1、第第6 6章章 电子计数器电子计数器6.1 概述概述6.2 通用电子计数器的基本组成通用电子计数器的基本组成6.3 通用电子计数器的基本测量技术通用电子计数器的基本测量技术6.4 电子计数器的测量误差电子计数器的测量误差6.5 E312A型通用电子计数器型通用电子计数器本章小结本章小结6.1 概述概述l6.1.1 时频关系l6.1.2 时频基准l6.1.3 电子计数器的分类l6.1.4 电子计数器的主要性能指标6.1.1 时频关系时频关系 频率是指相同的现象在单位时间内重复出现的次数，常用字母表示。其单位为Hz（赫兹）。而周期性现象是指物体、物理量经过一段相等的时间又重复出现相同状态的现象，这
2、一段相等的时间被称为周期，常用字母T表示。其单位为s（秒）。周期T和频率是描述同一周期性现象的两个参数，关系为（6-1）用以测量频率和周期的方法有很多，如在第3章我们就已介绍过利用示波器测量信号周期和频率的方法，其它常用的方法还有：比较法测量、利用电路频率特性测量和电子计数器测量等。其中，利用电子计数器来测量周期和频率，其精度高、速度快、使用简单，因而得到了广泛应用。1fT6.1.2 时频基准时频基准 1世界时（UT）秒 最早的时间（频率）基准是由天文观测得到的，以地球自转周期为标准而测定的时间称为世界时（UT）。定义地球自转周期（一天）的246060分之一作为世界时的1秒，这种直接通过天文观
3、察求得的时间秒为零类世界时（UT0），其准确度在106量级。后来，对地球自转轴微小移动效应进行了校正，得到第一类世界时（UT1），再把地球自转的季节性、年度性的变化校正后的世界时称为第二类世界时（UT2），其准确度在3108量级。1960年，国际计量大会决定采用以地球公转运动为基础的历书时（ET）秒作为时间单位，将1900年1月1日0时整起算的回归年的31 556 925.974 7分之一作为1秒。按此定义复现秒的准确度提高到十亿分之1秒，即1109。2原子时（AT）秒 原子能级跃迁频率作为计时标准，这就是原子时。秒的定义：“秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级F4，mF0和F3，mF0
4、之间跃迁频率相应的射线束持续9 192 631 770个周期的时间”。以此为标准定义出的时间标准称为原子时秒，时间单位秒由天文秒改为原子秒。这样，时间标准改为由频率标准来定义，其准确度可达51014，是所有其他物理量标准所远远不能及的。3协调世界时（UTC）秒 协调世界时秒是原子时和世界时折中的产物，即用闰秒的方法来对天文时进行修正。高度准确的标准频率和时间信号主要是通过无线电波的发射和传播提供给使用部门的。6.1.3 电子计数器的分类电子计数器的分类 （1）按功能的不同，电子计数器可以分为四大类 通用计数器。通用计数器具有多种测量功能。频率计数器。频率计数器只具有测量频率这一单一功能，通常简
5、称为频率计。时间间隔计数器。时间间隔计数器是以测量时间间隔为基础的计数器。特种计数器。指具有特殊功能的计数器。（2）按直接计数的最高频率也可分为四大类 低速计数器。最高计数频率为10MHz。中速计数器。计数频率范围为10100MHz。高速计数器。计数频率范围为100MHz1GHz。微波计数器。计数频率范围为180GHz或更高。6.1.4 电子计数器的主要性能指标电子计数器的主要性能指标 （1）测试功能：说明该仪器所具备的全部测量功能。（2）测量范围：说明该仪器测量的有效范围。测量频率时，指频率的上限和下限；测量周期时，指能准确测量的最大时间和最小时间。（3）输入特性。电子计数器通常具有23个输
