《智能型电子计数器》ppt课件

1、第6章 智能型电子计数器 第6章 智能型电子计数器 6.1 电子计数器的主要技术性能电子计数器的主要技术性能 6.2 通用电子计数器的根本组成通用电子计数器的根本组成 6.3 通用电子计数器的丈量原理通用电子计数器的丈量原理 6.4 电子计数器中的智能技术电子计数器中的智能技术 6.5 典型智能电子频率计实例典型智能电子频率计实例 思索题与习题思索题与习题 第6章 智能型电子计数器 6.1 电子计数器的主要技术性能电子计数器的主要技术性能6.1.1 6.1.1 电子计数器的分类电子计数器的分类根据仪器所具有的功能，电子计数器有通用计数器和公用根据仪器所具有的功能，电子计数器有通用计数器和公用计

2、数器之分。计数器之分。 通用计数器是一种具有多种丈量功能、多种用途的电子计通用计数器是一种具有多种丈量功能、多种用途的电子计数器。它可以丈量频率、周期、时间间隔、频率比、累加计数、数器。它可以丈量频率、周期、时间间隔、频率比、累加计数、 计时等；配上相应的插件，还可以丈量相位、电压等。普通我计时等；配上相应的插件，还可以丈量相位、电压等。普通我们把凡具有测频和测周两种以上功能的电子计数器都归类为通们把凡具有测频和测周两种以上功能的电子计数器都归类为通用计数器。用计数器。 第6章 智能型电子计数器 公用计数器是指专门用于丈量某种单一功能的电子计数器。 例如，专门用于丈量高频和微波频率的频率计数器

3、、用以丈量时间为根底的时间计数器和具有某种特殊功能的特种计数器。 时间计数器测时分辨率很高，可到达ns量级；特种计数器如可逆计数器、预置计数器、差值计数器等，主要用于工业自动化方面。 智能型电子计数器是指采用了计算机技术的电子计数器。 由于智能型电子计数器的一切“动作都是在微处置器的控制下进展的，因此可以很方便地采用许多新的丈量技术，并能对丈量结果进展数据处置、统计分析等，从而使电子计数器的容颜发生了艰苦的变化。 第6章 智能型电子计数器 6.1.26.1.2电子计数器的主要技术性能电子计数器的主要技术性能1) 1) 测试功能测试功能电子计数器所具备的测试功能普通包括丈量频率、周期、电子计数器

4、所具备的测试功能普通包括丈量频率、周期、 频率比、时间间隔、累加计数和自校等。频率比、时间间隔、累加计数和自校等。 2) 2) 丈量范围丈量范围电子计数器的有效丈量范围是相对于丈量功能而言的，电子计数器的有效丈量范围是相对于丈量功能而言的， 不同的丈量功能其丈量范围的含义也不同。如丈量频率时是指不同的丈量功能其丈量范围的含义也不同。如丈量频率时是指频率的上、下限；丈量周期时是指周期时间单位的最大、频率的上、下限；丈量周期时是指周期时间单位的最大、最小值。最小值。 第6章 智能型电子计数器 3) 输入特性普通情况下，当仪器有23个输入通道时，需分别给出各个通道的特性，主要有： 1 输入灵敏度：指

5、仪器正常任务所需输入的最小电压。 2 输入耦合方式：主要有AC交流耦合和DC直流耦合两种。AC耦合时，被测信号经隔直电容输入；DC耦合时， 被测信号直接输入，在低频及脉冲信号输入时宜采用这种耦合。 第6章 智能型电子计数器 3 输入阻抗：包括输入电阻和输入电容，并有高阻抗例如1 M/25 pF和低阻抗例如50 之分。前者多用于频率不太高的场所，以减小对信号源的负载影响； 后者多用于频率较高的场所，以满足匹配要求。4 最大输入电压：允许的最大输入电压。 超越最大输入电压后，仪器不能保证正常任务， 甚至会被损坏。 第6章 智能型电子计数器 4) 丈量准确度丈量准确度常用丈量误差来表示，主要由时基误

6、差和计数误差决议。时基误差由晶体振荡器的稳定度确定，电子计数器通常给出晶体振荡器的规范频率及其频率稳定度；计数误差主要指量化误差。关于计数器的丈量误差将在本章后面讨论。 5) 闸门时间和时标由仪器内部规范时间信号源提供的规范时间信号包括闸门时间信号和时标信号，可以有多种选择。 第6章 智能型电子计数器 6) 显示及任务方式1 显示位数：仪器可显示的数字位数。 2 显示时间：仪器一次丈量终了后显示丈量结果的继续时间。普通可以调理。 3 显示方式：通常有记忆和不记忆两种方式。前者只显示最终计数的结果，后者那么显示正在计数的过程。有的计数器只需记忆显示方式。 4 显示器件： 仪器所采用的显示仪器类型

7、。 第6章 智能型电子计数器 7) 输出这里指的是仪器可输出的规范时间频率信号的种类、 输出数据的编码方式及输出电平的高低等。 第6章 智能型电子计数器 数字显示器数码寄存器十进制计数器闭锁单稳显示单稳复零单稳RM寄存单稳SCPK2J2Q21闭锁双稳CPK1J1Q11门控双稳闸门主门计数显示单元控制单元B通道放大整形(A通道放大整形(输入通道部分B输入A输入1010 ns100.1 s晶振1 s1010 s3100.1 ms101 ms101010 s1 s1010345211245时标选择10 ms100 ms闸门时间选择(周期倍乘)125431自校；2频率测量；3周期测量；4 fA / f

