通用计数器及其应用

./第七章通用计数器及其应用电子计数器是一种多功能的电子测量仪器。它利用电子学的方法测出一定时间输入的脉冲数目,并将结果以数字形式显示出来。通常电子计数器按照它的功能可分为以下三类：1通用计数器通常指多功能计数器。它可以用于测量频率、频率比、周期、时间间隔和累加计数等,如配以适当的插件,还可以测量相位、电压等电量。2频率计数器其功能为测频和计数。测频围很宽,在高频和微波围的计数器均属于此类。3计算计数器带有微处理器、具有计算功能。它除具有计数器功能外,还能进行数学运算、求解比较复杂的方程式,能依靠程控进行测量、计算和显示等全部工作。图7-1通用电子计数器方框图一、通用电子计数器的基本组成电子计数器的基本组成原理方框图见图7-1。这是一种通用多功能电子计数器。电路由A、B输入通道、时基产生与变换单元、主门、控制单元、计数及显示单元等组成。电子计数器的基本功能是频率测量和时间测量,但测量频率和测量时间时,加到主门和控制单元的信号源不同,测量功能的转换由开关来操纵。累加计数时,加到控制单元的信号则由人工控制。至于计数器的其它测量功能,如频率比测量、周期测量等则是基本功能的扩展。〔一A、B输入通道输入通道送出的信号,经过主门进入计数电路,它是计数电路的触发脉冲源。为了保证计数电路正确工作,要求该信号具有一定的波形、极性和适当的幅度,但输入被测信号的幅度不同,波形也多种多样,必须利用输入通道对信号进行放大、整形,使其变换为符合主门要求的计数脉冲信号。输入通道共有两路。由于两个通道在测试中的作用不同,也各有其特点。A输入通道是计数脉冲信号的输入电路。其组成如图7-2〔a所示。7-2输入通道方框图当测量频率时,计数脉冲是输入的被测信号经整形而得到的。当测量时间时,该信号是仪器部晶振信号经倍频或分频后再经整形而得到的。究竟选用何种信号,由选通门的选通控制信号决定。B输入通道是闸门时间信号的通路,用于控制主门是否开通。该信号经整形后用来触发双稳态触发器,使其翻转。以一个脉冲启开主门,而以随后的一个脉冲关门。两脉冲的时间间隔为开门时间。在此期间,计数器对经过A通道的计数脉冲计数。为保证信号在一定的电平时触发,输入端可对输入信号电平进行连续调节。在施密特电路之后还接有倒相器,从而可任意选择所需要的触发脉冲极性。有的通用计数器闸门时间信号通路有两路,分别称为B、C通道。两通道的电路结构完全相同。B通道用来作门控双稳的"启动"通道,使双稳电路翻转；C通道用作门控双稳"停止"通道,使其复原。两通道的输出经由或门电路加至门控双稳触发器的输入端。〔二主门主门又称信号门或闸门,对计数脉冲能否进入计数器起着闸门的作用。主门电路是一个标准的双输入逻辑门,如图7-3所示。它的一个输入端接入来自门控双稳触发器的门控信号,另一个输入端则接收计数用脉冲信号。在门控信号有效期间,计数脉冲允许通过此门进入计数器计数。在测量频率时的门控信号为仪器部的闸门时间选择电路送来的标准信号,在测量周期或时间时则是整形后的被测信号。图7-3主门电路〔三时基信号产生与变换单元本单元用于产生各种时标信号和门控信号,图7-4为电路原理方框图的实例。图7-4时基产生与变换单元由1MHz晶振产生的标准频率信号,作为通用计数器的时间标准。该信号经倍频或分频后可提供不同的时标信号,用于计数或作门控信号。当晶振频率不同时,或要求提供的闸门信号和时标信号不同时,倍频和分频的级数也不同。〔四控制单元控制单元为程控电路,能产生各种控制信号去控制和协调计数器各单元工作,以使整机按一定工作程序自动完成测量任务。图7-5控制电路及工作波形电子计数器一方面对通过主门的计数脉冲进行计数,另一方面又要显示测量结果,它严格按照下列程序往复循环工作：本单元包括门控双稳电路、显示时间控制电路、寄存器、锁存器、复零脉冲产生电路等,可以按程序向主门发送信号,向计数显示电路发复零信号、记忆指令等。