1、电子测量仪器第4章：电子计数器 本章要点本章要点 电子计数器测频的工作原理、组成框图和误差分析电子计数器测频的工作原理、组成框图和误差分析 电子计数器测周的工作原理、组成框图电子计数器测周的工作原理、组成框图 电子计数器测时间间隔的工作原理、组成框图电子计数器测时间间隔的工作原理、组成框图 电子计数器的控制逻辑电子计数器的控制逻辑 本章难点本章难点 掌握数字测频的基本工作原理，电子计数器的组成框图掌握数字测频的基本工作原理，电子计数器的组成框图和各点波形和各点波形 熟悉量化误差的特点，理解减小量化误差的技术途径熟悉量化误差的特点，理解减小量化误差的技术途径 掌握电子计数器测周的原理框图掌握电子
2、计数器测周的原理框图4.1 概 述 点子计数器是一种最常见、最基本的数字仪器。它可以测出一定时间内的脉冲数目，并将结果以数字形式显示。因这种仪器直接测得的是一定时间内的脉冲数，所以早期多用于测量频率，称其为数字式频率计。但是，随着它的广泛应用和性能的不断改善，其功能也大大拓宽了。目前均普遍使用电子计数器这一名称。4.1.1 电子计数器的分类 电子计数器是一种多功能的仪器，按其测试功能可以分为下列几种。1.通用计数器 2.频率计数器 3.计算计数器 4.特种计数器4.1.2 电子计数器的主要技术指标1.频率测量范围 2.周期测量范围3.晶体振荡器的频率稳定度4.输入灵敏度5.输入阻抗6.闸门时间
3、和时标7.显示及工作方式 4.2 电子计数器的工作原理4.2.1 电子计数器的测频原理1.测频的基本原理 根据频率的定义，一个周期性过程的频率，就是在单位时间内，这个过程的重复次数。因此，只要在一个特定的时间间隔T内，数出这个过程的周期数N，即 电子计数器测频是严格按照频率的定义进行的。它在某个已知的标准时间间隔Ts内，测出被测信号的重复次数N，然后由公式计算出频率。测量的原理框图如图4.1所示。被测信号经过放大整形电路变成一个脉冲列，每一个脉冲对应一个振荡周期。这个脉冲列通过一个闸门。而这个闸门只在一段时间间隔T内开通，让脉冲通过。其余的时间闸门关闭，不让脉冲通过。通过闸门的脉冲由十进制电子
4、计数器计数，计数的结果N在显示器上用数字显示出来。闸门的开启与闭合受石英晶体振荡器（频率为fx）控制。经过适当的分频（也可为倍频）后，得到的脉冲，Kf为分频次数。此脉冲构成门控信号，使闸门在时间间隔T=KfTs （Ts为晶振信号的周期）内开启。显然，如果T=1s，则频率fx=N；T=0.1s，fx=10N。再由译码显示电路将测量结果显示出来。选择T大一些，N数也大，显示的数据位数则多，则频率准确度就高一些。图4.2为各点的工作波形。图中整形输出的脉冲信号v1对应的被测信号vi由负半周至正半周的过零点，每个周期产生一个脉冲。主要单元电路的工作原理如下。（1）输入单元电路 输入单元电路通常由放大、
5、整形电路构成，它将输入频率为fx的被测周期性信号放大、整形，变换成计数器能够接受的计数脉冲信号，并加到闸门电路的输入端。（2）时基Ts产生电路 时基Ts产生电路包括石英晶体振荡器、分频器和时基选择电路。用于产生准确的时间间隔Ts。晶体振荡器输出的频率为fc（周期为Tc）的正弦波，经过分频、整形得到周期为Ts=nTc的窄脉冲，此脉冲触发一个双稳（即门控）电路，从门控电路输出端得到宽度为Ts的宽脉冲信号。（3）主门电路在频率计中，主门是实现量化的比较电路。有了主门才能进行时间（或频率）的量化比较，实现时间（或频率）的数字转换。通常用“与门”电路组成。（4）计数显示电路 计数显示电路的任务是对来自主
6、门的脉冲进行计数，并将计数结果以数字显示出来。计数显示电路由计数器、寄存器、译码器和显示器等电路组成。（5）逻辑控制电路 控制电路的作用是产生各种控制信号，进而控制各单元电路，使其按一定的规律，有条不紊、互相协调的工作，以完成数字化测量工作。电子计数器在控制电路的统一指挥下，按照等待计数显示复零等待的工作程序依次反复循环，进行测量工作。2.电子计数器的测频误差（1）测频误差产生的原因 闸门时间误差T 计数误差N（2）量化误差（1误差）（3）标准频率误差（时基误差）4.2.2 电子计数器的测周原理1.计数器测周的必要性2.计数器测周的基本原理测量周期时，被测信号经过放大、整形后，转换为同周期的脉
