s，fx=10N。再由譯碼顯示電路將丈量結(jié)果顯示出來。選擇T大一些，N數(shù)也大，顯示的數(shù)據(jù)位數(shù)那么多，那么頻率準(zhǔn)確度就高一些。圖4.2為各點的任務(wù)波形。圖中整形輸出的脈沖信號v1對應(yīng)的被測信號vi由負(fù)半周至正半周的過零點，每個周期產(chǎn)生一個脈沖。 主要單元電路的任務(wù)原理如下。第四章 電子計數(shù)器第四章 電子計數(shù)器1輸入單元電路 輸入單元電路通常由放大、整形電路構(gòu)成，它將輸入頻率為fx的被測周期性信號放大、整形，變換成計數(shù)器可以接受的計數(shù)脈沖信號，并加到閘門電路的輸入端。2時基Ts產(chǎn)生電路 時基Ts產(chǎn)生電路包括石英晶體

6、振蕩器、分頻器和時基選擇電路。用于產(chǎn)生準(zhǔn)確的時間間隔Ts。晶體振蕩器輸出的頻率為fc周期為Tc的正弦波，經(jīng)過分頻、整形得到周期為Ts=nTc的窄脈沖，此脈沖觸發(fā)一個雙穩(wěn)即門控電路，從門控電路輸出端得到寬度為Ts的寬脈沖信號。第四章 電子計數(shù)器3主門電路在頻率計中，主門是實現(xiàn)量化的比較電路。有了主門才干進(jìn)展時間或頻率的量化比較，實現(xiàn)時間或頻率的數(shù)字轉(zhuǎn)換。通常用“與門電路組成。4計數(shù)顯示電路 計數(shù)顯示電路的義務(wù)是對來自主門的脈沖進(jìn)展計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果以數(shù)字顯示出來。計數(shù)顯示電路由計數(shù)器、存放器、譯碼器和顯示器等電路組成。第四章 電子計數(shù)器5邏輯控制電路 控制電路的作用是產(chǎn)生各種控制信號，進(jìn)而控制各

7、單元電路，使其按一定的規(guī)律，有條不紊、相互協(xié)調(diào)的任務(wù)，以完成數(shù)字化丈量任務(wù)。電子計數(shù)器在控制電路的一致指揮下，按照等待計數(shù)顯示復(fù)零等待的任務(wù)程序依次反復(fù)循環(huán)，進(jìn)展丈量任務(wù)。第四章 電子計數(shù)器2.電子計數(shù)器的測頻誤差1測頻誤差產(chǎn)生的緣由 閘門時間誤差T 計數(shù)誤差N2量化誤差1誤差3規(guī)范頻率誤差時基誤差第四章 電子計數(shù)器4.2.2 電子計數(shù)器的測周原理1.計數(shù)器測周的必要性2.計數(shù)器測周的根本原理第四章 電子計數(shù)器丈量周期時，被測信號經(jīng)過放大、整形后，轉(zhuǎn)換為同周期的脈沖信號。用此脈沖串的脈沖跳變沿去觸發(fā)門控雙穩(wěn)。門控雙穩(wěn)的輸出作為閘門的控制信號，使閘門僅在被測周期Tx內(nèi)開啟。晶振的輸出信號經(jīng)過整形

8、后構(gòu)成窄脈沖，再對其分頻或倍頻，得到一系列的規(guī)范時鐘脈沖，即為時標(biāo)信號。在閘門開啟的時間Tx內(nèi)，時標(biāo)信號進(jìn)入計數(shù)器。令時標(biāo)信號周期為f0，經(jīng)k分頻輸出頻率為fs、周期為Ts的時標(biāo)脈沖；時標(biāo)脈沖在主門開啟的時間進(jìn)入計數(shù)器，計數(shù)器讀數(shù)N，被測周期為Tx=NTs 式中：N經(jīng)過主門的脈沖個數(shù)； Tx被測信號的周期； Ts規(guī)范晶振分頻后構(gòu)成的時標(biāo)的周期。第四章 電子計數(shù)器fs=，Ts=式中：k分頻系數(shù)；fc規(guī)范晶振的振蕩頻率；fs規(guī)范晶振分頻后的頻率；Ts規(guī)范晶振分頻后構(gòu)成的時標(biāo)的周期。由以上分析可知，計數(shù)器測周根本原理與測頻類似，也是用比較丈量的方法，只不過它采用的時基和時標(biāo)信號均與測頻方法相反，它是

9、用被測信號控制主門的開啟，用規(guī)范時標(biāo)脈沖進(jìn)展計數(shù)的。其誤差分析也與測頻類似，亦存在量化誤差和規(guī)范頻率誤差，這里不作分析，有興趣可自行討論。第四章 電子計數(shù)器4.2.3 電子計數(shù)器的測時間間隔1.丈量時間間隔的根本原理時間間隔的丈量和周期的丈量，都屬于丈量信號或信號間的長度，因此，丈量方案根本一樣。圖4.4所示是時間間隔的丈量方案。與周期丈量的區(qū)別在于這里的門控雙穩(wěn)不再采用計數(shù)觸發(fā)方式，而是以要求丈量時間間隔的兩個信號分別作為置0、置1的觸發(fā)信號。為此需求用通道電子計數(shù)器上B和C兩個輔助通道。對于電子計數(shù)器主機(jī)只需一個輔助通道的，在丈量時間間隔時，需求再用一個丈量時間間隔的插件同主機(jī)配合運用。其