8、B测量；5累计计数1 ms、时基单元&图 6-1 通用计数器根本组成方框图第6章 智能型电子计数器 6.2 通用电子计数器的根本组成通用电子计数器的根本组成 6.2.16.2.1根本组成根本组成1. A1. A、 B B输入通道输入通道输入通道的作用是将被测信号进展放大、整形，使其变换输入通道的作用是将被测信号进展放大、整形，使其变换为规范脉冲。输入通道部分包括为规范脉冲。输入通道部分包括A A、B B两个通道，它们均由衰减两个通道，它们均由衰减器、器、 放大器和整形电路等组成。凡是需求计数的外加信号放大器和整形电路等组成。凡是需求计数的外加信号例如测频信号，均由例如测频信号，均由A

9、A输入通道输入，经过输入通道输入，经过A A通道适当的衰通道适当的衰减、放大整形之后，变成符合主门要求的脉冲信号。而减、放大整形之后，变成符合主门要求的脉冲信号。而B B输入输入通道的输出与一个门控双稳相连，假设需求丈量周期，那么被通道的输出与一个门控双稳相连，假设需求丈量周期，那么被测信号就要经过测信号就要经过B B输入通道输入，作为门控双稳的触发信号。输入通道输入，作为门控双稳的触发信号。 第6章 智能型电子计数器 2. 主门主门又称闸门，它是用于实现量化的比较电路，它可以控制计数脉冲信号能否进入计数器。 主门电路是一个双输入端逻辑与门，如图6-2所示。它的一个输入端接受来自控制单元中门控

10、双稳态触发器的门控信号， 另一个输入端那么接受计数(脉冲)信号。在门控信号作用有效期间，允许计数(脉冲)经过主门进入计数器计数。 第6章 智能型电子计数器 图 6-2 主门电路 &T至计数器T计数(脉冲)信号门控信号第6章 智能型电子计数器 3. 计数、 显示单元计数与显示电路是用于对来自主门的脉冲信号进展计数， 并将计数的结果以数字的方式显示出来。为了便于读数，计数器通常采用十进制计数电路。 带有微处置器的仪器也可用二进制计数器计数，然后转换成十进制并译码后再进入显示器。 第6章 智能型电子计数器 4. 时基单元时基电路主要由晶体振荡器、分频及倍频器组成。 时基电路主要用于产生各种规

11、范时间信号。规范时间信号有两类，一类时间较长的称为闸门时间信号，通常根据分频级数的不同有多种选择； 另一类时间较短的称为时标信号。时标信号可以是单一的， 也可以有多种选择。 第6章 智能型电子计数器 由于电子计数器类仪器是基于被测信号的时间与规范时间进展比较而进展丈量的，其丈量精度与规范时间有直接关系， 因此要求时基电路具有高稳定性和多值性。为了使时基电路具有足够高的稳定性，时基信号源采用了晶体振荡器。在一些精度要求更高的通用计数器中，为使精度不受环境温度的影响， 还对晶体振荡器采取了恒温措施。为了实现多值性，在高稳定晶体振荡器的根底上，又采用了多级倍频和多级分频器。 电子计数器共需时标和闸门

12、时间两套时间规范，它们由同一晶体振荡器和一系列十进制倍频和分频来产生。例如图6-1中，1 MHz晶体振荡器经各级倍频及前几级分频器得到10 ns、0.1 s、1 s、10 s、0.1 ms和1 ms六种时标信号；假设再经后几级分频器可进一步得到1 ms、10 ms、100 ms、1 s和10 s五种闸门时间信号。 第6章 智能型电子计数器 5. 控制单元控制电路的作用是产生门控信号Q、存放信号M和复零信号R三种控制信号，使仪器的各部分电路按照预备丈量显示的流程有条不紊地自动进展丈量任务。 控制单元中包括前述的门控双稳态电路，它输出的门控信号用于控制主门的开闭，在触发脉冲作用下双稳态电路发生翻转

13、。通常以一个输入脉冲开启主门，另一路输入脉冲信号使门控双稳复原，封锁主门。 第6章 智能型电子计数器 6.2.26.2.2控制电路的任务过程控制电路的任务过程在测频功能下控制电路的任务过程为：在预备期，计数器在测频功能下控制电路的任务过程为：在预备期，计数器复零，门控双稳复零，闭锁双稳置复零，门控双稳复零，闭锁双稳置“1 1，门控双稳解锁即，门控双稳解锁即J1J1为为1 1，处于等待一个时标信号触发的形状。在第一个时标信，处于等待一个时标信号触发的形状。在第一个时标信号的作用下，门控双稳翻转号的作用下，门控双稳翻转Q1Q1为为1 1，使主门闸门翻开，使主门闸门翻开， 被测信号经过主门进入计数器