图7-5示出了一个控制电路的实例。在准备期,门控双稳复零〔Q1=0,闭锁双稳置"1"〔Q2=1,撤除了对门控双稳的封锁。然后在时基信号的作用下,门控双稳翻转,Q1=1,主门开启,测量期开始。在后续的第二个时期信号作用下,门控双稳翻转,降沿使寄存单稳产生寄存信号,刷新寄存器容,显示器开始显示新的测Q1=0,主门关闭,测量期结束。Q1的下降沿使闭锁双稳由"1"翻转为"0"。Q2的下量结果。Q2的下降沿还使显示单稳产生控制显示时间的延时信号,延时结束时产生复零脉冲R,使仪器各有关部分复零。在显示复零过程中闭锁双稳为门控双稳提供闭锁信号。为保证可靠地复零,在复零信号结束时不立即开始新的测量,而由闭锁单稳提供一个短暂的辅助闭锁信号,该信号又加至闭锁双稳S端使Q2=1。待所有闭锁信号都撤除后,门控双稳才进入等待下一次触发的状态。〔五计数及显示电路本单元用于对主门输出的脉冲计数并显示十进脉冲数。由2—10进制计数电路及译码器、数字显示器等构成。它有三条输入线,一条是计数脉冲用的信号输入线,一条是复零信号线,第三条是记忆控制信号线。有的通用计数器还可以输出显示结果的BCD码。二、通用电子计数器的基本原理〔一频率测量测量频率时,电子计数器的电路连接如图7-6所示。这是一个简化电路。图7-6测频率被测信号加于A通道,经电路放大、整形后,形成重复频率等于被测信号频率fx的计数脉冲。把它加至主门的一个输入端。门控双稳电路受晶振分频而来的闸门时间信号控制,门控双稳的输出接至主门的另一个输入端。这时主门的开通时间由闸门时间选择电路送来的信号决定。在主门开通时间T,对计数脉冲计数,设计数值为N,则有N=T/Tx,即fx=N/T=N/KfTs,其中T为门控时间,门控信号是晶振fs分频而来的,非常准确；Kf为分频器分频系数；fs、Ts为晶振的频率和周期。对同一被测信号,如果选择不同的门控时间,即选择不同的分频系数Kf,计数值N是不同的。为便于读数,实际仪器中的分频系数Kf都采用10进分频的办法。当分频系数Kf减小后所得计数值N也减少,显示器上则将小数点所在位置自动移位。例如fx=1000000Hz、门控时间为1s时,可得N=1000000,若7位显示器的单位采用kHz,则显示1000.000kHz；如果门控时间改为0.1s,则N=100000,显示1000.00kHz,7位显示器的第1位不显示,只显示6位数字,且小数点已后移1位。〔二频率比测量通用电子计数器还可以用来测量两个待测信号频率的比值。电路连接如图7-7所示。两待测信号分别加到A、B输入通道。频率较低的信号fB加至B通道,经放大、整形后用来作门控双稳的触发信号,频率较高的信号fA加至A通道,经整形后变成重复频率与fA相等的计数脉冲。主门的开通时间为TB=1/fB,在该时间对频率fA的待测信号进行计数,可得即为了提高测量准确度,还可将频率较低的fB信号的周期扩大,即将该信号经分频器后再加至门控双稳。当主门的开通时间增大后,计数值随之增大,但由于可进行小数点自动移位,显示的比值N不变。图7-7测频率比〔三累加计数累加计数是指在限定的时间,对输入的计数脉冲进行累加。测量原理和测量频率是相同的。不过这时门控双稳须改用人工控制。其电路连接如图7-8所示,待计数脉冲经A输入通道进入,这时计数值就是累加数。图7-8累加计数〔四周期测量测量周期时电子计数器的电路连接如图7-9所示。被测信号经A输入通道整形,使其转换成相应的矩形波,取出其跳变沿形成脉冲串,这时同极性跳变沿脉冲的重复周期恰好等于被测信号周期。利用该脉冲去触发门控双稳,控制主门的开闭。主门导通的时间就正好等于被测信号的周期。