6、入端，在测量不同的项目时，信号经不同的输入通道进入仪器。输入特性是标明电子计数器与被测信号源相连的一组特性参数。（4）测量准确度。常用测量误差中的相对误差来表示，相对误差的绝对值越小，测量的准确度就越高。（5）石英晶体振荡器的频率稳定度：常用日稳定度表示，一般在110-5/d110-9/d。（6）闸门时间（门控时间）和时标：用以标明仪器内信号源可以提供的闸门时间和时标有几种。（7）显示及工作方式。通常包括以下四个参数。显示位数。指可显示的数码位数。显示时间。指两次测量之间显示结果的时间，一般是可调的。显示器件。通常用LED或LCD来显示测量的结果。显示方式。（8）输出。包含仪器可以直接输出的时
7、标信号种类、输出数码的编码方式以及输出电平值的大小等参数。6.2 通用电子计数器通用电子计数器的基本组成的基本组成l6.2.1 A、B输入通道l6.2.2 时基信号产生与变换电路l6.2.3 主控门l6.2.4 控制逻辑电路l6.2.5 计数及显示电路 通用电子计数器的基本结构和测量原理基本一致。图6-1所示是一个通用电子计数器的结构方框图。图图6-1 通用电子计数器的结构方框图通用电子计数器的结构方框图6.2.1 A、B输入通道输入通道 其主要功能是将各种不同形状、不同幅度和不同极性的输入信号加工成具有一定形状、一定幅度和一定极性的、计数器所必须的波形，通常是将输入信号整形为脉冲信号，以便于
8、计数电路计数。常见的施密特电路如图所示。（a）常见的施密特电路）常见的施密特电路 （b）传输特性）传输特性图图6-2 施密特电路及其传输特性施密特电路及其传输特性 其工作过程是：通电后，将信号输入，当输入信号的电压大于V2时，施密特电路工作，有输出（输出为高电平）；输入信号达到最大值后，开始下降，当电压下降至低于V1后，施密特电路停止工作，无输出（输出为低电平）；输入信号达到最小值后，又开始上升，当电压高于V2后，施密特电路工作，有输出（输出为高电平）；如此反复。V2称为输入电压上升时的转折电平（或叫阈值电平），V1称为输入电压下降时的转折电平。可见，在施密特电路的传输特性中，输入电压上升和下
9、降时的转折电平是不同的。上升时的转折电平V2大于下降时的转折电平V1，二者之差称为回差电压，用V表示，即VV2-V1。施密特电路就是通过回差电压来对任意的输入信号波形进行整形的。6.2.2 时基信号产生与变换电路时基信号产生与变换电路图图6-4 时基电路方框图时基电路方框图 作用就是产生标准频率或标准时间信号并进行变换。电子计数器的标准时间信号。为了适应不同频率和时间的测量需要，通用计数器一般都有多种不同的标准时间，这些不同的标准时间信号是石英晶体振荡器通过分频或倍频所得，供时基选择电路选用。图6-4为一个典型的时基电路方框图。6.2.3 主控门主控门 主控门是一个与门电路，其工作原理如图6-
10、5所示。图6-5 主控门工作原理图 在两个输入端中，一个接收门控信号（输入端B），主控门是否开启受其控制；另一个接收已整形为脉冲波的被测信号（输入端A），输出端C连接计数器。B端为高电平时，主控门打开，则输入端A的输入信号由C端输出；B端为低电平时，主控门关闭，则输入端A的输入信号被阻断，C端输出无效电平。可见，B端为一个功能开关，控制A端与C端的连接。6.2.4 控制逻辑电路控制逻辑电路 控制逻辑电路需要实现以下功能：刚接通电源或按动停止键时，使系统处于停止状态。当按动启动键时，利用时基信号来触发控制电路，从而控制电路的输出端以得到时间宽度为T的闸门信号，用闸门信号去控制主控门，使主控门开启