14、计数，仪器进入丈量形状；被测信号经过主门进入计数器计数，仪器进入丈量形状； 当当第二个时标信号到来时，门控双稳再次翻转使主门封锁，第二个时标信号到来时，门控双稳再次翻转使主门封锁， 于于是丈量期终了而进入显示期；在显示期，门控双稳在翻转的同是丈量期终了而进入显示期；在显示期，门控双稳在翻转的同时也使闭锁双稳翻转时也使闭锁双稳翻转Q2Q2为为0 0。闭锁双稳的翻转一方面使门。闭锁双稳的翻转一方面使门控双稳闭锁控双稳闭锁J1J1为为0 0，防止了在显示期门控双稳被下一个时，防止了在显示期门控双稳被下一个时标信号触发翻转；标信号触发翻转； 第6章 智能型电子计数器 另一方面也经过存放单稳产生存放信号

15、M，将计数结果送入存放器存放并译码驱动显示器显示。为了使显示的读数坚持一定的时间，显示单稳产生了用于显示时间的延时信号。 显示延时终了时，又驱动复零单稳电路产生计数器复零信号R和解锁信号，使仪器又恢复到预备期的形状，于是上述过程又将自动反复。通用计数器控制部分电路控制信号的时间波形图如图6-3所示。从以上过程可以看出，控制电路是整个仪器的指挥中心。 第6章 智能型电子计数器 图 6-3 控制信号的时间波形图 1 s时标信号门控双稳闭锁双稳寄存单稳显示单稳复零单稳闭锁单稳LRMQ2Q1第6章 智能型电子计数器 6.2.3 6.2.3 通用电子计数器的根本功能通用电子计数器的根本功能图图6-16-

16、1所示的通用电子计数器共含有五个根本功能，所示的通用电子计数器共含有五个根本功能， 它它是经过功能开关进展选择的。是经过功能开关进展选择的。当功能开关置于位置当功能开关置于位置“2 2时，仪器处于频率丈量功能，时，仪器处于频率丈量功能， 此时被测信号从此时被测信号从A A端输入。端输入。当功能开关置于位置当功能开关置于位置“3 3时，仪器处于周期丈量功能，时，仪器处于周期丈量功能， 此时被测信号从此时被测信号从B B端输入。端输入。 当功能开关置于位置当功能开关置于位置“4 4时，仪器处于时，仪器处于A A信号与信号与B B信号的信号的频率比频率比(fA/fB)(fA/fB)丈量功能。丈量功能

17、。 第6章 智能型电子计数器 当功能开关置于位置“5时，仪器处于累加计数功能。 累加计数是在一定的人工控制的时间内记录A信号的脉冲个数， 其人工控制的时间经过操作开关S来实现图中未画出。 当功能开关置于位置“1时，仪器处于自校功能。从电路的衔接可以看出其电路衔接好像频率丈量电路，所不同的是在自校功能下被测信号是机内时标信号，因此其计数与显示的结果应是知的。假设显示的结果与应显示的结果不一致，那么阐明仪器任务不正常。 第6章 智能型电子计数器 6.3 通用电子计数器的丈量原理通用电子计数器的丈量原理 6.3.1 6.3.1 丈量频率丈量频率频率定义为一个周期性过程在单位时间内反复的次数。频率定义

18、为一个周期性过程在单位时间内反复的次数。 只需在一定的时间间隔只需在一定的时间间隔T T内测出这个过程的周期数内测出这个过程的周期数N N，即可按下，即可按下式求出频率式求出频率: : TNf x (6-1) 第6章 智能型电子计数器 图6-4为传统的频率丈量原理框图。频率为fx的被测信号，由A端输入，经A通道放大整形后输往主门闸门。晶体振荡器简称晶振产生频率准确度和稳定度都非常高的振荡信号， 经一系列分频器逐级分频之后，可获得各种规范时间脉冲信号简称时标。经过闸门时间选择开关将所选时标信号加到门控双稳， 再经门控双稳构成控制主门启、闭作用的时间T称闸门时间，那么在所选闸门时间T内主门开启，被

19、测信号经过主门进入计数器计数。假设计数器计数值为N，那么被测信号的频率fx=N/T。 第6章 智能型电子计数器 图 6-4 频率丈量原理框图放 大 整 形闸门计 数 、 显 示晶 振倍 频 、 分 频十 进 分 频100 ms10 ms1 ms1 s10 sT闸 门 时 间选 择 开 关A 通 道A 输 入 端fx第6章 智能型电子计数器 仪器闸门时间T的选择普通都设计为10n sn为整数， 并且闸门时间的改动与显示屏上小数点位置的挪动同步进展， 故运用者无须对计数结果进展换算，即可直接读出丈量结果。 例如, 被测信号频率为100 kHz，闸门时间选1 s时，N=100 000，显示为100.

20、00 kHz；假设闸门时间选100 ms，那么N=10 000，显示为100.00 kHz。丈量同一个信号频率时，闸门时间添加，丈量结果不变，但有效数字位数添加，提高了丈量准确度。 第6章 智能型电子计数器 6.3.2 6.3.2 丈量周期丈量周期周期是频率的倒数，因此，丈量周期时可以把丈量频率周期是频率的倒数，因此，丈量周期时可以把丈量频率时的计数信号和门控信号的来源相对换来实现。图时的计数信号和门控信号的来源相对换来实现。图6-56-5为传统为传统的周期丈量原理图。周期为的周期丈量原理图。周期为TxTx的被测信号由的被测信号由B B通道进入，经通道进入，经B B通道处置后，再经门控双稳输出