晶振经倍频〔或分频后产生的时标脉冲同时送至主门的另一输入端。在主门开启的时间对输入的时标脉冲计数。设计数的值为N,时标脉冲周期为Ｔs,则被测信号周期Tx为：Tx＝ＮＴs。在实际测量周期时,为了减小误差,常采用多周期测量,读取平均周期值。即把被测信号的周期扩大l0n倍,再加至门控双稳,对计数器的读数除以10n,即得到平均周期值。被测信号周期扩大10n倍,实际上就是进行各级十分频〔常称倍乘。图7-9测量周期的原理方框图图7-8图7-8累加计数〔五测量时间间隔测量时间间隔的原理与测量周期相同。首先需将被测信号整形为脉冲串。当测量同一脉冲串的两个相邻脉冲间隔时,电路连接方法与测量周期电路相同,如图7-9所示。在形成的脉冲串中,前一个脉冲可作启动脉冲,控制门控双稳翻转,后一个脉冲则作为停止脉冲,使门控双稳复原。门控双稳翻转期间产生的方波作为控制主门的门控信号。对于两个脉冲信号之间的时间间隔测量,可把信号分别加到不同的输入通道,一个用于启动门控双稳,一个用于使门控双稳复原。其电路连接如图7-10。Ａ输入通道作为启动通道,Ｂ输入通道则为停止通道。在测量同一脉冲串两相邻脉冲间隔时,需将Ａ、Ｂ两通道的输入端通过开关并联起来；测量两个脉冲信号之间间隔时则分开使用,被测信号分别加至Ａ、Ｂ通道的输入端。图7-10测量时间间隔测量脉冲宽度时,仪器按图7-10连接。当测量正脉冲宽度时启动通道采用正斜率触发,停止通道采用负斜率触发。如测量负脉冲宽度或正脉冲的静止期宽度时,则与此相反,启动通道采用负斜率触发,停止通道采用正斜率触发。输入信号后需适当调节两通道的触发电平,使计数器显示正常。由于脉冲宽度是以50％电平处宽度来定义的,为使测量准确度较高,触发电平要设置在50％的脉冲幅度以上。〔六自校通用电子计数器都有自校功能。所谓自校就是利用晶振本身产生的时标信号和门控信号,对电子计数器的部功能进行自我检查。自校时,电子计数器的电路连接如图7-11所示。送入主门的脉冲可来自倍频器或分频器。这时计数器的计数值为：式中：n为进入主门的计数脉冲频率,是晶振频率的倍数；T为门控脉冲宽度；Kf为门控脉冲的分频系数,可根据"闸门时间选择"开关所指示的周期倍乘率读出。从上式可知,当"闸门时间选择"开关和"时标信号选择"开关位置变化时,Kf、n会变化,但N=Kfn的关系不变。由于Kf、n都是按10进位变化的,当开关位置变化时小数点可自动移位,N的指示值为进入主门计数的脉冲频率值。对于相同闸门时间,时标增大10倍,则N减为1/10；若使用同一时标,闸门时间增大10倍,则N也增大10倍,但小数点同时移位,计数器的指示值不变。图7-11电子计数器自校时的电路连接三、电子计数器的使用电子计数器的型号不少,但是它们的基本使用方法是雷同的；这里以E312A型通用计数器为例,介绍其面板装置、使用步骤。E312A通用电子计数器是采用大规模集成电路的数字式仪器,采用LED显示,具有读数直观、测量快速、准确和使用方便等优点。〔一主要技术性能频率测量围为10Hz～10MHz,闸门时间分10ms、0.1s、1s、10s四种。周期测量围0.4μs～10s。脉冲时间间隔测量围为0.25μs～〔107-1μs。具有A、B两个输入通道,频率比测量时A通道输入频率围为10Hz~10MHz,B通道输入频率围为lHz～2.5MHz。计数时最大计数值为〔108-1。A、B两个输入端输入阻抗相同,输入电阻≥500kΩ,输入电容≤30pF。使用8位LED显示,十进制读数,单位为kHz,小数点可自动定位。工作方式有自动复原、人工复原和保持三种。自动复原为0.2s+测量时间,人工复原需按人工复原键后测量才能重新开始。在保持位置则显示的读数不变。