11、，开启时间为T。在开启时间结束时，封锁主控门和时基信号，使计数器显示的数字能够停留一定的时间（根据要求而定），以便于观测和读取数据。下一次测试开始前，要能对计数器清零，然后重新开启主控门，进行下一次的测量。该过程能够反复进行。图图6-6 控制逻辑电路控制逻辑电路6.2.5 计数及显示电路计数及显示电路 计数及显示电路通常包括以下三个组成部分。（1）计数器。常用十进制计数器，如74LS90，用于对计数脉冲进行计数，计数结果通常用二进制代码存储。（2）译码器。通常采用七段显示译码器，如74LS48。主要用于将二进制码转换为能驱动显示器显示的字形码。（3）显示器。常用LED或LCD七段数码管，用于将
12、计数器的计数结果显示出来，以便人眼能够进行观察。显示方式分为“有记忆”和“无记忆”两种。图6-8为十进制计数电路结构框图。计数脉冲输入个位计数器，当计数满十时由低位向高位进一，高位计数满十时又向更高位进一，如此递增，就构成了N位计数器。清零信号用于将各计数器清空，使得显示全为“0”，一般连接于74LS90的R端（复位端）。图图6-8 计数及显示电路框图计数及显示电路框图6.3 通用电子计数器的通用电子计数器的基本测量技术基本测量技术l6.3.1 频率测量l6.3.2 周期测量l6.3.3 频率比的测量l6.3.4 时间间隔的测量l6.3.5 累加计数l6.3.6 自校6.3.1 频率测量频率测
13、量 原理框图如图6-9所示。其测量原理如下：被测信号x经过放大整形后成为计数脉冲，加在主控门的输入端。晶体振荡器产生的振荡信号经过分频器分频后去触发门控电路，使其产生宽度为T0的门控信号。主控门在时间T0内打开，使得计数脉冲通过，其余时间关闭，不让计数脉冲通过。通过主控门的计数脉冲列由十进制计数器计数，计数结果N在显示器中显示出来。显然，如果T0为1s，则计数结果N就是被测信号的频率。可见，T01s，所显示频率的单位为Hz，若T01ms，则所显示频率的单位为KHz。图图6-9 测量频率的原理框图测量频率的原理框图 实质上，电子计数器测频的基本原理是比较法。以Tx与T0相比较，也就是x同0相比较
14、：在时间T0内，通过的脉冲数为N，每一个脉冲的周期为Tx，故而T0NTx，即NT0/Tx。计数器得到时间T0内通过的脉冲个数N，而主控门的开启时间T0则确定了计数器所显示数字的单位，两者结合在一起即得到具体的被测频率值x。6.3.2 周期测量周期测量 用频率为x的被测信号经过B通道去控制主控门的开启，开启时间为Tx。而晶体振荡器产生频率为0的信号，经过A通道整形得到周期为T0的计数脉冲，送到计数器计数，计数的结果为N。即在时间Tx内，得到周期为T0的计数脉冲N个。故而 （6-3）0NTTx6.3.3 频率比的测量频率比的测量 可知，TBNTA。测量频率比的实质是测量在B信号的一个周期内，A信号
15、通过主控门的脉冲数，即 （6-6）由TBNTA可知，TB大于TA（即AB），故应将频率高的作为计数脉冲，而将频率低的作为闸门信号，使用时要注意这一点。BAABffTTN6.3.4 时间间隔的测量时间间隔的测量 测量时间间隔，就是测量任意两点之间所间隔的时间。这两点，既可以是同一信号上的不同两点，也可以是两个不同信号上的两点。图6-12所示为三种不同的时间间隔。（a）两信号的延迟时间）两信号的延迟时间 （b）脉冲的上升时间）脉冲的上升时间 （c）脉冲宽度）脉冲宽度图图6-12 几种时间间隔示意图几种时间间隔示意图 这里以测量两信号的延迟时间为例来说明时间间隔的测量。它需要两个辅助通道B1和B2。
16、大多数电子计数器都有两个辅助通道，但也有一个辅助通道的。对于只有一个辅助通道的电子计数器，在测量时间间隔时，要再用一个测量时间间隔的插件来配合使用。图图6-13 测量延迟时间的原理框图测量延迟时间的原理框图 测量时，晶体振荡器产生频率为0的信号，经A通道放大整形后成为一个周期为T0的脉冲序列。两个被测信号分别由辅助通道B1和B2输入。B2通道将输入信号整形为脉冲波后，连接到RS触发器的S端，在脉冲波的有效电平到来时，S1，故Q1，将主控门打开，随后Q的输出值不变；B1通道将输入信号整形为脉冲波后，连接到RS触发器的R端，在脉冲波的有效电平到来时，R1，故Q0，将主控门关闭，随后Q的输出值不变；
