电子计数器方案

11、智能计数器概念22、通用计数器简介23、智能电子计数器功能及性能指标34、智能电子计数器的方案选择35、智能电子计数器的系统实现框图76、传统的通用电子计数器的不足87、智能通用电子计数器的优势98、智能电子计数器存在的关键问题及解决方案129、功能模块电路的设计1210、系统软件的设计1921、智能计数器概念智能计数器，是利用数字电路技术数出给定时间内所通过的脉冲数并显示计数结果的数字化仪器。智能计数器是其他数字化仪器的基础。在它的输入通道接入各种模数变换器，再利用相应的换能器便可制成各种数字化仪器。智能计数器的特点测量精度高、量程宽、功能多、操作简单、测量速度快、直接显示数字，而且易于实现测量过程自动化。智能计数器按功能可分4类1、通用计数器可测频率、周期、多周期平均、时间间隔、频率比和累计等。2、频率计数器专门用于测量高频和微波频率的计数器。3、计算计数器具有计算功能的计数器，可进行数学运算，可用程序控制进行测量计算和显示等全部工作过程4、微波计数器是以通用计数器和频率计数器为主配以测频扩展器而组成的微波频率计。应用领域智能计数器在工业生产和科学实验中得到广泛应用。2、通用计数器简介本课题主要是针对智能通用计数器的设计，通用电子计数器又可称为多功能电子计数器，它可以完成频率测量，周期测量，脉冲计数，以及基本的加减计数和定时功能等等。对于智能通用3计数器，不仅要完成以上的各种基本功能，而且还要通过单片机微处理器完成仪器工作的自动化，简化用户的操作难度。所以智能的通用电子计数器的智能化在体现在以下几个方面测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化，简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。3、智能电子计数器功能及性能指标1）、频率测量A测量范围1HZ5MHZ；信号幅度范围01V5V。B测量误差106。2）、周期测量A测量范围1S01S；信号幅度范围01V5V；B测量误差103。3）、脉冲计数A能检测出各种脉冲信号（方波、三角波、正弦波等等）个数4）、可预置加减计数A可以在150000之间进行计数5）、可逆计数功能6）、自动复位功能7）、扩展功能A数据存储功能4B计算机通信功能4、智能电子计数器的方案选择方案一直接测频法通过外部信号通道把信号进行放大整形后，以获得标准的TTL电平信号，然后设置主门控制时间（信号的计数时间），通过单片机的时钟中断统计门控时间内通过的信号周期个数。单片机把计数的数值通过数码管显示出来，也可以扩展数据存储功能和与计算机通信功能，完成电子计数器与计算机的通信功能，也可以通过计算机配置智能通用计数器的控制器以扩展它的功能。系统框图如下方案二测周法测试方法与方案一类似，他是以待测信号为门限，记录在此门限内的高频标准时钟的数量，从而测量信号的频率。系统框图如下5方案三等精度测量法前级模拟信号处理功能与方案一相同，只是在转换数字信号后的测量方案有所不同，先设置一个参考频率信号，然后设置门控时间（由被测信号和预制门控共同控制），用同步电路对参考信号和被测信号分别进行计数，然后通过单片机处理，完成计数和显示功能。系统框图如下方案比较方案一的优点电路简单，能完成智能计数器的基本功能，特6别是在测量频率较高的信号时精度很高。系统控制简单，在满足功能要求的情况下硬软件实现容易。方案一的缺点测量精度不能做的很高，特别在频率很低时，测量误差会很大，它总是存在相对误差，特别是在频率很低时最大计量误差很明显。例如如果被测信号的频繁率为10HZ，门控时间为1S，则最大计量误差则达到10，严重影响智能电子计数器的性能。方案二的优点电路简单，能完成智能计数器的基本功能，特别是在测量频率较低的信号时精度很高。