21、作为主门启闭的控制信号，通道处置后，再经门控双稳输出作为主门启闭的控制信号， 使主门仅在被测周期使主门仅在被测周期TxTx时间内开启。晶体振荡器输出的信号时间内开启。晶体振荡器输出的信号经倍频和分频得到了一系列的时标信号，经过时标选择开关，经倍频和分频得到了一系列的时标信号，经过时标选择开关，所选时标经所选时标经A A通道送往主门。在主门的开启时间内，时标进入通道送往主门。在主门的开启时间内，时标进入计数器计数。计数器计数。 假设所选时标为假设所选时标为T0T0，计数器计数值为，计数器计数值为N N，那么，那么被测信号的周期为被测信号的周期为 Tx=NT0 6-2 第6章 智能型电子计数器 图

22、 6-5 周期丈量原理图 闸门计数、显示门控放大整形十进分频晶振倍频、分频Tx110102103104B输入放大整形10 ns1 msA通道TxT0B通道第6章 智能型电子计数器 由于T0f0为常数，因此Tx正比于N。T0通常设计为10ns(n为整数)，配合显示屏上小数点的自动定位，可直接读出丈量结果。 例如, 某通用计数器时标信号T00.1 s(f0=10 MHz),丈量周期Tx为1 ms的信号，得到N=Tx/T0=10 000，那么显示结果为1000.0 s。 假设被测周期较短，为了提高丈量准确度，还可采用多周期法又称周期倍乘，即在B通道和门控双稳之间加设几级十进分频器设分频系数为Kf，这

23、样使被测周期得到倍乘即主门的开启时间扩展Kf倍。假设周期倍乘开关Kf选为10n，那么计数器所计脉冲个数将扩展10n倍，所以被测信号的周期应为 nNTT100 x6-3 第6章 智能型电子计数器 周期倍乘率Kf的改动与显示屏上小数点位置的挪动同步进展，故运用者无须对计数结果进展换算， 即可直接读出丈量结果。例如,前例中假设采用多周期法，设周期倍乘率选102， 那么计数结果N为1 000 000，显示结果为1000.000 s。 丈量结果不变，但有效数字位数添加了， 丈量准确度提高了。 第6章 智能型电子计数器 6.3.3 丈量频率比丈量频率比 图 6-6 丈量频率比的原理框图 放大整形电路主门计

24、数显示放大整形电路门控电路输入AfA(A通道)fB输入B(B通道)TATATBTB第6章 智能型电子计数器 当fAfB时,被测信号fB由B通道输入，经放大整形后控制主门的启闭，门控信号的脉宽等于B通道输入信号的周期； 而被测信号fA由A通道输入，经放大整形后作为计数脉冲， 在主门开启时送至计数器计数。 计数结果为 BAABffTTN6-4 为了提高丈量准确度，也可采用类似多周期的丈量方法，即在B通道后加设分频器，对fB进展Kf次分频，使主门开启的时间扩展Kf倍， 于是 BAfABfffKTTKN(6-5) 第6章 智能型电子计数器 6.3.4 6.3.4 丈量时间间隔丈量时间间隔丈量时间间隔的

25、原理框图如图丈量时间间隔的原理框图如图6-76-7所示。所示。 图 6-7 丈量时间间隔的原理框图 晶振分频或倍频器D主门计数显示门控电路放大整形电路(A通道)Au1放大整形电路(B通道)Bu2合分S第6章 智能型电子计数器 丈量时间间隔时，利用A、B输入通道分别控制门控电路的启动和复原。在丈量两个输入脉冲信号u1和u2之间的时间间隔双线输入时，将任务开关S置“分位置，把时间超前的信号加至A通道，用于启动门控电路; 另一个信号加至B 通道， 用于使门控电路复原。丈量时，A通道的输出脉冲较早出现，触发门控双稳开启主门，开场对时标信号T0D处信号计数; 较迟出现的B通道的输出脉冲使门控电路复原，

26、封锁主门，停顿对T0计数，有关波形如图6-8所示。主门开启期间计数器的计数结果N与两脉冲信号间的时间间隔td的关系为 td =NT0 6-6 第6章 智能型电子计数器 图 6-8 丈量时间间隔的波形图 NT0时标门控信号td输入B终止输入A起始被计时标数第6章 智能型电子计数器 为了顺应丈量的需求，在A、 B通道内分别设置有斜率极性选择和触发电平调理功能。根据所要丈量的时间间隔所在点的信号极性和电平的特征来选择触发极性和触发电平， 就可以在被测时间间隔的起点和终点所对应的时辰决议主门的启闭。 当需求丈量一个脉冲信号内的时间间隔时，将任务开关S置“合的位置，两通道输入并联，被测信号由此公共输入端

27、输入。调理两个通道的触发极性和触发电平，可丈量脉冲信号的脉冲宽度、 前沿、 休止期等参数。 第6章 智能型电子计数器 如要丈量某正脉冲的脉宽，将A通道触发极性选择为“， B通道触发极性选择为“-，调理两通道触发电平均为脉冲幅度的50，那么计数结果即为脉宽值。假设A、B通道的触发极性分别改选为“-和“，那么可测得脉冲休止期时间。 假设要丈量正脉冲的前沿，那么将两通道的极性均选择为“，调理A通道的触发电平到脉冲幅度的10处，调理B通道的触发电平到脉冲幅度的90处， 那么计数结果即为该脉冲的前沿值。 上述控制门控电路启动和复原的两个输入通道可以是围绕图6-7所述的丈量过程中的两个输入通道，有的计数器

