《電子測量儀器》第4章：電子計(jì)數(shù)器

1、電子測量儀器第4章：電子計(jì)數(shù)器電子測量儀器第4章：電子計(jì)數(shù)器本章要點(diǎn) 電子計(jì)數(shù)器測頻的工作原理、組成框圖和誤差分析 電子計(jì)數(shù)器測周的工作原理、組成框圖 電子計(jì)數(shù)器測時(shí)間間隔的工作原理、組成框圖 電子計(jì)數(shù)器的控制邏輯本章難點(diǎn) 掌握數(shù)字測頻的基本工作原理，電子計(jì)數(shù)器的組成框圖和各點(diǎn)波形 熟悉量化誤差的特點(diǎn)，理解減小量化誤差的技術(shù)途徑 掌握電子計(jì)數(shù)器測周的原理框圖本章要點(diǎn)4.1 概 述 點(diǎn)子計(jì)數(shù)器是一種最常見、最基本的數(shù)字儀器。它可以測出一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)目，并將結(jié)果以數(shù)字形式顯示。因這種儀器直接測得的是一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，所以早期多用于測量頻率，稱其為數(shù)字式頻率計(jì)。但是，隨著它的廣泛應(yīng)用和性能的不

2、斷改善，其功能也大大拓寬了。目前均普遍使用電子計(jì)數(shù)器這一名稱。4.1 概 述 點(diǎn)子計(jì)數(shù)器是一種4.1.1 電子計(jì)數(shù)器的分類 電子計(jì)數(shù)器是一種多功能的儀器，按其測試功能可以分為下列幾種。 1.通用計(jì)數(shù)器 2.頻率計(jì)數(shù)器 3.計(jì)算計(jì)數(shù)器 4.特種計(jì)數(shù)器4.1.1 電子計(jì)數(shù)器的分類 電子計(jì)數(shù)器是一種多功能的4.1.2 電子計(jì)數(shù)器的主要技術(shù)指標(biāo)1.頻率測量范圍 2.周期測量范圍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(shí)間和時(shí)標(biāo)7.顯示及工作方式4.1.2 電子計(jì)數(shù)器的主要技術(shù)指標(biāo)1.頻率測量范圍 4.2 電子計(jì)數(shù)器的工作原理4.2.1 電子計(jì)數(shù)器的測頻原理1.測頻的基本原理根據(jù)頻率

3、的定義，一個(gè)周期性過程的頻率，就是在單位時(shí)間內(nèi)，這個(gè)過程的重復(fù)次數(shù)。因此，只要在一個(gè)特定的時(shí)間間隔T內(nèi)，數(shù)出這個(gè)過程的周期數(shù)N，即電子計(jì)數(shù)器測頻是嚴(yán)格按照頻率的定義進(jìn)行的。它在某個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔Ts內(nèi)，測出被測信號(hào)的重復(fù)次數(shù)N，然后由公式計(jì)算出頻率。測量的原理框圖如圖4.1所示。 4.2 電子計(jì)數(shù)器的工作原理4.2.1 電子計(jì)數(shù)器的電子測量儀器第4章：電子計(jì)數(shù)器被測信號(hào)經(jīng)過放大整形電路變成一個(gè)脈沖列，每一個(gè)脈沖對應(yīng)一個(gè)振蕩周期。這個(gè)脈沖列通過一個(gè)閘門。而這個(gè)閘門只在一段時(shí)間間隔T內(nèi)開通，讓脈沖通過。其余的時(shí)間閘門關(guān)閉，不讓脈沖通過。通過閘門的脈沖由十進(jìn)制電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果N在顯示器

