電子測量儀器-電子計數器

第四章 電子計數器 電子測量儀器 第四章 電子計數器 概 述 電子計數器的分類 電子計數器的主要技術指標 電子計數器的工作原理 電子計數器的測頻原理 電子計數器的測周原理 電子計數器的測時間間隔 電子計數器的控制邏輯 電子計數器的使用方法 第四章 電子計數器 本章要點 電子計數器測頻的工作原理、組成框圖和誤差分析 電子計數器測周的工作原理、組成框圖 電子計數器測時間間隔的工作原理、組成框圖 電子計數器的控制邏輯 本章難點 掌握數字測頻的基本工作原理，電子計數器的組成框圖和各點波形 熟悉量化誤差的特點，理解減小量化誤差的技術途徑 掌握電子計數器測周的原理框圖 第四章 電子計數器 概 述 點子計數器是一種最常見、最基本的數字儀器。它可以測出一定時間內的脈沖數目，并將結果以數字形式顯示。因這種儀器直接測得的是一定時間內的脈沖數，所以早期多用于測量頻率，稱其為數字式頻率計。但是，隨著它的廣泛應用和性能的不斷改善，其功能也大大拓寬了。目前均普遍使用電子計數器這一名稱。 第四章 電子計數器 電子計數器的分類 電子計數器是一種多功能的儀器，按其測試功能 可以分為下列幾種。 第四章 電子計數器 電子計數器的主要技術指標 第四章 電子計數器 電子計數器的工作原理 電子計數器的測頻原理 根據頻率的定義，一個周期性過程的頻率，就是在單位時間內，這個過程的重復次數。因此，只要在一個特定的時間間隔 出這個過程的周期數 N，即 電子計數器測頻是嚴格按照頻率的定義進行的。它在某個已知的標準時間間隔 出被測信號的重復次數 N，然后由公式計算出頻率。測量的原理框圖如圖 第四章 電子計數器 第四章 電子計數器 被測信號經過放大整形電路變成一個脈沖列，每一個脈沖對應一個振蕩周期。這個脈沖列通過一個閘門。而這個閘門只在一段時間間隔 脈沖通過。其余的時間閘門關閉，不讓脈沖通過。通過閘門的脈沖由十進制電子計數器計數，計數的結果 閘門的開啟與閉合受石英晶體振蕩器（頻率為 制。經過適當的分頻（也可為倍頻）后，得到的脈沖， 脈沖構成門控信號，使閘門在時間間隔 T= 第四章 電子計數器 （ 開啟。顯然，如果T=1s，則頻率 ； T=0N。再由譯碼顯示電路將測量結果顯示出來。選擇 示的數據位數則多，則頻率準確度就高一些。圖 中整形輸出的脈沖信號 個周期產生一個脈沖。 主要單元電路的工作原理如下。 第四章 電子計數器 第四章 電子計數器 （ 1）輸入單元電路 輸入單元電路通常由放大、整形電路構成，它將輸入頻率為 形，變換成計數器能夠接受的計數脈沖信號，并加到閘門電路的輸入端。 （ 2）時基 時基 頻器和時基選擇電路。用于產生準確的時間間隔 體振蕩器輸出的頻率為 期為 正弦波，經過分頻、整形得到周期為 Ts=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 第四章 電子計數器 （ 3）主門電路 在頻率計中，主門是實現(xiàn)量化的比較電路。有了主門才能進行時間（或頻率）的量化比較，實現(xiàn)時間（或頻率）的數字轉換。通常用“與門”電路組成。 （ 4）計數顯示電路 計數顯示電路的任務是對來自主門的脈沖進行計數，并將計數結果以數字顯示出來。計數顯示電路由計數器、寄存器、譯碼器和顯示器等電路組成。 第四章 電子計數器 （ 5）邏輯控制電路 控制電路的作用是產生各種控制信號，進而控制各單元電路，使其按一定的規(guī)律，有條不紊、互相協(xié)調的工作，以完成數字化測量工作。電子計數器在控制電路的統(tǒng)一指揮下，按照等待 計數 顯示 復零 等待 的工作程序依次反復循環(huán)，進行測量工作。 