晶振标准频率为5MHz,频率准确度±5×10-8,频率稳定度为1×10-8/日。〔二测量功能与使用说明E312A电子计数器的原理方框图如图7-12所示,包括A、B两个输入通道、晶振和二倍频器、大规模集成电路5G7226B及电源等几部分。E312A型通用计数器可进行自校、频率、周期、时间、计数、插测、A/B七种功能的测量。插测档可作为E312A仪器的功能扩展之用。在输入电路有三态灯指示电路,用来检测整形器是否工作正常。工作时指示灯闪亮；不工作时则为常亮或常灭。测量频率或周期时的被测信号、测频率比时的A信号〔频率较高信号>、测时间间隔时的启动信号,都由A输入口输入；测频率比时的B信号及测时间间隔时的停止信号则由B输入口输入。在面板上有斜率选择器,可根据需要选择触发信号的上升沿或下降沿。"触发电平"旋钮可连续调节触发电平到最佳值。测量频率时若被测频率fx高,可选择短闸门时间,反之,若fx低则应选长闸门时间。测量周期时,若周期长应选小倍乘率,否则测量时间会很长。在面板上设有分合键。用于将A、B两输入口的分、合控制。当按下"合"键时B输入通道的插口被断开,只有A输入口可输入信号,这时A、B输入通道在部相连。当为单线输入、测量时间间隔时需按下此键。A、B通道选用相同的斜率触发,可用来测量被测脉冲信号的重复周期；选用不同的斜率触发,可用来测量脉冲宽度或静止期。合键弹出时,A、B则为独立的输入通道。功能选择和闸门时间选择通过在输入端接入不同的扫描位驱动脉冲来实现。在面板上按下某一功能按键后,集成电路部则依照该按键的要求连接好部电路,使测量逻辑功能发生相应变化。〔三前面板各部分的名称和作用前面板的布局图如图7-13所示。1．电源开关按键开关按下为机电源接通,仪器可正常工作。2．复原键每按一次,产生一次人工复原信号。3．功能选择模块由一个三位拨动开关和五个按键开关所组成,当拨动开关处于右边位置时,整机执行自珍功能,显示10MHz钟频,位数随闸门时间不同而不同；拨动开关处于左边位置时,将拨动前测得的数据保持显示,一直不变；<拨动开关处于上述二位置时,五个按键开关失去作用>,当拨动开关处于中间位置时,整机功能由五个按键开关的位置决定,五个按键开关完成六种功能的选择,"频率"键按下时,仪器执行频率测量功能,"周期"键按下时,仪器进行周期测量,"时间"键按下,仪器进行时间间隔测量；"计数"键按下,仪器进行计数测量,"插测"键按下,仪器进行功能扩展测量,五个按键开关之间为互锁关系,五个键中只能按下其中之一,当五个全部弹出时,仪器进行频率比测量。4．闸门选择模块由三个按键开关组成,可选择四档闸门和相应的四种倍乘率。"0.1S〔101"键按下时,仪器选通0.1S闸门或101倍乘；"1S〔102键按下,仪器选通1S闸门或102倍乘；"10S〔103"键按下,仪器选通10S闸门或103倍乘；三个键都弹出时,仪器选通10ms闸门或10°倍乘；至于是闸门还是倍乘,应同时结合功能选择而定,频率、自校测量时,选择的为闸门,周期、时间测量时选择的是倍乘率。〔a主机逻辑图〔b输入通道方框图图7-12E312A通用计数器方框图5．闸门指示闸门开启,发光二极管亮〔红色。6．晶振指示绿色发光二极管亮,表示晶体振荡器电源接通。7．显示器八位七段LED显示,小数点自动定位。8．单位指示四种单位指示频率测量用kHz或Hz〔Hz单位供功能扩展插件用时间测量用μs电压测量用V〔供扩展插件用9．A输入插座频率、周期测量时的被测信号、时间间隔测量时的启动信号以及A/B测量时的A输入均由此处输入。10．B输入插座时间间隔测量时的停止信号,A/B测量时的B信号均由此处输入。11．分—合键按下时为"合",B输入通道断开,A、B通道相连,被测信号从A输入端入口；弹出时为"分",A、B为独立的通道。12．