4、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(hào)，使閘門在時(shí)間間隔T=KfTs 被測信號(hào)經(jīng)過放大整形電路變成一個(gè)脈沖列，每一個(gè)脈沖對應(yīng)一個(gè)振（Ts為晶振信號(hào)的周期）內(nèi)開啟。顯然，如果T=1s，則頻率fx=N；T=0.1s，fx=10N。再由譯碼顯示電路將測量結(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)則多，則頻率準(zhǔn)確度就高一些。圖4.2為各點(diǎn)的工作波形。圖中整形輸出的脈沖信號(hào)v1對應(yīng)的被測信號(hào)vi由負(fù)半周至正半周的過零點(diǎn)，每個(gè)周期產(chǎn)生一個(gè)脈沖。 主要單元電路的工作原理如下。（Ts為晶振信

5、號(hào)的周期）內(nèi)開啟。顯然，如果T=1s，則頻率f電子測量儀器第4章：電子計(jì)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(hào)放大、整形，變換成計(jì)數(shù)器能夠接受的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，并加到閘門電路的輸入端。（2）時(shí)基Ts產(chǎn)生電路 時(shí)基Ts產(chǎn)生電路包括石英晶體振蕩器、分頻器和時(shí)基選擇電路。用于產(chǎn)生準(zhǔn)確的時(shí)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(gè)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(hào)。（1）輸入單元電路 輸入單元電路通常由放大、整（3）主門電路在頻率計(jì)中，主門

6、是實(shí)現(xiàn)量化的比較電路。有了主門才能進(jìn)行時(shí)間（或頻率）的量化比較，實(shí)現(xiàn)時(shí)間（或頻率）的數(shù)字轉(zhuǎn)換。通常用“與門”電路組成。（4）計(jì)數(shù)顯示電路 計(jì)數(shù)顯示電路的任務(wù)是對來自主門的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果以數(shù)字顯示出來。計(jì)數(shù)顯示電路由計(jì)數(shù)器、寄存器、譯碼器和顯示器等電路組成。（3）主門電路在頻率計(jì)中，主門是實(shí)現(xiàn)量化的比較電路。有了主（5）邏輯控制電路 控制電路的作用是產(chǎn)生各種控制信號(hào)，進(jìn)而控制各單元電路，使其按一定的規(guī)律，有條不紊、互相協(xié)調(diào)的工作，以完成數(shù)字化測量工作。電子計(jì)數(shù)器在控制電路的統(tǒng)一指揮下，按照等待計(jì)數(shù)顯示復(fù)零等待的工作程序依次反復(fù)循環(huán)，進(jìn)行測量工作。（5）邏輯控制電路2.電子計(jì)數(shù)器的測頻

7、誤差（1）測頻誤差產(chǎn)生的原因 閘門時(shí)間誤差T 計(jì)數(shù)誤差N（2）量化誤差（1誤差）（3）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差（時(shí)基誤差）2.電子計(jì)數(shù)器的測頻誤差（1）測頻誤差產(chǎn)生的原因4.2.2 電子計(jì)數(shù)器的測周原理1.計(jì)數(shù)器測周的必要性2.計(jì)數(shù)器測周的基本原理4.2.2 電子計(jì)數(shù)器的測周原理1.計(jì)數(shù)器測周的必要性測量周期時(shí)，被測信號(hào)經(jīng)過放大、整形后，轉(zhuǎn)換為同周期的脈沖信號(hào)。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(hào)，使閘門僅在被測周期Tx內(nèi)開啟。晶振的輸出信號(hào)經(jīng)過整形后形成窄脈沖，再對其分頻或倍頻，得到一系列的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖，即為時(shí)標(biāo)信號(hào)。在閘門開啟的時(shí)間Tx內(nèi)，時(shí)標(biāo)信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器。令時(shí)標(biāo)信