系统控制简单，在满足功能要求的情况下硬软件实现容易。方案三的优点采用多周期同步测量的技术，由于其精确门限信号由被测信号和预置门控共同控制，测量精度与被测信号的频率无关，只与参考信号的频率和稳定度有关，这样消除了最大计量误差引起的测量精度的恶化，同时通过对频率和周期的自动测量转换使测量精度得到了很大的改善（频率高时自动进行频率测量，频率低时自动进行周期测量），可同时消除方案一和方案二的不足之处，从而使测量精度能提升几个数量级。方案三的缺点电路的难度加大，对硬件电路的复杂度与性能标求提高了要求，软件控制的难度也提升了不少。综合上述两个方案的对比，在单片机能完成智能电子计数器的情况下，方案三优势较大，它的测量性能很高，并且可以尽量通过软件的控制来简化硬件电路，相对来说对硬件电路的整个要求来说7也不是很高。所以，本项目主要采用方案三来实现。5、智能电子计数器的系统实现框图系统整体结构整体设计系统结构，硬件与软件相结合，并尽量以软件代替硬件以充分发挥微型机效能，提高可靠性。主要有以下几个功能模块组成输入通道、整形放大电路、同步电路部分、单片机控制部分、键盘与显示部分、通信部分。功能的实现过程来至通道1至N的模拟型号通过模拟开关，通过单片机控制那个通道的信号输出，选择一路信号输出给前级放大电路和脉冲整形电路，然后经过多级分频，将频率降低，并且通过单片机控制分频系数，将输出的信号输入门控电路，当来至同步电路的信号进入门控电路时，门控信号有效，电平信号就会触发单片机的计数器1，对当前脉冲信号进行计数。时钟电路产生频率精度很高的信号通过整形放大电路后得到的标准TTL电平信号，通过分频电路得到频率很稳的预置闸门时间，通过同步电路后，使闸门信号和被测信号同步，并让闸门信号触发单片机外部中断，通过中断程8序控制其内部计数器1和2工作，分别统计两个计数器的值，通过单片机进行运算并通过数码管显示出来。通过键盘对智能电子计数器的功能进行选择，并对单片机进行自动复位。单片机通过串口与计算机进行通信，通过计算机对单片机进行配置，扩展仪器的功能。6、传统的通用电子计数器的不足测量时会存在以下几种误差1）、最大计量误差通用计数器各测量功能在计数时，如果主门的开启时刻与计数脉冲的时间关系是不相关的，那么，同一信号在相同的主门开启时间内两次测量所记录的脉冲数N可能是不一样的。计数误差示意图如下最大计数误差的特点是不管计数N是多少，N的最大值都为1。因此，为了减少最大计数误差对测量精度的影响，仪器使用中采取的技术措施是尽量使计数值N大,使NN误差相应减少。因此这种方法只能测频率高的信号时才会有很大的精度。在测量频率时，当被测信号频率很低时，由1误差而引起的测量误差将大到不能允许的程度，例如，被测信号FX1HZ，闸门时间为91S时，由1误差而引起测量误差高达100。在测量周期时，当被测周期很小时，也会产生同样的问题，它的误差也会达到很大，周期大时能得到很好的精度。要起同时满足测周与测频的精度，必须要想到一种办法能在测周和测频时都能达到很高的精度。所以在原来的电子计数器基础上，进行了改进，即在被测信号的周期很小时，宜先测频率，再换算出周期；在被测周期过大时，则采用测周期，再换算相应的频率，但这种方法仍不能做到很高。2）、标准频率误差标准频率误差在测频时取决于闸门时间的准确度，在测周时取决于时标的准确度。由于闸门时间和时标均由晶体振荡器多次倍频或分频获得，所以，通用计数器有关功能的标准频率误差就是指通用计数器内部（或外部接入）的晶体振荡器的准确度。但时，由标准频率误差引起的测量误差，都不大于由1误差所引起的测量误差。3）、触发误差当进行周期等测量时，无噪声干扰时，主门开启时间刚好等于被测信号的周期TX。若信号受到干扰，信号将使整形电路出现超前或滞后触发，使整形后信号的周期与实际被测信号的周期发生偏离TN，引起所谓的触发误差。