28、也另外增设辅助输入通道。 第6章 智能型电子计数器 6.3.56.3.5累加计数累加计数 累加计数是指在给定的时间内，对输入的脉冲个数进展累加计数是指在给定的时间内，对输入的脉冲个数进展累计。累加计数的原理框图如图累计。累加计数的原理框图如图6-96-9所示。所示。 图 6-9 累加计数的原理框图 放大整形电路输入(A通道)主门计数显示门控电路启动停止(人工触发)第6章 智能型电子计数器 6.3.6 6.3.6 自校自校 在正式丈量前，为了检验仪器任务能否正常，普通智能型在正式丈量前，为了检验仪器任务能否正常，普通智能型电子计数器都设有自校功能。电子计数器都设有自校功能。 自校的原理框图如图自

29、校的原理框图如图6-106-10所示。所示。 图 6-10 自校的原理框图 倍 频 器m闸 门计 数 显 示分 频 器门 控 电 路晶 振T0KfTKfT00TmT0第6章 智能型电子计数器 自校时，晶体振荡器经过倍频器倍频系数m输出的规范时间信号，即时标信号T0，被用作经过主门到达计数器的计数信号；晶体振荡器经过分频电路分频系数Kf输出的规范时间信号，即闸门时间信号T，被用作门控电路的触发信号。 此时, 计数器的计数结果取决于所选的时标信号和闸门时间信号，即倍频系数m和分频系数Kf，那么有如下公式： mKmTTKTTNff000/6-7 操作人员可根据上式对仪器实现自校。 第6章 智能型电子

30、计数器 6.3.7 6.3.7 通用计数器丈量误差的类型通用计数器丈量误差的类型1. 1. 最大计数误差最大计数误差1 1误差误差通用计数器各丈量功能在计数时，假设主门的开启时辰与通用计数器各丈量功能在计数时，假设主门的开启时辰与计数脉冲的时间关系是不相关的，那么，同一信号在一样的主计数脉冲的时间关系是不相关的，那么，同一信号在一样的主门开启时间内两次丈量所记录的脉冲数门开启时间内两次丈量所记录的脉冲数N N能够是不一样的参能够是不一样的参见图见图6-116-11。其结果能够为。其结果能够为N N，也能够为，也能够为N+1N+1或者是或者是N-1N-1。由此。由此可见，可见， 最大计数误差为最

31、大计数误差为N=N=1 1，该项误差将使仪器最后的显，该项误差将使仪器最后的显示结果会有一个字的闪烁。示结果会有一个字的闪烁。 NNN16-8 第6章 智能型电子计数器 图 6-11 1误差表示图 计 数 8个计 数 7个闸 门 信 号第6章 智能型电子计数器 很显然，在测频、测周、测fA/fB等功能中，主门开启信号与经过主门被计数信号的时间关系不相关，都存在该项误差。 但在自校功能中，时标信号和闸门时间信号来自同一信号源， 应不存在1误差。 最大计数误差的特点是：不论计数N是多大，N的最大值都为1。因此，为了减少最大计数误差对丈量精度的影响， 在仪器运用中所采取的技术措施是：尽量使计数值N大

32、，使N/N误差相应减少。例如在测频时，应尽量选用大的闸门时间; 在测周时，应尽量选用小的时标信号，必要时运用周期倍乘率开关， 进展多周期平均丈量。 第6章 智能型电子计数器 2. 规范频率误差规范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，因此，通用计数器有关功能的规范频率误差就是指通用计数器内或外部接入的晶体振荡器的准确度f0/f0。 凡是运用时标和闸门时间规范信号的功能都存在此项误差， 例如测频、测周、测时间间隔等。而测fA/fB、累加计数等功能中不存在该项误差。 第6章 智能型电子计数器 为了使规范频率误差对丈量

33、结果产生的影响足够小，应仔细选择晶振的准确度。普通说来，通用计数器显示器的位数愈多，所选择的内部晶振准确度就应愈高。例如，7位数字的通用计数器普通采用准确度优于10-7数量级的晶体振荡器。 这样， 在任何丈量条件下，由规范频率误差引起的丈量误差， 都不大于1误差所引起的丈量误差。 第6章 智能型电子计数器 3. 3. 触发误差触发误差当进展周期等功能的丈量时，门控双稳的门控信号由经过当进展周期等功能的丈量时，门控双稳的门控信号由经过B B通道的被测信号所控制。当无噪声干扰时，主门开启时间刚通道的被测信号所控制。当无噪声干扰时，主门开启时间刚好等于一个被测信号的周期好等于一个被测信号的周期TxT

34、x。假设被测信号遭到干扰，当信。假设被测信号遭到干扰，当信号经过号经过B B通道时，将会使整形电路施密特触发器出现超前通道时，将会使整形电路施密特触发器出现超前或滞后触发，致使整形后波形的周期与实践被测信号的周期发或滞后触发，致使整形后波形的周期与实践被测信号的周期发生偏离生偏离TxTx，引起所谓的触发误差或转换误差。，引起所谓的触发误差或转换误差。 经推导，经推导， 触发误差触发误差Tx/TxTx/Tx的大小为的大小为 mnxx21UUTT6-9 第6章 智能型电子计数器 式中：Um信号的振幅； Un干扰或噪声的振幅。 可见，信噪比Um/Un愈大，触发误差就愈小，假设无噪声干扰，便不会产生该