8、號(hào)周期為f0，經(jīng)k分頻輸出頻率為fs、周期為Ts的時(shí)標(biāo)脈沖；時(shí)標(biāo)脈沖在主門開啟的時(shí)間進(jìn)入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器讀數(shù)N，被測周期為Tx=NTs 式中：N通過主門的脈沖個(gè)數(shù)； Tx被測信號(hào)的周期； Ts標(biāo)準(zhǔn)晶振分頻后形成的時(shí)標(biāo)的周期。測量周期時(shí)，被測信號(hào)經(jīng)過放大、整形后，轉(zhuǎn)換為同周期的脈沖信fs=，Ts=式中：k分頻系數(shù)；fc標(biāo)準(zhǔn)晶振的振蕩頻率；fs標(biāo)準(zhǔn)晶振分頻后的頻率；Ts標(biāo)準(zhǔn)晶振分頻后形成的時(shí)標(biāo)的周期。由以上分析可知，計(jì)數(shù)器測周基本原理與測頻類似，也是用比較測量的方法，只不過它采用的時(shí)基和時(shí)標(biāo)信號(hào)均與測頻方法相反，它是用被測信號(hào)控制主門的開啟，用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的。其誤差分析也與測頻類似，亦存在量

9、化誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差，這里不作分析，有興趣可自行探討。fs=，Ts=式中：k分頻系數(shù)；4.2.3 電子計(jì)數(shù)器的測時(shí)間間隔1.測量時(shí)間間隔的基本原理時(shí)間間隔的測量和周期的測量，都屬于測量信號(hào)或信號(hào)間的長度，因此，測量方案基本相同。圖4.4所示是時(shí)間間隔的測量方案。與周期測量的區(qū)別在于這里的門控雙穩(wěn)不再采用計(jì)數(shù)觸發(fā)方式，而是以要求測量時(shí)間間隔的兩個(gè)信號(hào)分別作為置0、置1的觸發(fā)信號(hào)。為此需要用通道電子計(jì)數(shù)器上B和C兩個(gè)輔助通道。對于電子計(jì)數(shù)器主機(jī)只有一個(gè)輔助通道的，在測量時(shí)間間隔時(shí)，需要再用一個(gè)測量時(shí)間間隔的插件同主機(jī)配合使用。其具體工作原理如下。4.2.3 電子計(jì)數(shù)器的測時(shí)間間隔1.測量時(shí)間間隔的

10、基本輸入通道B的信號(hào)作為起始信號(hào)，即將B通道的信號(hào)VB使門控雙穩(wěn)置1，將主門開啟，時(shí)標(biāo)脈沖通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。輸入通道C的信號(hào)作為終止信號(hào)，即用C通道的信號(hào)VC使門控雙穩(wěn)電路復(fù)零，關(guān)閉主門，結(jié)束計(jì)數(shù)。若計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為N，時(shí)標(biāo)脈沖的周期為T0，則式中：N計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值； TB-C被測信號(hào)的時(shí)間間隔； Ts標(biāo)準(zhǔn)晶振分頻后形成的時(shí)標(biāo)周期。輸入通道B的信號(hào)作為起始信號(hào)，即將B通道的信號(hào)VB使門控雙穩(wěn)電子測量儀器第4章：電子計(jì)數(shù)器式中：k分頻系數(shù)；T0標(biāo)準(zhǔn)晶振的振蕩周期。 為了增加測量的靈活性，在B、C通道內(nèi)分別設(shè)置極性選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)。根據(jù)所求的測量時(shí)間間隔所在點(diǎn)的信號(hào)極性和電平的特征來選擇觸發(fā)

11、極性和觸發(fā)電平，就可以選取兩個(gè)輸入信號(hào)的上升沿和下降沿上的某電平點(diǎn)，作為時(shí)間間隔的起點(diǎn)和終點(diǎn)，控制主門的開關(guān)，因而可以測量兩輸入信號(hào)任意兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。式中：k分頻系數(shù)；2.相位差的測量 相位差的測量一般指兩個(gè)同頻率的相位差的測量。相位差的測量是時(shí)間間隔測量的一個(gè)應(yīng)用例子，如圖4.5所示。2.相位差的測量為了方便觀察，將被測信號(hào)V1、V2分別送入過零比較器，當(dāng)信號(hào)由負(fù)到正通過零點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖。因?yàn)檩斎隫1、V2兩路信號(hào)，產(chǎn)生兩個(gè)脈沖，V1超前于V2，將V1產(chǎn)生的脈沖作為開門信號(hào)，V2產(chǎn)生的脈沖作為關(guān)門信號(hào)，開關(guān)門信號(hào)形成的時(shí)間間隔為T1的矩形脈沖作為時(shí)基信號(hào)，控制主門的開啟與關(guān)閉。在開

