第4章 电子计数器讲义

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1、电 子 测 量 技 术,常州信息职业技术学院,第4章 电子计数器,4.1 概述 4.2 电子计数器测量频率 4.3 电子计数器测量周期 4.4 电子计数器测量时间间隔 4.5 数字频率计模块 4.6 其他频率测量方法 习 题,4.1.1 电子计数器分类,4.1 概述,（1）通用电子计数器 即多功能电子计数器。它一般具有测量频率、周期、时间间隔、频率比及累加计数等测试功能，通常还具有自检功能。 （2）频率计数器 一般指专门用于测量高频和微波频率的电子计数器，通常只具有测频和计数功能，具有较宽的频率范围。 （3）计算计数器 指的是一种带有微处理器、能进行数学运算、求解较复杂方程等功能的电子计数器。

2、 （4）特种计数器 指具有特殊功能的电子计数器。如可逆计数器、程序计数器和预置计数器等，它们主要用于工业生产自动化控制和自动测量方面。,4.1.2 电子计数器主要技术指标,1测试功能 仪器所具备的测试功能，一般包括测量频率、周期、时间间隔、频率比、累加计数和自检等功能。 2测量范围 仪器的有效测量范围，例如：测量频率时指频率的上、下限(如0.1Hz100MHz)，测量周期时指周期的最小、最大值(如100ns10s)，测量频率比和累加计数时指计数器的最大计数容量（如1108-1）等。 3输入特性 电子计数器一般有23个输入通道，需分别给出各个通道的特性，主要包括： （1）输入灵敏度：指仪器正常工

3、作时所需输入的最小电压。 （2）输入耦合方式：有DC和AC两种方式，DC耦合即直接耦合，被测信号直接输入，在低频和脉冲信号输入时宜采用这种耦合；AC耦合时，被测信号经隔直电容输入，选择输入端交流成分输入到电子计数器。,（3）触发电平及其可调范围：用于控制门控电路的工作状态。只有被测信号达到所设置的触发电平时，门控电路的状态才能翻转。要求触发电平连续可调，并具有一定的可调范围。 （4）最高输入电压：即允许输入的最大电压，若输入信号幅度太大有可能损坏仪器。 （5）输入阻抗：包括输入电阻和输入电容，通常分为高阻抗（1M/25PF）和低阻抗（50）两种。对于低频测量，使用1M输入阻抗较为方便；测量高频

4、信号时为满足阻抗匹配要求，则采用50输入阻抗。 4测量准确度 常用测量误差来表示，主要由时基误差和计数误差（量化误差）决定。关于电子计数器的测量误差将在本章后面讨论。 5主门时间和时标 由机内时标信号源所能提供的时间标准信号决定。根据测频和测周的范围不同，可提供的主门时间和时标信号有多种选择，如常用的主门时间有10ms、100ms、1s、10s等。,6显示及工作方式 包括显示位数、显示时间、显示方式和显示器件等。 显示位数：可以显示的数字位数，如常见的8位。显示结果位数与主门时间的选择有关，较长的主门时间可以获得较多的测量结果位数，相应的测量精确度也就较高。 显示时间：两次测量之间显示结果的持

5、续时间，一般是可调的。 显示方式：有记忆和不记忆两种显示方式。记忆显示方式只显示最终计数结果，不显示正在计数的过程；不记忆显示方式时，还可显示正在计数的过程。多数计数器采用记忆显示方式。 显示器件：用于显示测量结果或测量状态，小数点自动定位。常用的有数码管显示器和液晶显示器。 7输出 包括仪器可输出的标准时间信号的种类、输出数据的编码方式及输出电平等。,4.2 电子计数器测量频率,1、电子计数器测频原理,若某一信号在T 秒时间内重复变化了N次，则 根据频率的定义，可知该信号的频率fx,通常T取1s或l0s，0.1s，0.01s等。,计数式频率计测频的框图。它主要由下列三部分组成。,(1)时间基