7、冲信号。用此脉冲串的脉冲跳变沿去触发门控双稳。门控双稳的输出作为闸门的控制信号，使闸门仅在被测周期Tx内开启。晶振的输出信号经过整形后形成窄脉冲，再对其分频或倍频，得到一系列的标准时钟脉冲，即为时标信号。在闸门开启的时间Tx内，时标信号进入计数器。令时标信号周期为f0，经k分频输出频率为fs、周期为Ts的时标脉冲；时标脉冲在主门开启的时间进入计数器，计数器读数N，被测周期为Tx=NTs 式中：N通过主门的脉冲个数；Tx被测信号的周期；Ts标准晶振分频后形成的时标的周期。fs=，Ts=式中：k分频系数；fc标准晶振的振荡频率；fs标准晶振分频后的频率；Ts标准晶振分频后形成的时标的周期。由以上分
8、析可知，计数器测周基本原理与测频类似，也是用比较测量的方法，只不过它采用的时基和时标信号均与测频方法相反，它是用被测信号控制主门的开启，用标准时标脉冲进行计数的。其误差分析也与测频类似，亦存在量化误差和标准频率误差，这里不作分析，有兴趣可自行探讨。4.2.3 电子计数器的测时间间隔1.测量时间间隔的基本原理时间间隔的测量和周期的测量，都属于测量信号或信号间的长度，因此，测量方案基本相同。图4.4所示是时间间隔的测量方案。与周期测量的区别在于这里的门控双稳不再采用计数触发方式，而是以要求测量时间间隔的两个信号分别作为置0、置1的触发信号。为此需要用通道电子计数器上B和C两个辅助通道。对于电子计数
9、器主机只有一个辅助通道的，在测量时间间隔时，需要再用一个测量时间间隔的插件同主机配合使用。其具体工作原理如下。输入通道B的信号作为起始信号，即将B通道的信号VB使门控双稳置1，将主门开启，时标脉冲通过闸门进入计数器计数。输入通道C的信号作为终止信号，即用C通道的信号VC使门控双稳电路复零，关闭主门，结束计数。若计数器计数值为N，时标脉冲的周期为T0，则 式中：N计数器的计数值；TB-C被测信号的时间间隔；Ts标准晶振分频后形成的时标周期。式中：k分频系数；T0标准晶振的振荡周期。为了增加测量的灵活性，在B、C通道内分别设置极性选择和触发电平调节。根据所求的测量时间间隔所在点的信号极性和电平的特
10、征来选择触发极性和触发电平，就可以选取两个输入信号的上升沿和下降沿上的某电平点，作为时间间隔的起点和终点，控制主门的开关，因而可以测量两输入信号任意两点之间的时间间隔。2.相位差的测量 相位差的测量一般指两个同频率的相位差的测量。相位差的测量是时间间隔测量的一个应用例子，如图4.5所示。为了方便观察，将被测信号V1、V2分别送入过零比较器，当信号由负到正通过零点时，产生一个脉冲。因为输入V1、V2两路信号，产生两个脉冲，V1超前于V2，将V1产生的脉冲作为开门信号，V2产生的脉冲作为关门信号，开关门信号形成的时间间隔为T1的矩形脉冲作为时基信号，控制主门的开启与关闭。在开门时间T1内对输入A通
11、道的周期为Ts的时标进行计数，并通过计数器显示出对应的相位差的数值。设时标信号的周期为Ts，在T1间隔被计数值为N，则V1、V2的相位差为式中：N计数器的计数值；Tx被测信号的周期；Ts标准晶振分频后的时标周期4.2.4 电子计数器的控制逻辑电子计数器的方框图如图4.6所示。由图可以看出，它是由输入通道部分、标准时间产生部分、计数和显示部分，门控部分四部分组成其中门控部分即控制部分，是电子计数器完成逻辑控制的指挥系统。在它的指挥下，整机各部分电路协调动作，以完成数字化测量的工作。电子计数器进行测量的工作程序可分为等待、计数、显示和复零四个阶段，并依次反复循环进行，如图4.7所示。从图可以看出，