35、项误差。因此，在频率等丈量功能中， 由于控制门控双稳的门控信号是由仪器内部产生的，因此不会存在触发误差。在周期、fA/fB等丈量功能中，假设进入B通道的信号含有干扰， 便会存在触发误差。 第6章 智能型电子计数器 采用周期倍乘率开关进展多周期丈量，可减弱此项误差。 例如，假设周期倍乘率取10，那么只在第1个周期开场与第10个周期终了时会产生触发误差，使触发误差相对减弱了10倍。 经过上述分析，可得频率丈量误差表达式如下： 00001fffTffNNffxgxx6-10 式中, Tg为闸门时间。 第6章 智能型电子计数器 另外，可得周期丈量误差表达式如下： 00mnns00n210110ffUU

36、TTffTTNNffnnxx6-11 式中,10n为周期倍乘率值(n取0，1，2，3，4)，Tn为选用的时标信号。 其他功能的丈量误差表达式可根据仪器的详细电路构造并参照上述分析作出。 第6章 智能型电子计数器 6.4 电子计数器中的智能技术电子计数器中的智能技术 6.4.1 6.4.1 多周期同步丈量技术多周期同步丈量技术1. 1. 等精度丈量等精度丈量在按图在按图6-46-4所示的原理丈量频率时，当被测频率很低时，所示的原理丈量频率时，当被测频率很低时， 由由1 1误差而引起的丈量误差将大到不能允许的程度。例如，误差而引起的丈量误差将大到不能允许的程度。例如，fx=1 Hzfx=1 Hz，

37、闸门时间为，闸门时间为1 s1 s时，丈量误差高达时，丈量误差高达100100。因此，为提。因此，为提高低频丈量精度，通常将电子计数器的功能转为测周期，然后高低频丈量精度，通常将电子计数器的功能转为测周期，然后再利用频率与周期互为倒数的关系来换算其频率值，这样便可再利用频率与周期互为倒数的关系来换算其频率值，这样便可得到较高的准确度。在丈量周期时，当被测周期很小时也会产得到较高的准确度。在丈量周期时，当被测周期很小时也会产生同样的问题，并且也可以采取同样的处理方法，先测频率，生同样的问题，并且也可以采取同样的处理方法，先测频率， 再换算出周期。再换算出周期。 第6章 智能型电子计数器 测频量化

38、误差及测周量化误差与被测信号频率的关系见图6-12所示，图中测频和测周量化误差曲线交点所对应的被测信号频率称为中界频率fxm。在中界频率下，由测频和测周所引起的量化误差相等。很显然，当fxfxm时宜采用测频的方法， 当fxfxm时宜采用测周的方法。中界频率fxm与测频时所取的闸门时间以及测周时所取的时标有关。例如，测频时取闸门时间为1 s，测周时取时标为10 ns的中界频率fxm10 kHz，由图可知，此时两种方法所引起的量化误差均为10-4。 第6章 智能型电子计数器 图 6-12 测频量化误差及测周量化误差与被测信号频率的关系图 1011021031041051061071081 Hz1

39、kHz1 MHz100 MHz被测频率 fx测频量化误差测周量化误差闸门 T0.1 s1 s10 s10 ns0.1 s时标1 nsNN第6章 智能型电子计数器 上述丈量方法是减少由1误差引起的丈量误差的一种有效方法，但还存在两个问题：一是该方法不能直接读出其频率值或周期值； 二是在中界频率附近，仍不能到达较高的丈量精度。假设采用多周期同步丈量方法，便可处理上述问题。该方法不仅可以直接读取频率值或周期值，而且还可以使其丈量精度在全频段上一致， 即实现了等精度丈量。 第6章 智能型电子计数器 2. 多周期同步丈量原理多周期同步丈量原理与传统的频率和周期的丈量原理不同， 其丈量原理可用图6-13所

40、示的框图来分析。 预置闸门时间产生电路用于产生预置的闸门时间Tp， Tp经同步电路便可产生与被测信号fx同步的实践的闸门时间Tg。主门与主门在时间Tg内被同时翻开，于是计数器和计数器便分别对被测信号fx和时钟信号f0的周期数进展累计。在时间Tg内，计数器的累计数NA=fxTg，计数器的累计数NB=f0Tg, 再由运算部件计算得出fx=(NA/NB)f0, 即为被测频率。 第6章 智能型电子计数器 计数器记录了被测信号的周期数，所以通常称为事件计数器。由于闸门的开和关与被测信号同步， 因此实践的闸门时间Tg已不等于预置的闸门时间Tp,且大小也不是固定的。为此设置了计数器，用以在Tg内对规范时钟信

41、号进展计数，以确定实践开门的闸门时间Tg的大小，所以计数器通常称为时间计数器。 第6章 智能型电子计数器 图 6-13 多周期同步丈量原理框图 预 置 闸 门时 间 产 生DQ同 步 电 路主门主门放 大整 形通 道时 钟 f0计 数 器 NA fxTg计 数 器 NB f0Tg 计 算 ：显 示fxTpTgBANNfxf0第6章 智能型电子计数器 由图6-14所示的任务波形图中可以看出，由于D触发器的同步作用，计数器所记录的NA值已不存在1误差的影响了。但由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，因此计数器所记录的NB的值仍存在1误差的影响，只是由于时钟频率很高，1误差的影响很小。所以丈量