12、門時(shí)間T1內(nèi)對輸入A通道的周期為Ts的時(shí)標(biāo)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過計(jì)數(shù)器顯示出對應(yīng)的相位差的數(shù)值。設(shè)時(shí)標(biāo)信號(hào)的周期為Ts，在T1間隔被計(jì)數(shù)值為N，則V1、V2的相位差為式中：N計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值； Tx被測信號(hào)的周期； Ts標(biāo)準(zhǔn)晶振分頻后的時(shí)標(biāo)周期為了方便觀察，將被測信號(hào)V1、V2分別送入過零比較器，當(dāng)信號(hào)4.2.4 電子計(jì)數(shù)器的控制邏輯電子計(jì)數(shù)器的方框圖如圖4.6所示。 4.2.4 電子計(jì)數(shù)器的控制邏輯電子計(jì)數(shù)器的方框圖如圖由圖可以看出，它是由輸入通道部分、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生部分、計(jì)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(jì)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(dòng)作

13、，以完成數(shù)字化測量的工作。電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行測量的工作程序可分為等待、計(jì)數(shù)、顯示和復(fù)零四個(gè)階段，并依次反復(fù)循環(huán)進(jìn)行，如圖4.7所示。從圖可以看出，t1t2為計(jì)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(jì)數(shù)，并恢復(fù)到“0”狀態(tài)的階段；t4t5為閉鎖延遲階段，它作為計(jì)數(shù)器和分頻器在撤除復(fù)原后的恢復(fù)時(shí)間，這樣才不致因復(fù)原脈沖撤除后立即計(jì)數(shù)可能引起的工作不正常。由圖可以看出，它是由輸入通道部分、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生部分、計(jì)數(shù)和顯t2t5為閉鎖時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)，主控器穩(wěn)處于鎖閉狀態(tài)。t5時(shí)刻以后，各部分都處于等待狀態(tài)，等待下一次計(jì)數(shù)的進(jìn)行?？刂齐娐?/p>

14、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(shí)電路、復(fù)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。t2t5為閉鎖時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)，主控器穩(wěn)處于鎖閉狀態(tài)。t5電子測量儀器第4章：電子計(jì)數(shù)器其工作原理現(xiàn)以測量頻率來說明。同步雙穩(wěn)觸發(fā)器的作用是保證閘門時(shí)間信號(hào)與同步信號(hào)的周期有相同的精度。測頻時(shí)，控制門的一端接正電位，故同步雙穩(wěn)觸發(fā)器的輸出脈沖能通過控制門G1去觸發(fā)主控雙穩(wěn)觸發(fā)器。如果第一個(gè)時(shí)鐘脈沖來到之前，主控雙穩(wěn)觸發(fā)器為“10”狀態(tài)，則當(dāng)?shù)谝粋€(gè)鐘脈沖來到時(shí)，該脈沖的下降沿的微分脈沖通過負(fù)與門G2使主控雙穩(wěn)觸發(fā)

15、器翻轉(zhuǎn)到“01”狀態(tài)(見圖4.9)，并送出門控脈沖使主門開啟。當(dāng)?shù)诙€(gè)時(shí)鐘脈沖來到時(shí)，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”狀態(tài)；門控脈沖結(jié)束，主門關(guān)閉。在門控脈沖結(jié)束的同時(shí)，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”狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到“10”狀態(tài)。其工作原理現(xiàn)以測量頻率來說明。同步雙穩(wěn)觸發(fā)器的作用是保證閘輔助雙穩(wěn)觸發(fā)器的輸出Q3，使負(fù)與門G2關(guān)閉，從而使主控雙穩(wěn)觸發(fā)器處于鎖閉狀態(tài)，同時(shí)，Q3又使顯示延時(shí)電路開始工作，而去觸發(fā)記憶單穩(wěn)觸發(fā)器，使它向寄存器送出一個(gè)記憶指令脈沖，顯示時(shí)間由顯示延時(shí)電路來控制，顯示一段時(shí)間后，延時(shí)電路輸出一個(gè)脈沖信號(hào)觸發(fā)復(fù)