10、詳細(xì)任務(wù)原理如下。第四章 電子計數(shù)器 輸入通道B的信號作為起始信號，即將B通道的信號VB使門控雙穩(wěn)置1，將主門開啟，時標(biāo)脈沖經(jīng)過閘門進(jìn)入計數(shù)器計數(shù)。輸入通道C的信號作為終止信號，即用C通道的信號VC使門控雙穩(wěn)電路復(fù)零，封鎖主門，終了計數(shù)。假設(shè)計數(shù)器計數(shù)值為N，時標(biāo)脈沖的周期為T0，那么 式中：N計數(shù)器的計數(shù)值； TB-C被測信號的時間間隔； Ts規(guī)范晶振分頻后構(gòu)成的時標(biāo)周期。第四章 電子計數(shù)器第四章 電子計數(shù)器式中：k分頻系數(shù)；T0規(guī)范晶振的振蕩周期。 為了添加丈量的靈敏性，在B、C通道內(nèi)分別設(shè)置極性選擇和觸發(fā)電平調(diào)理。根據(jù)所求的丈量時間間隔所在點的信號極性和電平的特征來選擇觸發(fā)極性和觸發(fā)電平

11、，就可以選取兩個輸入信號的上升沿和下降沿上的某電平點，作為時間間隔的起點和終點，控制主門的開關(guān)，因此可以丈量兩輸入信號恣意兩點之間的時間間隔。第四章 電子計數(shù)器2.相位差的丈量 相位差的丈量普通指兩個同頻率的相位差的丈量。相位差的丈量是時間間隔丈量的一個運用例子，如圖4.5所示。第四章 電子計數(shù)器為了方便察看，將被測信號V1、V2分別送入過零比較器，當(dāng)信號由負(fù)到正經(jīng)過零點時，產(chǎn)生一個脈沖。由于輸入V1、V2兩路信號，產(chǎn)生兩個脈沖，V1超前于V2，將V1產(chǎn)生的脈沖作為開門信號，V2產(chǎn)生的脈沖作為關(guān)門信號，開關(guān)門信號構(gòu)成的時間間隔為T1的矩形脈沖作為時基信號，控制主門的開啟與封鎖。在開門時間T1內(nèi)

12、對輸入A通道的周期為Ts的時標(biāo)進(jìn)展計數(shù)，并經(jīng)過計數(shù)器顯示出對應(yīng)的相位差的數(shù)值。設(shè)時標(biāo)信號的周期為Ts，在T1間隔被計數(shù)值為N，那么V1、V2的相位差為式中：N計數(shù)器的計數(shù)值； Tx被測信號的周期； Ts規(guī)范晶振分頻后的時標(biāo)周期第四章 電子計數(shù)器4.2.4 電子計數(shù)器的控制邏輯電子計數(shù)器的方框圖如圖4.6所示。 第四章 電子計數(shù)器 由圖可以看出，它是由輸入通道部分、規(guī)范時間產(chǎn)生部分、計數(shù)和顯示部分，門控部分四部分組成其中門控部分即控制部分，是電子計數(shù)器完成邏輯控制的指揮系統(tǒng)。在它的指揮下，整機(jī)各部分電路協(xié)調(diào)動作，以完成數(shù)字化丈量的任務(wù)。 電子計數(shù)器進(jìn)展丈量的任務(wù)程序可分為等待、計數(shù)、顯示和復(fù)零四

13、個階段，并依次反復(fù)循環(huán)進(jìn)展，如圖4.7所示。從圖可以看出，t1t2為計數(shù)階段；t2t3為顯示階段；t3t5為復(fù)原階段；t5t6為等待階段。在t3t5階段內(nèi)，t3t4為復(fù)原脈沖抺去原計數(shù)，并恢復(fù)到“0形狀的階段；t4t5為閉鎖延遲階段，它作為計數(shù)器和分頻器在撤除復(fù)原后的恢復(fù)時間，這樣才不致因復(fù)原脈沖撤除后立刻計數(shù)能夠引起的任務(wù)不正常。第四章 電子計數(shù)器t2t5為閉鎖時間，在此時間內(nèi)，主控器穩(wěn)處于鎖閉形狀。t5時辰以后，各部分都處于等待形狀，等待下一次計數(shù)的進(jìn)展。控制電路的簡化方框圖如圖4.8所示，它是由同步雙穩(wěn)觸發(fā)器、主控雙穩(wěn)觸發(fā)器、輔助雙穩(wěn)觸發(fā)器、記憶單穩(wěn)觸發(fā)器、記憶輸出電路、顯示延時電路、復(fù)