17、完成一次对主控门的控制。在主控门开启的时间内，A通道的脉冲通过，送入计数器进行计数。显然，主控门开启的时间TB1-B2就是要测量的延迟时间，其值为 （6-7）02BB1NTT6.3.5 累加计数累加计数 累加计数是通用电子计数器最基本的功能，其原理框图如图所示。闸门开关S是人工控制的；S置于“”时，主控门打开，开始计数；S置于“”时，主控门关闭，计数停止。计数电路就能把输入信号的脉冲数累加起来。6.3.6 自校自校 一方面把时基信号经过m倍分频、扩大其周期后，作为闸门信号去控制主控门的开启时间；另一方面，又把时基信号经过n倍倍频后，作为计数脉冲由输入通道A送入计数器进行计数。也就是说，在给定的
18、时间内对已知的标准信号进行频率计数，其结果也是已知的。即 （6-8）00TmTNNm nn6.4 电子计数器的测量误差电子计数器的测量误差l6.4.1 误差的来源l6.4.2 频率测量误差分析l6.4.3 周期测量误差分析l6.4.4 时间间隔测量误差分析6.4.1 误差的来源误差的来源 通用电子计数器进行测量时，影响其准确度的因素一般有计数误差、时基误差和触发误差三种。1计数误差 由于输入的计数脉冲与时基的门控信号之间不同步，将发生1的计数不确定情况，这就是计数误差，也叫量化误差。如图6-16所示，门控信号的t1时间与计数脉冲是完全同步的，其内有8个计数脉冲进入计数器。而门控信号的t2时间与
19、计数脉冲不同步，其内有7个脉冲信号。无论是7个脉冲信号还是8个脉冲信号，都是不准确的。说有7个脉冲信号少1，说有8个脉冲信号则多1。所以数字仪表的显示在最低有效数字位有1的计数误差。也就是说，计数误差的绝对误差为1。其相对误差可按式（6-9）计算。图图6-16 计数误差示意图计数误差示意图 相对计数误差N/N1/（xT0）100%（6-9）式中，T0门控时间；x计数脉冲的频率。可见，相对计数误差与门控时间及计数脉冲频率的乘积成反比。2时基误差 由于计数器中时基频率不准确所造成测量上的误差，通常称为时基误差。造成时基误差的原因有：校正误差、晶体振荡器的短期限与长期限不稳定、温度的变化与电源电压的
20、变动等。校正误差是计数器出厂前或在校正实验室中，校正的不准确所造成的。校正的方法是将时基振荡器的频率与标准无线电台所发射的标准频率做零差频校正。短期限稳定度是指晶体振荡器的振荡频率暂时性的变化，可以使用较长的门控时间及多重周期的平均测量方式，来减少它所产生的误差。长期限稳定度与老化现象有关，又叫做老化率。长期限稳定度对测量的准确度影响较大，故需要定期地接受校正才能够保持应有的准确性。相对时基误差可按式（6-10）进行计算。（6-10）%10000ff相对时基误差 3触发误差 触发误差是由于施密特触发器的触发电平设置不当以及被测信号中的干扰（噪声）共同引起的测量误差。如图6-17(a)所示输入信
21、号含有噪声时，由于触发电平（VH和VL）设置不当，将产生两个脉冲输出，而不是正确的一个脉冲。若重新调整触发电平（VH和VL），如图6-17(b)所示，则可以防止噪声的影响，消除错误的计数。(a)有触发误差有触发误差 (b)没有触发误差没有触发误差图图6-17 控制电路的工作波形控制电路的工作波形 相对触发误差可按式（6-11）进行计算。（6-11）式中，Un被测信号叠加噪声的幅度；Ux被测信号的幅度。由式（6-11）可见，触发误差与信噪比Ux/Un成反比，信噪比越大，触发误差越小。例如，Ux/Un100，即信噪比为40dB时，Tx/Tx0.3185%。为减小触发误差，可以采用多周期测量法，此时