7、智能通用电子计数器的优势本方案的简易测量原理图如下10波形图如下1）、提高了测量精度和可靠性从上图中我们可以分析得出由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，计数器所记录的NB的值仍存在1误差的影响，但是，由于时钟频率F0很高，1误差的影响很小，且在全频段的测量精度是均衡的,测量精度已与被测信号的频率无关。并且由于测量中用了同步电路，就使由于整形电路引起的信号超前或滞后触发消除，通过同步电路使参考信号与被测信号的闸门信号同时打开，11使两个计数器同时工作，不会出现被测信号的偏移。而采用上图中的多周期同步测量就会有很大的优势。由工作波形图还可以看出，NB的大小实际是NA个被测信号周期的时钟脉冲的个数，即为多个周期测量的平均值。这样即可以完满足当测量周期时间过小时的测量精度问题（因为多周期可以相对增加被测信号的周期），也可以满足在频率很小时测量精度的问题（因为测量时消除了1的计量误差，测量误差只与时钟信号F0的稳定度有关）。2）、测量功能的多样化本方案输入通道有多个，通过模拟开关可以分别测量来自不同通道的信号，增加了测量信号的多样化，使通道内的各信号源或传感器信号都能被处理。我们可以设计多个传感器通道就可以为各种电子仪器计数和控制，这样可以增加它的通用性。并且通过单片机控制还可以使智能电子计数器的功能得到更好的完善，可以很容易的完成周期和频率的测量、可预置加减计数、可逆计数功能、数据的存储与通信功能；同时也可以通过扩展电路将单片机的计数值进行数模转换去控制其它仪器的计数、定时、开关功能。3）、测量过程的自动化通过单片机微处理器处理，可以大大的简化电路的复杂度，同时也大大的减小了测量过程的复杂度。通过向单片机烧写程序可以最大的通过软件程序完成硬件的功能和人工操作。比如在测量信号的脉冲数量时，当测量数量过多时，这时就不需要人手工去换档，软件会自动换档，测量出脉冲的个数。计数时也不需要人工的复杂12操作，只要选择完成的功能键，软件就会控制电子计数器完成相应的功能。8、智能电子计数器存在的关键问题及解决方案关键问题1）、计数脉冲会出现1的计数误差。2）、测量信号周期过大和信号频率过高的限制。3）、单片机的最高主频12MHZ，机器周期1微秒，定时精度1微秒，外部脉冲频率上限1MHZ，并且带负载能力4/8个TTL负载。解决方案本设计的实现方案采用多周期测量的法可解决上述2中的问题；采用同步测量的方法消除1中的影响；通过分频电路可使脉冲的频率更低满足单片机的可接受外部脉冲频率上限。由于本设计的智能电子计数器的测量范围不是很高，本方案完全可能满足要求。备选方案当测量脉冲的频率过高时，这时这种方案就会存在不足了，这主要是单片机工作频率有关，它不能响应很高的脉冲信号，这时我们可以多周期测量法和同步电路配合高速计数器就可以脱离单片机的外部响应频率低的限制，直接通过高速计数器将计数值送给单片机的接口进行读取，回避了用外部触发脉冲计数。9、功能模块电路的设计1）、通道的设计仪器有1、2N个输入通道，都由阻抗变换器，宽带放大器和整形电路组成，其作用是将输入信号放大、整形、变换成TTL电13平的方波，作为控制电路的输入信号。当然本方案中只是为了测量标准的信号和较低频率的信号，没有涉及到高速信号，所以阻抗变器在本方案中没有给出。本方案中，只是为各种信号提供了可扩展的接口，其主要是针对一般的标准信号和频率不是很高的脉冲信号，没有设计相关的传感器电路，这些电路我们可以以子板的形式给出，因为我们在前级给出了备用的可控模拟开关，这样可以提高仪器的通用性。（1）芯片选型OPA699选型说明OPA699是一个高近线性限幅放大器，快速的过载恢复，其恢复时间只有1NS。对输入信号的灵敏度很高，输入信号只要10MV就能工作并对信号进行放大。