第四章 電子計數器 （ 1）測頻誤差產生的原因 閘門時間誤差 T 計數誤差 N （ 2）量化誤差（ 1誤差） （ 3）標準頻率誤差（時基誤差） 第四章 電子計數器 電子計數器的測周原理 第四章 電子計數器 測量周期時，被測信號經過放大、整形后，轉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 振的輸出信號經過整形后形成窄脈沖，再對其分頻或倍頻，得到一系列的標準時鐘脈沖，即為時標信號。在閘門開啟的時間 標信號進入計數器。令時標信號周期為 期為 標脈沖在主門開啟的時間進入計數器，計數器讀數 N，被測周期為 中： N 通過主門的脈沖個數； 被測信號的周期； 標準晶振分頻后形成的時標的周期。 第四章 電子計數器 中： k 分頻系數； 標準晶振的振蕩頻率； 標準晶振分頻后的頻率； 標準晶振分頻后形成的時標的周期。 由以上分析可知，計數器測周基本原理與測頻類似，也是用比較測量的方法，只不過它采用的時基和時標信號均與測頻方法相反，它是用被測信號控制主門的開啟，用標準時標脈沖進行計數的。其誤差分析也與測頻類似，亦存在量化誤差和標準頻率誤差，這里不作分析，有興趣可自行探討。 第四章 電子計數器 電子計數器的測時間間隔 時間間隔的測量和周期的測量，都屬于測量信號或信號間的長度，因此，測量方案基本相同。圖 周期測量的區(qū)別在于這里的門控雙穩(wěn)不再采用計數觸發(fā)方式，而是以要求測量時間間隔的兩個信號分別作為置 0、置 1的觸發(fā)信號。為此需要用通道電子計數器上 兩個輔助通道。對于電子計數器主機只有一個輔助通道的，在測量時間間隔時，需要再用一個測量時間間隔的插件同主機配合使用。其具體工作原理如下。 第四章 電子計數器 輸入通道 將 ，將主門開啟，時標脈沖通過閘門進入計數器計數。輸入通道 用 閉主門，結束計數。若計數器計數值為 N，時標脈沖的周期為 式中： N 計數器的計數值； 被測信號的時間間隔； 標準晶振分頻后形成的時標周期 。 第四章 電子計數器 第四章 電子計數器 式中： k 分頻系數； 標準晶振的振蕩周期。 為了增加測量的靈活性，在 B、 據所求的測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，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，因而可以測量兩輸入信號任意兩點之間的時間間隔。 第四章 電子計數器 相位差的測量一般指兩個同頻率的相位差的測量。相位差的測量是時間間隔測量的一個應用例子，如圖 第四章 電子計數器 為了方便觀察，將被測信號 信號由負到正通過零點時，產生一個脈沖。因為輸入 生兩個脈沖， 2，將 關門信號形成的時間間隔為 制主門的開啟與關閉。在開門時間 通道的周期為 通過計數器顯示出對應的相位差的數值。 設時標信號的周期為 ，則 式中： N 計數器的計數值； 被測信號的周期； 標準晶振分頻后的時標周期 第四章 電子計數器 電子計數器的控制邏輯 電子計數器的方框圖如圖 第四章 電子計數器 由圖可以看出，它是由輸入通道部分、標準時間產生部分、計數和顯示部分，門控部分四部分組成其中門控部分即控制部分，是電子計數器完成邏輯控制的指揮系統(tǒng)。在它的指揮下，整機各部分電路協(xié)調動作，以完成數字化測量的工作。 電子計數器進行測量的工作程序可分為等待、計數、顯示和復零四個階段，并依次反復循環(huán)進行，圖可以看出， t2 恢復到“ 0” 狀態(tài)的階段； 作為計數器和分頻器在撤除復原后的恢復時間，這樣才不致因復原脈沖撤除后立即計數可能引起的工作不正常。 