12、t1t2为计数阶段；t2t3为显示阶段；t3t5为复原阶段；t5t6为等待阶段。在t3t5阶段内，t3t4为复原脉冲抺去原计数，并恢复到“0”状态的阶段；t4t5为闭锁延迟阶段，它作为计数器和分频器在撤除复原后的恢复时间，这样才不致因复原脉冲撤除后立即计数可能引起的工作不正常。t2t5为闭锁时间，在此时间内，主控器稳处于锁闭状态。t5时刻以后，各部分都处于等待状态，等待下一次计数的进行。控制电路的简化方框图如图4.8所示，它是由同步双稳触发器、主控双稳触发器、辅助双稳触发器、记忆单稳触发器、记忆输出电路、显示延时电路、复原单稳触发器、复原输出电路、闭锁单稳触发器和控制门等组成。其工作原理现以测
13、量频率来说明。同步双稳触发器的作用是保证闸门时间信号与同步信号的周期有相同的精度。测频时，控制门的一端接正电位，故同步双稳触发器的输出脉冲能通过控制门G1去触发主控双稳触发器。如果第一个时钟脉冲来到之前，主控双稳触发器为“10”状态，则当第一个钟脉冲来到时，该脉冲的下降沿的微分脉冲通过负与门G2使主控双稳触发器翻转到“01”状态(见图4.9)，并送出门控脉冲使主门开启。当第二个时钟脉冲来到时，其下降沿的微分脉冲经负与门G3使主控双稳触发器翻转回“01”状态；门控脉冲结束，主门关闭。在门控脉冲结束的同时，主控双稳触发器的另一路输出经倒相后，去触发辅助双稳触发器，使其从“01”状态翻转到“10”状
14、态。辅助双稳触发器的输出Q3，使负与门G2关闭，从而使主控双稳触发器处于锁闭状态，同时，Q3又使显示延时电路开始工作，而去触发记忆单稳触发器，使它向寄存器送出一个记忆指令脉冲，显示时间由显示延时电路来控制，显示一段时间后，延时电路输出一个脉冲信号触发复原单稳触发器。它送出的复原脉冲使计数器和分频器恢复到初始状态。复原脉冲的后沿触发闭锁单稳触发 器，其输出脉冲的后沿触发辅助双稳触发器，使其翻回“01”状态，从而对主控双稳触发器解锁。这时，控制电路又处于等待状态，下一个时钟脉冲来到时，又自动重复以上过程。4.2.5 电子计数器的使用方法 电子计数器种类繁多，但使用方法大同小异。现以SP3000型多
15、功能计数器加以说明。SP3000计数器具有频率测量、周期测量、计数、PPM测量等多种功能，其面板如图4.10所示。（1）测量数据显示窗口 显示测量的频率、周期或计数的数据。（2）指示显示窗口 显示被测信号的指数量级。（3）B通道输入插座 当被测信号频率大于100MHz时，由此通道输入。(4)A通道输入插座 当被测信号频率小于100MHz或作周期、计数测量时由此通道输入(5)低通滤波器开关 按下此键可有效滤除低频信号上混有的高频成分。(6)衰减开关 按下此键，可衰减A通道输入信号20倍。(7)闸门选择按钮（100ms）按下此钮，闸门时间为100ms。当仪器具有PPM测量功能，在设置预置频率f0时
16、，此按钮为向右移动按钮。(8)闸门选择按钮（10s）按下此钮，闸门时间为10s。当仪器具有PPM测量功能，在设置预置频率f0时，此按钮为数字递减按钮。(9)闸门选择按钮(1s)按下此钮，闸门时间为1s。当仪器具有PPM测量功能，在设置预置频率f0时，此按钮为数字递增按钮。(10)闸门选择按钮(10ms)按下此钮，闸门时间为10ms。当仪器具有PPM测量功能，在设置预置频率f0时，此按钮为向左移动按钮。(11)设置按钮 当仪器具有PPM测量功能，按此按钮可对预置频率f0进行任意设置。设置范围为1Hz100MHz，开机默认的f0为32768Hz。(12)PPM测量按钮 按此钮，仪器进入PPM测量状
17、态。测量范围为-9999PPM+9999PPM，超出范围时显示9999PPM。(13)计数按钮 按此钮，仪器进入计数测量状态，闸门灯亮。若A通道有输入信号，仪器开始计数,再按计数钮，计数处于保持（停止）状态，闸门灯灭，再按计数钮，闸门灯又亮，仪器继续进行累加计数。设置钮和四个闸门钮为计数清零按钮。(14)频率B按钮 当被测信号频率大于100MHz时，按此钮同时将输入信号由B通道输入。(15)周期A按钮 按此钮，仪器进入周期测量状态，此时输入信号由A通道输入。(16)频率A按钮 当被测信号频率小于100MHz时，按此钮，仪器进入频率测量状态。(17)整机电源开关 按下此按键，机内电源接通，仪器显示机型后进入自校状态。此按键释放为关闭整机电源。