6、准产生电路。这部分的作用就是提供准确的计数时间T。 (2)计数脉冲形成电路。这部分电路的作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲。 (3)计数显示电路。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，显示被测信号的频率。,简化电路框图：,计数器波形图,1、电子计数器测频误差,( T=NTx N=T/Tx=Tfx),根据公式：,利用误差公式,（1）1误差,（2）闸门时间误差(标准时间误差),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T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc。(周期为Tc)，分频系数为m，所以有,（2）测频总误差,计数器直接测频的误差主要有两

7、项：即1 误差和标准频率误差。一般，总误差可采用分项误差绝对值合成,测量低频时，由于1 误差产生的测频误差大得惊人，例如，fx=10Hz,T=1s,1误差引起的测频误差可达成10%，所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。,4.3 电子计数器测量周期,将测频电路中晶振标准频率信号和输入被测信号的位置对调而构成的。,1、电子计数器测周期原理,当Tc为一定时，计数结果可直接表示为 Tx 值。例如Tc1s，N562时， 则Tx =562s。,2、测周期误差,测周期公式：,根据测周期公式，再利用误差合成公式，有：,根据测周公式，,N=1,K为分频系数，若k为倍频系数应放分母上。,Tc为计数脉冲周期，Ts

8、为晶振周期，k为分频系数,4.4 电子计数器的测时间间隔,1、测量原理,它有两个独立的通道输入，即A通道与B通道。一个通道产生打开时间闸门的触发脉冲，另一个通道产生关闭时间闸门的触发脉冲。对两个通道的斜率开关和触发电平作不同的选择和调节，就可测量一个波形中任意两点间的时间间隔。,每个通道都有一个倍乘器或衰减器，触发电平 调节和触发斜率选择的门电路。图中开关K用于 选择二个通道输入信号的种类。K在“1”位置时， 两个通道输入相同的信号，测量同一波形中两 点间的时间间隔；K在“2”位置时，输入不同的波 形，测量两个信号间的时间间隔。在开门期 间，对频率为fc或nfc的时标脉冲计数。,测量两信号间的

9、时间间隔,测量同一信号波形上的任意两点间的时间间隔,例4.1 用电子计数器测量x = 5kHz的信号频率，分别采用测频（主门时间为1s）和测周（晶振频率s=10MHz）两种测量方法。试比较这两种方法由于量化误差引起的相对误差，并求出中界频率。 解：（1）测频时，量化误差为：,（2）测周时，量化误差为：k为分频系数,（3）中界频率为：m为倍频系数,中界频率： 被测信号频率X越高，用电子计数器测量频率的误差就越 小，所以采用直接测频法可以测量高频信号的频率；反之， 被测信号频率X越低（即周期Tx越大），用电子计数器测量 周期误差就越小，所以采用测周法测频可以测量低频信号的 频率。但所谓的高频或低频

10、，是相对于电子计数器的中界频 率而言的。中界频率指的是：电子计数器测量某信号的频 率，若采用直接测频法和测周法的量化误差大小相等，则该 信号的频率就称为中界频率。,4.5 数字频率计模块,1.40MHz频率计芯片NB8216D NB8216D是宁波甬芯微电子公司(WWW)针对国外现有的 同类频率测量芯片(例如ICM7216D等)存在的几方面缺点(直接测量频 率低、工作电压范围窄、整体功耗大、显示驱动能力弱)，以高速、 低压、低功耗、增强驱动为研究出发点，在保证高精度、高分辨 率、高稳定性等良好性能的基础上，对芯片设计和制造工艺进行创 新和全过程优化。其总体性能超过国外同类心芯片，最高测量频率

11、是同类芯片的4倍，达40MHz，可减少分频级数，简化整机设计：工 作电压范围拓宽到25V，可用于手持式设计;静态功耗大幅降低和 驱动能力增强是提高性能和稳定精度的有力保证。该芯片拥有完全 自主知识产权并申报发明专利，能直接代换同类芯片，明显提升总 体性能和降低了成本，符合欧盟ROHS环保标准。,特点 1、全新设计的单片频率计芯片，全面取代MCU单片机测频方案。2、测量频率达40MHz，功能兼容ICM7216D，性能更优越，成本低。3、单电源低工作电压设计(2.05.OV)。4、先进低压、低功耗CMOS工艺，低静态电流(45mA)，抗静电能力强。5、采用1MHz或10MHz的晶体组成稳定的本地振