第四章 電子計數器 此時間內，主控器穩(wěn)處于鎖閉狀態(tài)。 部分都處于等待狀態(tài)，等待下一次計數的進行。 控制電路的簡化方框圖如圖 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、復原單穩(wěn)觸發(fā)器、復原輸出電路、閉鎖單穩(wěn)觸發(fā)器和控制門等組成。 第四章 電子計數器 第四章 電子計數器 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間信號與同步信號的周期有相同的精度。測頻時，控制門的一端接正電位，故同步雙穩(wěn)觸發(fā)器的輸出脈沖能通過控制門 果第一個時鐘脈沖來到之前，主控雙穩(wěn)觸發(fā)器為“ 10” 狀態(tài)，則當第一個鐘脈沖來到時，該脈沖的下降沿的微分脈沖通過負與門 01” 狀態(tài) (見圖 并送出門控脈沖使主門開啟。當第二個時鐘脈沖來到時，其下降沿的微分脈沖經負與門 01” 狀態(tài)；門控脈沖結束，主門關閉。在門控脈沖結束的同時，主控雙穩(wěn)觸發(fā)器的另一路輸出經倒相后，去觸發(fā)輔助雙穩(wěn)觸發(fā)器，使其從“ 01” 狀態(tài)翻轉到“ 10” 狀態(tài)。 第四章 電子計數器 輔助雙穩(wěn)觸發(fā)器的輸出 負與門 而使主控雙穩(wěn)觸發(fā)器處于鎖閉狀態(tài)，同時， 去觸發(fā)記憶單穩(wěn)觸發(fā)器，使它向寄存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)復原單穩(wěn)觸發(fā)器。它送出的復原脈沖使計數器和分頻器恢復到初始狀態(tài)。復原脈沖的后沿觸發(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，控制電路又處于等待狀態(tài)，下一個時鐘脈沖來到時，又自動重復以上過程。 第四章 電子計數器 第四章 電子計數器 電子計數器的使用方法 電子計數器種類繁多，但使用方法大同小異?，F(xiàn)以 期測量、計數、 面板如圖 （ 1）測量數據顯示窗口 顯示測量的頻率、周期或計數的數據。 （ 2）指示顯示窗口 顯示被測信號的指數量級。 （ 3） 當被測信號頻率大于 100此通道輸入。 (4) 當被測信號頻率小于 100數測量時由此通道輸入 第四章 電子計數器 第四章 電子計數器 (5) 低通濾波器開關 按下此鍵可有效濾除低頻信號上混有的高頻成分。 (6) 衰減開關 按下此鍵，可衰減 0倍。 (7) 閘門選擇按鈕（ 100 按下此鈕，閘門時間為 100儀器具有 設置預置頻率 按鈕為向右移動按鈕。 (8) 閘門選擇按鈕（ 10s） 按下此鈕，閘門時間為 10s。當儀器具有 設置預置頻率 按鈕為數字遞減按鈕。 第四章 電子計數器 (9) 閘門選擇按鈕 (1s) 按下此鈕，閘門時間為 1s。當儀器具有 設置預置頻率 按鈕為數字遞增按鈕。 (10) 閘門選擇按鈕 (10 按下此鈕，閘門時間為 10儀器具有 設置預置頻率 按鈕為向左移動按鈕。 (11) 設置按鈕 當儀器具有 此按鈕可對預置頻率置范圍為 1100機默認的 2768 第四章 電子計數器 (12) 按此鈕，儀器進入 量范圍為 +9999出范圍時顯示9999 (13) 計數按鈕 按此鈕，儀器進入計數測量狀態(tài)，閘門燈亮。若 器開始計數 ,再按