计数器工作原理

1、1 电子计数法测量频率电子计数法测量频率 1.1 电子计数法测频原理电子计数法测频原理 1.基本原理基本原理 根据频率的定义，若某一信号在根据频率的定义，若某一信号在T秒时间内重复变化了秒时间内重复变化了N次，则次，则 该信号的频率为：该信号的频率为： T N f x 门电路复习：门电路复习： 与门与门 A A 1/01/0 B B 1 1/ /0 0 c c 1/01/0 同理同理“或或”门、与非、或非门等也有类似功能。门、与非、或非门等也有类似功能。 A A 0 0 0 0 1 1 1 1 B B 0 0 1 1 0 0 1 1 C C 0 0 0 0 0 0 1 1 由图可见：由图可见：

2、TNTx 因此因此 T N f x 实现了测频实现了测频原理原理：“定时计数定时计数” 实质实质：比较法比较法 测频的原理测频的原理 与与 门门 A A B B T T 1s1s T T N N T Tx x C C 1s1s 重点掌握 2组成框图组成框图 下图是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。下图是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。 t t 0 0 B B C C 0 0 0 0 t t t t T T T Tx x DD E E 0 0 t t T Tx x N N 0 0 A A t t T Tx x 时基电路时基电路 计数计数 一一 输入电路输入电路 分分

3、 频频 显示显示 晶晶 振振 门门 控控 主主 门门 控制电路控制电路 A A B B C C D DE E 1)时基（时基（T）电路）电路 两个两个特点特点： (1)标准性标准性 闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故 通常通常晶振晶振频率稳定度要求达频率稳定度要求达10-610-10。（。（恒温糟恒温糟） (2)多值性多值性 闸门时间闸门时间T不一定为不一定为1秒，应让用户根据测频精度和秒，应让用户根据测频精度和 速度的不同要求自由选择。例如：速度的不同要求自由选择。例如： 1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10

4、ms 0.1s、 1s、 10s 等。等。 门控（双稳）电路：门控（双稳）电路： T T 2)输入电路输入电路 由放大整形电路和主门电路组成。由放大整形电路和主门电路组成。 被测输入周期信号（频率为被测输入周期信号（频率为fx， 周期为周期为Tx）经放大、整形、微分）经放大、整形、微分 得周期得周期Tx的窄脉冲，送主门的一的窄脉冲，送主门的一 个输入端。个输入端。 输入电路工作波形图输入电路工作波形图 u us s t t t t t t t t 0 0 0 0 0 0 0 0 A A输入输入 ( (T T0 0或或F Fx x ) ) 放大放大 整形整形 微分微分 3)计数显示电路计数显示电

5、路 这部分电路的作用，简单地说，就是这部分电路的作用，简单地说，就是 计数被测周期信号重复的次数，显示计数被测周期信号重复的次数，显示 被测信号的频率。它一般由计数电路、被测信号的频率。它一般由计数电路、 逻辑控制电路、译码器和显示器组成。逻辑控制电路、译码器和显示器组成。 4)控制电路控制电路 控制电路的作用是产生各种控制信号，控制电路的作用是产生各种控制信号， 去控制各电路单元的工作，使整机按去控制各电路单元的工作，使整机按 一定的工作程序完成自动测量的任务。一定的工作程序完成自动测量的任务。 在控制电路的统一指挥下，电子计数在控制电路的统一指挥下，电子计数 器的工作按照器的工作按照“复零

6、一测量复零一测量显示显示”的的 程序自动地进行，其工作流程如右图程序自动地进行，其工作流程如右图 所示。所示。 准备准备期期 （复零，等待）（复零，等待） 显示显示期期 （关门，停止计数）（关门，停止计数） 测量测量期期 （开门，计数）（开门，计数） 电子计数器的工作流程图电子计数器的工作流程图 1.2 误差分析计算误差分析计算 误差传递公式误差传递公式 j m j j x x f y 1 可对式可对式 T N f x 求得求得 T T N N f f x x 计数误差时基误差 1.量化误差量化误差计数误差、计数误差、1误差误差 在测频时，在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相

7、主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相 关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，既这样，既 便在相同的主门开启时间便在相同的主门开启时间T，计数器所计得的数却不一定相同。，计数器所计得的数却不一定相同。 可能多可能多1个或少个或少1个的个的1误差，这是频率量化时带来的误差故误差，这是频率量化时带来的误差故 称量化误差，又称脉冲称量化误差，又称脉冲计数误差或计数误差或1误差误差。 TfNN N x 11 NN= =1 1 N=f N=fx xT T 量化误差量化误差 3 3 4 4 6 6 7 7 5 52 21 18 8 3 3