12、荡器。6、驱动能力强，输出可直接驱动8位LED的位与段显示。7、有0.01秒、0.1秒、1秒、10秒四档内部选通测量时间。8、标准DIP28或SOP28贴片式塑料封装。 管脚排列及功能 管脚排列如图1所示，功能如表1所示，其内部框图如图2所示。,性能参数 NB8216D的极限参数：最大电源电压为5.50V;最大位输出电流为1 DOmA：最大段输出电流为60mA;最大工作温度范围为-20+85：最大存放温度范围为-55+125;任一输入端或输出端电压为V+0.3VV_-O.3V。电气参数如表2所示。,备注：因NB8216D的频率响应较国外芯片高很多，且工作电压范围较国外宽，为避免芯片总电流过大和

13、适应不同品质的数码管，建议用户将芯片的工作电压降为4.3V更为可靠(只需在原5V电源回路中串入一只1N4001二极管即可)。,NB8216D的应用电路如图3所示。,2.SC3610D数字频率计模块,3 简易数字频率计,（1）性能指标 测量范围：1Hz99.999kHz 分辨率:1 Hz 输入灵敏度：30mV 输入阻抗：1M 输入电容：15pF 输入波形：正弦波、方波、三角波等 最高输入电压：50V 显示方式：5位LED数码管显示,（2） 工作原理 数字频率计方框图见图5.38 ，电路原理图见图 5.39。被测信号经放大、整形后，送入闸门电路， 由时基脉冲产生器产生的时基信号经门控电路形成 控制

14、方波，在方波期间开启闸门，计数器进行计数 ，并以十进制的方式显示结果。 1）被测信号处理电路 被测信号处理电路由VT3、VT4、VD3、VD4、D5、D6及外围元件组成，对输入信号进行放大、整形处理。输入信号由“IN”输入，VT3、VT4组成宽频带放大器，VT3为场效应管，用于提高输入阻抗。CMOS反相器D5、D6和电阻R14、R15构成施密特触发器，将模拟信号变换成边沿陡直的方波脉冲送入计数器。VD3、VD4为保护二极管。,数字频率计原理框图,2）五位计数显示电路 电路采用5片CD4026（IC3IC7）和5个LED数码管组成5位十进制计数显示器。CD4026内部包括十进制计数器和7段译码器

15、两部分，译码输出可以直接驱动LED数码管。R为清零端，当R=1时，计数器直接清零。INH端接闸门控制信号，当INH=0时，计数器开始计数，当INH=1时，停止计数，但显示的结果被保留。电路采用12V供电，以满足直接驱动LED的要求。,数字频率计电路原理图,3.闸门控制电路 闸门控制电路由IC1、IC2、D1、D2、D3、D4、VT1、VT2组 成。IC1为石英钟集成电路SM5544,该集成电路内包含 32768 kHz晶振、多级分频、放大驱动等电路，OSC1、 OSC2外接32。768KHZ晶振，VD1、VD2、R1为其提供1。5V 电源电压。OUT1、OUT2两个引脚交替输出窄脉冲信号，脉

16、宽31。5ms，周期2s，OUT1与OUT2输出脉冲时差1s,由于 石英钟电路工作电压为15V，而整个系统工作电压为 12V，因而用VT1、VT2进行逻辑电平转换，反相输出后再 通过与非门D1输出周期1s的窄脉冲串，如图5.40（a）所 示。八进制计数/分配器IC2和与非门D2、D3、D4对秒脉冲 信号进行处理，形成清零信号R和闸门控制信号INH，使计 数器按“清零（315ms）计数（1s）显示 （696875s）清零”的模式循环工作，,其时间关系如图5.40 所示。在一个循环中，清零和计数的时间一共只有1s多，而显示时间将近7s，可以方便的读取数据。,门控电路输出波形,1.频域方法,(1)频域方法是建立在离散傅里叶变换（DFT）基础之上的，为测得信号频率值，先采用离散傅里叶变换（DFT）或快速傅里叶变换（FFT）将离散时间信号转换为离散频率信号，然后根据峰值谱线的位置确定频率。 (2)频率分辨率,若信号频率f=50Hz，每周期采10个样本，共采10个周期，频率