22、，式（6-11）应修改为 （6-12）式中，k为周期倍乘率。%100 xnxxUUTT%100 xnxxUkUTT6.4.2 频率测量误差分析频率测量误差分析 1计数误差 是由于通过主控门后的计数个数N是否准确而带来的，最大为1Hz，也叫量化误差。若被测量的频率越高，闸门开启时间T0越长，则计数误差对测量频率带来的影响越小，测量的精度就越高。2时基误差 它是由主控门的开启时间T0是否准确、稳定而产生的。时基误差的准确度取决于晶体振荡器频率的准确度和稳定度，即T0的误差等于晶体振荡器输出频率的误差。综上所述，频率测量的总误差是计数误差和时基误差共同作用的结果，其值为 （6-13）%1001000
23、ffTfffxxx6.4.3 周期测量误差分析周期测量误差分析 1时标误差 是由时标信号T0不确定引起的误差。同时基误差一样，时标信号也是由石英晶体振荡器产生的标准频率经过分频或倍频而得到的，所以时标信号的准确度也是由石英晶体振荡器的准确度和稳定度确定的。2计数误差 周期测量中，也会产生1的计数误差。已知，故周期测量的计数误差为 （6-14）周期测量中，在时标信号T0一定时，被测频率越低，周期越长，则量化误差越小。因此，测量低频率的信号时，宜采用周期测量法来减小误差。%100100TfTTNNNxx 3触发误差 前已述及，触发误差是由于施密特触发器的触发电平设置不当以及被测信号中的干扰（噪声）
24、共同引起的测量误差。在周期测量中，主控门的开启时间T是由被测信号Tx控制的，只有当开启时间T正好是Tx的整数倍时，主控门的时间才是准确的。但是，当被测信号上叠加有噪声、输入通道的整形电路的触发灵敏度变动或者触发电平漂移时，都会使触发时刻发生抖动，使得触发时刻可能被提前或推后，从而造成主控门开启时间不能准确地等于被测信号的周期，于是就产生触发误差。可见，周期测量的总误差为三种误差共同作用的结果，其值为 （6-16）%100000 xxnxxkTTUkUffTT6.4.4 时间间隔测量误差分析时间间隔测量误差分析 除时标误差、计数误差外，同样也会产生由噪声干扰引起的触发误差，这一点在6.4.1节中
25、已有介绍。此外由于施密特触发器的滞后，也会产生误差，通常将其称为“触发滞后误差”。(a)触发滞后误差触发滞后误差 (b)对触发滞后误差的补偿对触发滞后误差的补偿图图6-18 触发滞后误差及补偿触发滞后误差及补偿 以测量脉冲宽度为例，由图6-18(a)可见，由于触发电路存在滞后，电路不是在标称的触发点A（50%脉冲幅度）产生触发，而是在接通电平（A/点）产生触发；同样，在下降沿上，电路不是在点B（50%脉冲幅度）翻回，而是在断开电平（B/点）上翻回。故而，得到的脉冲宽度是，而不是所定义的脉冲宽度。由图6-18（a）可以求得触发滞后误差为 （6-17）式中，VB触发窗宽度（VB-V/B）；S1 上
26、升沿斜率；S2 下降沿斜率。这里的S1和S2也可以推广为第一个触发脉冲（起始）的斜率和第二个触发脉冲（终止）的斜率。1B2B1212S2S2VV6.5 E312A型通用电子计数器型通用电子计数器l6.5.1 主要技术性能l6.5.2 基本结构与工作原理6.5.1 主要技术性能主要技术性能（1）输入通道特性 测量频率范围。DC耦合：0.1Hz10MHz/100MHz；AC耦合：100Hz10MHz/100MHz。测量周期范围：100ns10s。输入阻抗：1M45pF。输入幅度范围。正弦波：30mVrms2Vrms（80MHz），50mVrms2Vrms（80MHz）。脉冲波：90mVP-P6VP