8、4 4 6 6 7 7 5 52 21 18 8 T T ( (a a) ) (1)(1) (2)(2) 黑门进 8个脉 冲 红门进 7个脉 冲 误差合成定理误差合成定理 2.闸门时间误差（时基误差、标准时间误差）闸门时间误差（时基误差、标准时间误差） T T N N f f x x c c f df T dT 闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测 频误差。闸门信号频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc （周期为（周期为Tc），则有），则有 c c fT Tf =110-71

9、10-10 石英晶体性能和切割方式石英晶体性能和切割方式-生产厂生产厂 石英振荡器的输出石英振荡器的输出 频率准确度决定频率准确度决定 温度的影响温度的影响-单、双层恒温糟单、双层恒温糟 振荡电路的质量振荡电路的质量-电路优化设计电路优化设计 1.3 结论结论 1.计数器直接测频的误差计数器直接测频的误差 主要有两项主要有两项 即即1误差和标准频率误误差和标准频率误 差一般总误差可采用分项差一般总误差可采用分项 误差绝对值合成，即误差绝对值合成，即 ) 1 ( c c xx x f f Tff f 2.测量低频时，由于测量低频时，由于1误误 差产生的测频误差大得惊人差产生的测频误差大得惊人 例

10、如，例如，fx= 10Hz，T=1s，则由，则由1误差引起的测频误差可达误差引起的测频误差可达10， 所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。 2 电子计数法测量时间电子计数法测量时间 本节介绍时间量的测量主要是指与频率对应的周期、相位及时本节介绍时间量的测量主要是指与频率对应的周期、相位及时 间间隔等时间参数，重点讨论周期的测量。间间隔等时间参数，重点讨论周期的测量。 2.1 电子计数法测量周期的原理电子计数法测量周期的原理 t t 0 0 B B C C 0 0 0 0 t t t t T Tx x T Tx x DD E E 0 0 t t T Tc

11、c T Tc c N N T Tx x T Tx x 由右图可得由右图可得 c cx f N NTT 输入电路输入电路A A 分分 频频 门门 控控 主主 门门 倍倍 频频 晶晶 振振 输入电路输入电路B B T Tx x u ux x B B C C DD E E 2.2 电子计数器测量周期的误差分析电子计数器测量周期的误差分析 1.量化误差和基准频率误差量化误差和基准频率误差 与分析电子计数器测频时的误差类似，这里与分析电子计数器测频时的误差类似，这里 cx NTT ，根据，根据 误差传递公式可得误差传递公式可得 c c x x T T N N T T 根据上图所示的测周原理，可得根据上图

12、所示的测周原理，可得 , cx c x fT T T N 而而N=1 c c cxc c cxx x f f fTT T fTT T 11 2.触发转换误差触发转换误差 测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。 3 3 中界频率中界频率 研究研究量化误差（量化误差（1误差）对测频和测周的影响误差）对测频和测周的影响。 测频、测周误差相等的频率称为中界频率。测频、测周误差相等的频率称为中界频率。 将两个将两个量化误差表达式联立可得量化误差表达式联立可得 式中，式中， M f为中界频率，为中界频率， c f为标准频率，为标准频率，T为闸门时间。为闸门时间。 M

13、x x f T f 1 T f f c M 令令 则则 x x x x T T f f cxx fTTf 11 因因 故故 图中给出了不同闸门时间：图中给出了不同闸门时间：0.1s、1s、10s和不同标准频和不同标准频 率：率：10MHz、100MHz、1000MHz三种情况的交叉曲线。现以三种情况的交叉曲线。现以 T=1s， c f =100MHz为例，可查知为例，可查知 M f =10kHz。 100MHz100MHz 测频量化误差与测周量化误差测频量化误差与测周量化误差 1Hz1Hz1KHz1KHz 1MHz1MHz 1010-8 -8 1010-7 -7 1010-6 -6 1010-5 -5 1010-4 -4 1010-3 -3 1010-2 -2 1010-1 -1 1 1 10S10S T=1ST=1S 0.1S0.1S f fc c=10MHz=10MHz f fc c=1GHz=1GHz f fc c=100MH=100MH z z 测频的量化误差测频的量化误差测周的量化误差测周的量化误差 M f f f 100MHz1