带宽大，最大为1000MHZ，在增益为6时，3DB带宽为260MHZ，边沿转换时间快，可达到1400V/US，适合上升时间很快的数字信号。工作电压为5V，能很好的工作在40125。C。开环增益大，可达到典型的58DB；共模拟制比可达到典型的55DB，输入阻抗很到，达到了几个MPF级别，并且电源拟制比具有典型的68DB，这些使OPA699对噪声的拟制能力很强。并具其输出阻抗低（08），有很好的带负载能力，大大减小了负载效应。所以该运放完全满足了设计的需要，能很好的将01V5V的信号得到很好的放大，提供给高性能电压比较器LM311进行整形。LM311选型说明LM311是一个高性能电压比较器芯片，工作温度范围大，能很好的工作在070度范围内。电源供应大，可从最14高的30V到最低的35V，可单电源供电也可双电源供电，可满足大部分的电源要求，正电源工作电流为51MA（典型值），负电源工作电流为41MA（典型值），电压增益典型值为200V/MV。它的响应时间快，在常温下，从高电平到低电平的响应时间为165NS，从低电平到高电平的响应时间为115NS，因此它对速率很高的信号能够很好的输出响应，完成电压比较功能。它的输出电平能够很好的与TTL和CMOS电路进行匹配。工作原理是给8脚和4脚分别置电源的两端，2脚和3脚分别输入采集的需要比较的两个模拟电压，当同向电压大于反向电压的话，则7脚输出逻辑1；反之，若反向大于正向，输也逻辑0。输出逻辑值的大小伏值由电源电压决定。若单电源供电，则比较后的输出逻辑电平伏值就是5V和0V，也可以双电源供电，其优点就是可以用于比较在0V上下的电压。LM311本身其电器特性是放大器类别，所以输入阻抗很高，在2、3脚的输入端都串接一个10K的电阻来提高输入信号的输入阻抗，以使电压信号能加到放大器里面。LM311要求电压供电稳定，这样才能得到稳定的高低电平，所以电源要加01UF的陶瓷电容去耦，以达到精确的目的。（2）、通道设计的电路原理图2）、分频电路的设计为了扩大测量信号的频率，在信号放大整形后，加上了多级分频器，这样可以降低信号的频率，以便于单片机的计数器能够正确。单片机的计数器是16位的，其工作的时钟频率为12MHZ，其一个15机器周器为1MHZ，指令周期可能需要几个机器周器，所以当信号过快时，单片机很难响应过来。但如果计数过多，也会造成测量频率的时间过长，使测量的响应时间增大，所以考虑以上几点，我们可以计数的最大值定在65535。为了满足频率精定的要求，就必须提高频率的分辨率，在本方案中可以通过信号的频率进行分频控制，提供各种满足需要的测量频率，并且满足各种不同信号频率的精度要求。可以通过单片机对测量信号的分频比进行进行配置，对频率提供多档测量。我们设置了三档，第一档测量频率范围050KHZ，门控时间为1S，则频率分辨率为1HZ，当高于这个测量频率范围时，单片机就通过软件控制，进入换档子控制程序；第二档对测量信号进行10分频，测量频率范围50KHZ500KHZ，门控时间为1S，当高于这个测量频率范围时，单片机就通过软件控制，进入换档子控制程序；第三档对测量信号进行100分频，测量频率范围500KHZ5MHZ，门控时间为1S，当高于这个测量频率范围时，测量结果不显示。（1）、芯片选型分频电路我们用TI公司的SN74LS90完成10分频的功能，该芯片是TTL系列的，可与电压比较器LM311整形后输出的电平直接相连，他们都是TTL电平标准。同时可以通过多个SN74LS90的级联可完成多级分频功能。工作原理如下输入逻辑电平连接到CKA，输出QA连接到输入端CKB，从D输出的就是我们想要的10分频。16多路选择器用的是TI公司的SN74LS153来实现多路分频信号的选择，通过单片机控制来选择分频信号。SN74LS153是一款高速双4选一多路复用器，芯片里面有肖特基二极管，可用来处理高速信号并且能很好的与TTL电路兼容。