14、原單穩(wěn)觸發(fā)器、復(fù)原輸出電路、閉鎖單穩(wěn)觸發(fā)器和控制門等組成。第四章 電子計數(shù)器第四章 電子計數(shù)器其任務(wù)原理現(xiàn)以丈量頻率來闡明。同步雙穩(wěn)觸發(fā)器的作用是保證閘門時間信號與同步信號的周期有一樣的精度。測頻時，控制門的一端接正電位，故同步雙穩(wěn)觸發(fā)器的輸出脈沖能經(jīng)過控制門G1去觸發(fā)主控雙穩(wěn)觸發(fā)器。假設(shè)第一個時鐘脈沖來到之前，主控雙穩(wěn)觸發(fā)器為“10形狀，那么當(dāng)?shù)谝粋€鐘脈沖來到時，該脈沖的下降沿的微分脈沖經(jīng)過負(fù)與門G2使主控雙穩(wěn)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)到“01形狀(見圖4.9)，并送出門控脈沖使主門開啟。當(dāng)?shù)诙€時鐘脈沖來到時，其下降沿的微分脈沖經(jīng)負(fù)與門G3使主控雙穩(wěn)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)回“01形狀；門控脈沖終了，主門封鎖。在門控脈

15、沖終了的同時，主控雙穩(wěn)觸發(fā)器的另一路輸出經(jīng)倒相后，去觸發(fā)輔助雙穩(wěn)觸發(fā)器，使其從“01形狀翻轉(zhuǎn)到“10形狀。第四章 電子計數(shù)器 輔助雙穩(wěn)觸發(fā)器的輸出Q3，使負(fù)與門G2封鎖，從而使主控雙穩(wěn)觸發(fā)器處于鎖閉形狀，同時，Q3又使顯示延時電路開場任務(wù)，而去觸發(fā)記憶單穩(wěn)觸發(fā)器，使它向存放器送出一個記憶指令脈沖，顯示時間由顯示延時電路來控制，顯示一段時間后，延時電路輸出一個脈沖信號觸發(fā)復(fù)原單穩(wěn)觸發(fā)器。它送出的復(fù)原脈沖使計數(shù)器和分頻器恢復(fù)到初始形狀。復(fù)原脈沖的后沿觸發(fā)閉鎖單穩(wěn)觸發(fā) 器，其輸出脈沖的后沿觸發(fā)輔助雙穩(wěn)觸發(fā)器，使其翻回“01形狀，從而對主控雙穩(wěn)觸發(fā)器解鎖。這時，控制電路又處于等待形狀，下一個時鐘脈沖來

16、到時，又自動反復(fù)以上過程。 第四章 電子計數(shù)器第四章 電子計數(shù)器4.2.5 電子計數(shù)器的運用方法 電子計數(shù)器種類繁多，但運用方法大同小異。現(xiàn)以SP3000型多功能計數(shù)器加以闡明。SP3000計數(shù)器具有頻率丈量、周期丈量、計數(shù)、PPM丈量等多種功能，其面板如圖4.10所示。 1丈量數(shù)據(jù)顯示窗口 顯示丈量的頻率、周期或計數(shù)的數(shù)據(jù)。 2指示顯示窗口 顯示被測信號的指數(shù)量級。 3B通道輸入插座 當(dāng)被測信號頻率大于100MHz時，由此通道輸入。 (4) A通道輸入插座 當(dāng)被測信號頻率小于100MHz或作周期、計數(shù)丈量時由此通道輸入 第四章 電子計數(shù)器第四章 電子計數(shù)器(5) 低通濾波器開關(guān) 按下此鍵可有

17、效濾除低頻信號上混有的高頻成分。 (6) 衰減開關(guān) 按下此鍵，可衰減A通道輸入信號20倍。 (7) 閘門選擇按鈕100ms 按下此鈕，閘門時間為100ms。當(dāng)儀器具有PPM丈量功能，在設(shè)置預(yù)置頻率f0時，此按鈕為向右挪動按鈕。 (8) 閘門選擇按鈕10s 按下此鈕，閘門時間為10s。當(dāng)儀器具有PPM丈量功能，在設(shè)置預(yù)置頻率f0時，此按鈕為數(shù)字遞減按鈕。第四章 電子計數(shù)器 (9) 閘門選擇按鈕(1s) 按下此鈕，閘門時間為1s。當(dāng)儀器具有PPM丈量功能，在設(shè)置預(yù)置頻率f0時，此按鈕為數(shù)字遞增按鈕。 (10) 閘門選擇按鈕(10ms) 按下此鈕，閘門時間為10ms。當(dāng)儀器具有PPM丈量功能，在設(shè)置預(yù)置頻率f0時，此按鈕為向左挪動按鈕。 (11) 設(shè)置按鈕 當(dāng)儀器具有PPM丈量功能，按此按鈕可對預(yù)置頻率f0進(jìn)展恣意設(shè)置。設(shè)置范圍為1Hz100MHz，開機(jī)默許的f0為32768Hz。第四章 電子計數(shù)器 (12) PPM丈量按鈕 按此鈕，儀器進(jìn)入PPM丈量形狀。丈量范圍為-9999PPM+9999PPM，超出范圍時顯示9999PPM。 (13) 計數(shù)按鈕 按此鈕，儀器進(jìn)入計數(shù)丈量形狀