输入信号衰减键弹出时,输入不衰减地进入通道,按下时,输入信号衰减为十分之一后进入通道。13．斜率选择键选择输入波形的上升或下降沿。按下时,选择下降沿,弹出时,选择上升沿。14．触发电平调节器由带开关的推拉电位器组成通过电位器阻值的调整完成触发电平的调节作用,调节电位器可使触发电平在-1.5V～+1.5V〔不衰减或-15V~+15V〔衰减时之间连续调节,开关推入为AC耦合,拉出为DC耦合。15．触发电平指示灯表征触发电平的调节状态,发光二极管均匀闪表示触发电平调节正常,常亮表示触发电平偏高,不亮表示触发电平偏低。<12>,<13>,<14>,<15>的作用对于A、B输入通道作用一样.16．插件位置当插入功能扩展单元时就能完成插测功能的扩展作用。〔四测量前的准备工作1．先仔细检查市电电压,确认市电电压在220V士10%围,方可将电源线插头插入本机后面板上电源插座。2．检查后面板"接、外接"选择开关位置是否正确,当采用机晶振时,应处于"接"位置。3．仪器予热3分钟能正常工作,予热2小时能达到技术指标规定的稳定度。〔五自校检查在使用E312A型通用计数器进行测量之前,可对仪器进行"自校"档测量以判断仪器工作的正常与否。前面板的三位拨动开关拨至"自校"位置,选择闸门选择模块的不同闸门,时标信号为10MHz,显示的测量结果应符合下表所示的正确值。前面板的三位拨动开关拨至"自校"位置,选择闸门选择模块的不同闸门,时标信号为10MHz,显示的测量结果应符合下表所示的正确值。闸门时间时标信号10mS0.1S1S10S10MHz10000.010000.0010000.000·0000.0000最低位上允许偶尔出现±1溢出指示单位：全部为kHz10S档测量数据的左上角光点亮,表示测量结果由于显示位数的限制而产生了溢出。〔六频率测量前面板的功能选择模块中的三位拨动开关置中间位置,意味着下面方块中的五种功能选择起作用,继而按下"频率"键,表示仪器已进入频率测量功能。闸门模块中的四档闸门的选择通常可根据被测频率的数值而定,频率高时可选择取样率较高的矩闸门时间,频率低时一般选长的闸门时间。通道部分的"分一合"键弹出,由A输入端送入适当幅度〔当输入幅度大时,可通过衰减器按键予以衰减的被测信号。若被测信号为正弦波,则送入后即可正常显示,若被测信号是脉冲波,三角波,锯齿波,则需将触发电平调节推拉电位器拉出,调节触发电平,此时即可正常显示被测信号的频率。〔七周期测量前面板的功能选择模块中的三位拨动开关置中间位置,按下"周期"键,此时闸门选择模块的按键为倍乘率的选择,可根据被测周期的长短来选择倍乘率,被测周期短时,可选择适当倍乘以提高测量精度,被测周期较长可选择"10°"键直接进行测量,这时若倍乘率选得太大就会等待很长时间,才能显示测量结果或超出测量正常围,以至误认为机器工作不正常。由于本仪器输入灵敏度较高,当被测信号的信噪比较低时,一般应在输入端加接低通滤波器和适当选择倍乘率来提高测量的准确性。周期测量时通道部分的按键操作：被测周期信号从A输入端输入,"分一合"键弹出,选择"分"的工作状态,当被测周期信号为正弦波,幅度＜0.3V,脉冲波幅度＜1V〔P-P时,将衰减键弹出,被测信号不经衰减直接进入A通道。当被测信号幅度超出上述围时,"衰减"键按下,被测信号衰减为十分之一后进入A通道。当被测信号为≥1Hz的正弦波时,可直接显示测量结果。当被测信号为脉冲波、三角波、锯齿波或低于1Hz的正弦波时,应将触发电平调节电位器拉出,进行电平调节。电位器旋钮上的红点标志一般应选择指示在使触发灯闪跳区间的中心位置为宜。〔八脉冲时间间隔测量前面板功能选择模块中的三位拨动开关置中间位置,按下"时间"键,此时闸门选择模块的按键为取样次数的选择,可根据被测