42、精度与被测信号的频率无关， 且在全频段的丈量精度是平衡的。 第6章 智能型电子计数器 图 6-14 多周期同步丈量任务波形图 fxTpTgNAf0NB第6章 智能型电子计数器 设闸门时间为1s，取时钟频率f0=10 MHz，那么由1误差而引起的相对误差为10-7。假设要进一步减少这项误差的影响， 须再增大时钟频率f0。由图6-14还可以看出，NB实践是NA个被测信号周期的时钟脉冲的个数，由运算部件计算fx的值为多周期丈量的平均值，所以把这种丈量方法称为多周期同步丈量。 多周期同步丈量电路需求计算电路且要有两个计数器，因此电路的实现比传统的丈量电路要复杂，但假设运用微处置器可使电路大大简化，所以

43、在智能型电子计数器中完全可采用此方法。 第6章 智能型电子计数器 6.4.2内插模拟扩展技术内插模拟扩展技术在传统的电子计数器中，丈量时间间隔的分辨才干取决于在传统的电子计数器中，丈量时间间隔的分辨才干取决于所用的时钟频率所用的时钟频率f0。单纯地经过提高时钟频率。单纯地经过提高时钟频率f0来提高测时分来提高测时分辨率是有限的，例如即使辨率是有限的，例如即使f0高达高达100 MHz的时钟，其测时分辨的时钟，其测时分辨率也只能到达率也只能到达10 ns。采用内插模拟扩展技术可在时钟频率不变。采用内插模拟扩展技术可在时钟频率不变的情况下使测时分辨率大大提高，普通而言，可提高的情况下使测时分辨率大

44、大提高，普通而言，可提高23个数个数量级或更高。量级或更高。 第6章 智能型电子计数器 6-15示出了内插法丈量波形图。由波形图可以看出，采用内插法测时间间隔，不仅要累计T内的时钟脉冲数，而且还把产生1误差的那两部分时间T1和T2拉宽N倍。然后累计其中的时钟脉冲数N1和N2，这样就把分辨率提高了N倍。假设时钟频率为10 MHzT0=100 ns，内插模拟扩展倍数N=1000，那么被测时间间隔可以表示为 10010001000210210NNNTTTT将T1和T2展宽的方法是：首先在T1和T2内对一个电容以恒定电流充电；然后以慢N倍例如N1000的速度放电，那么电容放电到起始形状下的时间是T1和

45、T2的N倍；最后再用原来的时钟对其进展丈量计数得到N1和N2。 第6章 智能型电子计数器 图 6-15 内插法丈量波形图 123TNT2T112N11000T112N21000T2第6章 智能型电子计数器 一个实践的模拟扩展器的电路原理图如图6-16所示，它主要由一对高速电流开关V1、V2，恒流源I1(I1=10 mA)、I2(I2=10 A)即I1=I2，阈值检测管V3等部分组成。任务原理为：初始形状V1导通、V2截止， 10 A恒流源I2对电容C充电，使A点电位上升到约5.7 V，V3导通。在T1或T2时间内，电流开关V1截止,V2导通，电容C经过V2放电，使A点电位下降，V3截止，那么在

46、T1或T2时间内放走的电荷Q1=(I1-I2)T1。T1终了后，电流开关又转换为使V1导通、 V2截止的初始形状，10 A恒流源I2对电容C充电，使A点电位逐渐上升。假设在T1时间内，A点电位上升到约5.7 V，使V3重新导通而使充电终了，那么在T1内充到的电荷Q2=I2T1。 显然Q1=Q2，于是可得： 第6章 智能型电子计数器 122111999)(TIIITT6-12 即 1111000TTT6-13 在T1+T1这段时间内,V3处于截止形状，B点的电压为 0 V； V3导通时， B点电压为1 V(10 A100 k)，那么B点出现了一个宽度为1000T1的脉冲，再经运算放大器放大即可触

47、发扩展触发器。 第6章 智能型电子计数器 图 6-16 模拟扩展器电路原理图 5 V15 VCAI210 AV3B100 kV1V2QQ15 VI110 mA扩展输出T1 1000T11T0 V0.1 VT1UBUA5.7 V999 T11T第6章 智能型电子计数器 6.5 典型智能电子频率计实例典型智能电子频率计实例 6.5.16.5.1频率计的系统构造频率计的系统构造智能型频率计以单片机智能型频率计以单片机AT89C2051AT89C2051为控制芯片。为控制芯片。 AT89C2051AT89C2051是是MCS-51MCS-51系列单片机中的一种，由其完成电路中待系列单片机中的一种，由其

48、完成电路中待测信号的计数、译码和显示，以及对分频比的控制。智能型频测信号的计数、译码和显示，以及对分频比的控制。智能型频率计的电路构造框图如图率计的电路构造框图如图6-176-17所示。待测信号经放大整形后，所示。待测信号经放大整形后， 由分频器进展分频，分频后的信号再经由分频器进展分频，分频后的信号再经CD4051CD4051选择后送入单片选择后送入单片机的机的T0T0端进展计数，分频比受单片机控制。时基信号发生器主端进展计数，分频比受单片机控制。时基信号发生器主要产生脉宽为要产生脉宽为1s1s的闸门信号，并输入单片机的的闸门信号，并输入单片机的INT0INT0端，用以启端，用以启停停T0T