16、原單穩(wěn)觸發(fā)器。它送出的復(fù)原脈沖使計(jì)數(shù)器和分頻器恢復(fù)到初始狀態(tài)。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”狀態(tài)，從而對主控雙穩(wěn)觸發(fā)器解鎖。這時(shí)，控制電路又處于等待狀態(tài)，下一個(gè)時(shí)鐘脈沖來到時(shí)，又自動(dòng)重復(fù)以上過程。 輔助雙穩(wěn)觸發(fā)器的輸出Q3，使負(fù)與門G2關(guān)閉，從而使主控雙穩(wěn)觸電子測量儀器第4章：電子計(jì)數(shù)器4.2.5 電子計(jì)數(shù)器的使用方法電子計(jì)數(shù)器種類繁多，但使用方法大同小異?，F(xiàn)以SP3000型多功能計(jì)數(shù)器加以說明。SP3000計(jì)數(shù)器具有頻率測量、周期測量、計(jì)數(shù)、PPM測量等多種功能，其面板如圖4.10所示。（1）測量數(shù)據(jù)顯示窗口顯示測量的頻率、周期或計(jì)數(shù)的

17、數(shù)據(jù)。（2）指示顯示窗口顯示被測信號(hào)的指數(shù)量級。（3）B通道輸入插座當(dāng)被測信號(hào)頻率大于100MHz時(shí)，由此通道輸入。(4) A通道輸入插座當(dāng)被測信號(hào)頻率小于100MHz或作周期、計(jì)數(shù)測量時(shí)由此通道輸入 4.2.5 電子計(jì)數(shù)器的使用方法電子計(jì)數(shù)器種類繁多，但電子測量儀器第4章：電子計(jì)數(shù)器(5) 低通濾波器開關(guān)按下此鍵可有效濾除低頻信號(hào)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(hào)20倍。(7) 閘門選擇按鈕（100ms）按下此鈕，閘門時(shí)間為100ms。當(dāng)儀器具有PPM測量功能，在設(shè)置預(yù)置頻率f0時(shí)，此按鈕為向右移動(dòng)按鈕。(8) 閘門選擇按鈕（10s）按下此鈕，閘門時(shí)間為10s。

18、當(dāng)儀器具有PPM測量功能，在設(shè)置預(yù)置頻率f0時(shí)，此按鈕為數(shù)字遞減按鈕。(5) 低通濾波器開關(guān)(9) 閘門選擇按鈕(1s)按下此鈕，閘門時(shí)間為1s。當(dāng)儀器具有PPM測量功能，在設(shè)置預(yù)置頻率f0時(shí)，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(shí)間為10ms。當(dāng)儀器具有PPM測量功能，在設(shè)置預(yù)置頻率f0時(shí)，此按鈕為向左移動(dòng)按鈕。(11) 設(shè)置按鈕當(dāng)儀器具有PPM測量功能，按此按鈕可對預(yù)置頻率f0進(jìn)行任意設(shè)置。設(shè)置范圍為1Hz100MHz，開機(jī)默認(rèn)的f0為32768Hz。(9) 閘門選擇按鈕(1s)(12) PPM測量按鈕按此鈕，儀器進(jìn)入PPM測量狀態(tài)。測量范圍為-9999PPM+9999PPM，超出范圍時(shí)顯示9999PPM。(13) 計(jì)數(shù)按鈕按此鈕，儀器進(jìn)入計(jì)數(shù)測量狀態(tài)，閘門燈亮