27、-P（80MHz），150mVP-P6VP-P（80MHz）。触发电平：1.5V，步进30mV递增或递减可调。极性：、。（2）C通道（B2通道）输入特性 测量频率范围：100MHz1GHz。输入幅度范围：30mVrms1.5Vrms。输入阻抗：50。（3）周期测量范围：100ns10s。预选闸门时间：10ms、100ms、1s、10s四挡。测量时间：当TxTg时，TmTg+Tx；当TxTg时，TmTx。Tx为被测时间、Tm为测量时间、Tg为预选闸门时间、Tx为预选闸门关闭与紧跟来的被测信号的终止触发电平所需时间。（4）时间间隔测量 测量范围：200ns100s。测量时间：与周期测量相同。测量误
28、差：时间间隔时基准确度触发误差T1100ns。（5）频率比测量B/A 测量范围：11081；频率范围：0.1Hz10MHz（BA）。测量时间：与周期测量相同。6.5.2 基本结构与工作原理基本结构与工作原理图图6-19 E312A型通用电子计数器方框图型通用电子计数器方框图 （1）输入通道电路 由于5G7226B的输入A和输入B是数字信号的输入端，要求由TTL电平的脉冲信号驱动。因此在实际应用时，常常需要外加输入通道电路，对被测信号放大整形之后，变成所需的脉冲信号。输入通道分为A、B两个，为了保证测量的一致性，两个通道以相同的形式组成。通道由输入保护、阻抗变换、放大器、整形器、三态灯触发器和控
29、制选择门组成，如图6-20所示。A通道为主通道，B通道为辅助通道，B通道又分为B1和B2两个通道。有的资料将其称为A、B、C三个通道，无论称呼如何，其原理一样。被测信号经输入通道放大、整形后，形成矩形波输出，控制门将分别选择被测信号的上升沿或下降沿，送至主机（当用内插件测量时，它将关闭A、B通道的信号，而将内插件来的信号加至主机）进行测量。三态灯触发器将检测整形器是否正常工作。当整形器工作正常时，它将被触发，指示灯正常闪亮，当工作不正常时，指示灯常亮或常灭。（2）频率扩展电路 5G7226B输入A端的最大频率为10MHz，输入B端的最大频率为2MHz。如果被测频率上限超过10MHz，则需要在输
30、入端之前加一个预分频率器，以便把输入频率降低到10MHz以下。在某些情况下，虽然输入信号的重复频率未超过其允许的10MHz上限值，但当输入信号的占空比很小（即脉冲宽度很窄）时，必须用单稳电路去展宽脉冲，使脉冲宽度不小于50ns。（3）晶体振荡回路 5G7226B外接一个10MHz的石英晶体振荡器，两只39pF电容，一只22M电阻。（4）LED显示器 5G7226B外接8个共阴型发光二极管数字显示器，阴极分别与5G7226B的D1D8端相连。8个显示器的ag段对应地与5G7226B的ag段相连。（5）控制开关与按键 5G7226B需外接下列控制开关与按键：S1为功能选择开关，S2为量程选择开关，
31、S3S4为方式控制开关，K1为复位按键，K2为保持按键。（6）电源电路 直流电源为集成化三端稳压器，它提供5V、15V和15V三种直流电压。5V输出具有过压保护电路，当故障引起输出电压升高超过6.5V后，保护管被触发，使输出端接地，以免元器件因电压过高而损坏。15V分两组输出，一组供晶体振荡器使用，另一组供输入通道以及内插件使用，15V供输入通道的恒流源、触发电平以及内插件使用。本章小结本章小结 1时间与频率的测量是最基本的测量之一，也是目前精度最高的测量。2电子计数器按功能可以分为通用计数器、频率计数器、时间间隔计数器以及特种计数器等四种。3电子计数器的主要技术指标有：测试功能、测量范围、输入特性、测量准确度、石英晶体振荡器的频率稳定度、闸门时间和时标以及输出等。4通用电子计数器主要由输入通道、主控门、时基信号产生和变换电路、逻辑控制电路以及计数与显示电路等五部分组成。5通用电子计数器具有多种测量功能，书中介绍了测量频率、测量期周、测量频率比、累加计数以及自校等功能的测量原理。6通用电子计数器进行测量时，影响到准确度的因素一般有计数误差、时基误差和触发误差三种。