49、0的计数。计数的结果经软件译码后送入数码显示器显示。的计数。计数的结果经软件译码后送入数码显示器显示。 第6章 智能型电子计数器 图 6-17 智能型频率计的电路构造框图 显示器AT89C2051RxDTxD键盘P2口INT068T0P1.0P1.1CD4013 1/2DCLKQRSQCD4013 1/2DCLKQRSQGNDCD4060RESTCinQ14outCR1101132768 HzC1100 PC2100 PGNDOUTA0A13111013121110CD405112151413141312111111011001100074HC90CP11CP014R02 , 3R96 , 7

50、121114GNDQAQD74HC90CP11CP014R0R9121113QAQDGND74HC90CP11CP014R0R9121112QAQD11整形放大INPUT3122 , 36 , 72 , 36 , 7第6章 智能型电子计数器 6.5.2 主要电路任务原理主要电路任务原理1. 分频器分频器由于由于AT89C2051单片机内部的单片机内部的2个计数器均是个计数器均是16位的，因位的，因此最大计数范围为此最大计数范围为216。假设闸门时间为。假设闸门时间为1 s， 那么所测信号最那么所测信号最高频率为高频率为65.535 Hz。为实现频率较高信号的丈量，采用。为实现频率较高信号的丈量

51、，采用3片片74HC90构成构成1/10、1/100和和1/1000分频器，这样，实际上可测分频器，这样，实际上可测信号的最高频率为信号的最高频率为65.535 MHz。分频后的信号经过数据选择。分频后的信号经过数据选择器送入器送入CPU的的T0端，数据选择器受端，数据选择器受CPU的的P1.0和和P1.1控制。控制。 第6章 智能型电子计数器 2. 2. 时基电路时基电路闸门信号的产生由闸门信号的产生由CD4060CD4060和和CD4013CD4013完成。完成。CD4060CD4060构成石英构成石英晶体振荡器和分频器，将晶体振荡器和分频器，将32 768 Hz32 768 Hz晶体振荡

52、信号分频为晶体振荡信号分频为2 Hz2 Hz信号，再经过信号，再经过CD4013CD4013双双D D触发器触发器4 4分频获得继续时间为分频获得继续时间为1 s1 s，频，频率为率为0.5 Hz0.5 Hz的时基闸门信号。闸门信号送入单片机的的时基闸门信号。闸门信号送入单片机的INT0INT0端，用来控制端，用来控制T0T0计数器的启停。计数器的启停。 第6章 智能型电子计数器 3. 系统频率丈量原理根据单片机AT89C2051中计数器T0的方式1构造图如图6-18所示可知，T0计数脉冲控制电路中，有一个方式电子开关， 当C/T为“0时，方式电子开关打在上面，以振荡器的12分频信号作为T0的

53、计数信号，此时作为定时器运用； C/T为“1时， 方式电子开关打在下面，此时以T0P3.5引脚上的输入脉冲作为T0的计数脉冲，这种情况下可对外界脉冲进展计数。 C/T的形状可由T0的方式存放器TMOD进展设置。 由于系统中需对输入T0P3.5端的信号进展计数，所以将C/T设为“1。由图6-18还可以看出，当GATE为0时，只需TR0为“1，计数控制开关的控制端即为高电平，使开封锁合，计数脉冲加到定时器T0， 允许T0计数。当GATE为“1时, 仅当TR0为“1且INT0引脚上输入高电平常，控制端为高电平，控制开封锁合，允许T0计数。 TR0为“0或INT0输入低电平都可控制开关断开，制止T0计

54、数。 第6章 智能型电子计数器 图 6-18 定时器T -0方式1构造图 GATEINT0OSC12C / TTL0TH0TF1中断FCNFinT0TR0TR控制第6章 智能型电子计数器 根据定时器T0的构造原理，系统中将GATE位、TR0均设为“1，INT0端输入规范闸门信号，内部同时开启外中断EX0。 当时基信号到来时，计数器T0闸门翻开，并开场计数；当时基信号的下降沿到来时，计数器T0闸门封锁，同时INT0产生中断， 此时将TR0清零，计数器停顿计数，读取TL0、TH0的数据设为N并保管。由测频公式6-14可知，此数据即为被测信号的频率值由于系统中闸门时间为1 s： gxTNf 6-14

55、 第6章 智能型电子计数器 图 6-19 频率测试时序图 finTgTR0fCN第6章 智能型电子计数器 6.5.3 6.5.3 软件设计软件设计该频率计的软件程序除主程序外，主要包括该频率计的软件程序除主程序外，主要包括INT0INT0中断效力中断效力程序、自动换挡子程序和显示子程序。程序、自动换挡子程序和显示子程序。INT0INT0中断效力程序的流中断效力程序的流程图如图程图如图6-206-20所示，主要完成测频、所示，主要完成测频、BCDBCD码转换、译码等功能。码转换、译码等功能。 在设计自动换挡子程序时，将计数器在设计自动换挡子程序时，将计数器T0T0设为方式设为方式1 1，C/TC/T位置位置“1 1。 此时此时,T0,T0为为1616位计数方式，故在不分频时测试的信号最大位计数方式，故在不分频时测试的信号最大频率为频率为216Hz216Hz，即，即65 535 Hz65 535 Hz。假设计数器。假设计数器T0T0溢出产生中断，便溢出产生中断，便进入换挡设置子程序，增大分频比，直至进入换挡设置