每个输入都有一个相应的使能输入端，并且都是独立的为每一个输入信号提供使能信号；输入钳位地极管很好的限制了高速端接的影响。同相输出，能很好的工作在475525V电压范围内，典型工作电压为5V，在0到70度温度范围内工作很稳定。/EA是A输入通道的使能信号，低电平有效，/EB是B输入通道的使能信号；S0S1是片选信号，当S0S100时，输入信号I0输出，当S0S110时，输入信号I1输出，当S0S101时，输入信号I2被选择输出，当S0S111时，输入信号I3被选择输出；ZA、ZB，是输出信号，当A通道被使能时，ZA输出，当了通道被使能时，ZB输出，当两都都被使能时，ZA、ZB同时输出，可实现双4选1复用功能。由于本设计需要完成3选1的功能，所以我们只需要使能/EA就行了，输入信号分别接A通道的输入接口，S0S1选通信号由单片机控制，通过单片机向SN74LS153写控制信号来控制哪路信号输出。（2）、分频电路原理图3）、时钟电路及闸门电路（1）、两种实现方案方案一时钟电路用有源晶振来提供，选择32768KHZ的17TTL型有源晶振，则输出波形为典型的方波信号。方案二用时钟芯片CD4060来实现，通过外接晶振，输出同有源晶振一样，直接可得到一个标准的方波信号。一路直接连到单片机的外部计数脉冲T1口，另一路直接通过多级分频得到预置闸门信号，然后通过同步电路得到门控信号，直接用来触发单片机的外部中断/INTO口，单片机进入中断程序，并控制单片机进行测量功能，当第二个闸门信号触发外部中断时，单片机停止测量功能，并显示数值。（2）芯片选择时钟电路，通过有有源晶振来实现，直接产生标准的方波信号送入门控电路。预置门电路，由CD4060进行14分频，然后在通过CD4013进行4分频来实现1S的预置闸门时间。CD4060是一个可输入时钟并进行分频的振荡/分频CMOS芯片，可与TTL电路兼容。CD4013是双触发D触发器，它有两个独立工作的D触发器，通过它可实现4分频功能。（3）、电路原理图设计4）、同步电路设计由主门、及同步控制电路组成。主门控制被测信号FX的通过，主门控制时钟信号F0的通过，两门的启闭都由同步控制电路控制。这样被测信号就可以与门控信号同步，与闸门开启时间同18步，这样可以避免1计量误差。（1）、芯片选择同步电路通过CD4013和SN74LS08来实现，74LS08是一款两输入4与门芯片，通过它可以使闸门信号与被测信号和参考信号相与来实现同步的功能。（2）、电路原理图设计5）、控制电路与计数电路计数电路是通过单片机的外部脉冲触发T0和T1来实现计数的，通过闸门信号的低电平向单片机产生中断，单片机通过中断进入中断程序，控制计数器的工作模式并接受外部脉冲触发。控制计数过程如下进入中断程序后，控制定时器的C/1,计T数器的计数脉冲分别来自于引脚T0和T1上的外部脉冲，并且是外部脉下降沿有效，当第二个闸门信号来时，向单片机产生中断，单片机通过中断程序控制其计数器停止工作，并把计数值进行运算后输出送给六段数码管显示（运算公式测频时FXF0，测周期BAN时TX）；当C/0时，通过单片机内部时钟进行计数。0FNABT单片机通过向多路选择器写控制信号，选择分频系数，通过单片机内部计数器完成计数功能，计数满时，溢出产生中断，进入中断程序，控制单片机对多路选择器进行写值，控制分频系数，使测19量值过大时进行自动换档。在本方案中我们预留了模拟开关，有单片机来控制其工作，对信号进行选择性接收。对于电子计数器的可预置加减计数和可逆计数，我们都可以通过单片机内部的时钟来完成计数和定时功能，这不需要外围电路来实现，直接用软件就可以实现该功能。（1）、芯片选择微处理器选用ATMEL公司的AT89C52，该芯片工作频12MHZ，可满足本设计的要求，并且其微处理能力较C5