第八章智能电子计数器资料教程

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1、8.1 电子计数器测量原理 8.2 典型部件的分析 8.3 智能电子计数器的设计 8.4 典型智能计数器产品介绍,第8章 智能电子计数器,电子计数器指能完成频率测量、时间测量、计数等功能的电子测量仪器的通称。频率和时间是电子测量技术领域中最基本的参量，因此，电子计数器是一类重要的电子测量仪器。 本章侧重讨论智能化的电子计数器原理及设计方法。,8.1 电子计数器测量原理,根据仪器功能，电子计数器有通用计数器和专用计数器之分 通用计数器是一种具有多种测量功能、多种用途的电子计数器，它可以测量频率、周期、时间间隔、频率比、累加计数、计时等，配上相应插件还可以测相位、电压等电量。 专用计数器指专门用于

2、测量某单一功能的电子计数器。例如专门用于测量高频和微波频率的频率计数器；以测量时间为基础的时间计数器（测时分辨力可达ns量级）；具有某种特种功能的特种计数器，如可逆计数器、预置计数器、差值计数器等。 ,8.1.1 概述,一、 分类,8.1 电子计数器测量原理,电子计数器还有传统电子计数器和智能电子计数器之分 智能电子计数器是指采用了计算机技术的电子计数器。由于智能电子计数器的一切“动作”都在微处理器的控制下进行，因而可以很方便地采用许多新的测量技术并能对测量结果进行数据处理、统计分析等，从而使电子计数器的面貌发生重大的变化。 ,8.1.1 概述,一、 分类,1. 频率测量原理,频率为fx的被测

3、信号经A通道放大整形后输往主门(闸门)。 同时，晶体振荡器输出信号经分频器可获得各种时间标准(称时标)，闸门时间选择开关将所选时标信号加到门控双稳，再经门控双稳形成控制主门启闭的作用闸门时间T。 则在所选T内主门开启，被测信号通过主门进入计数器计数。若计数器计数值为N，则被测信号的频率fx为： fx NT （8.1）,二、 通用计数器 组成原理,周期为Tx的被测信号经B通道处理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Tx时间内开启。 同时，晶体振荡器输出经倍频和分频得到了一系列的时标信号，通过时标选择开关，所选时标即经A通道送往主门。 在主门开启时间内，时标进入计数器计数。

4、若所选时标为T0，计数器计数值为N，则被测信号的周期为： Tx NT0 （8.1）,. 周期测量原理,如果被测周期较短，可以采用多周期测量的方法来提高测量精度，即在B通道和门控双稳之间插入十进分频器，这样使被测周期得到倍乘即主门的开启时间得到了倍乘。若周期倍乘开关选为10n，则计数器所计脉冲个数将扩展10n倍，所以被测信号的周期为 Tx NT0 10n (8.3) ,. 周期测量原理,3. TA-B 测量原理,如果被测周期较短，可以采用多周期测量的方法来提高测量精度，即在B通道和门控双稳之间插入十进分频器，这样使被测周期得到倍乘即主门的开启时间得到了倍乘。若周期倍乘开关选为10n，则计数器所计

5、脉冲个数将扩展10n倍，所以被测信号的周期为 （8.3） ,4. 典型通用计数器的组成 ,8.1.1 概述,三、 通用计数器测量误差,通用计数器测量误差习惯于用相对误差的形式来表示。 通用计数器具有多种功能，每个功能的误差表达式是不一样的。 根据误差分析，各功能的误差表达式主要由三种类型误差合成。 1最大计数误差（1误差） 2标准频率误差 3触发误差,三、 通用计数器测量误差,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：,1最大计数误差（1误差）,对于一次计数过

6、程，其结果可能为N，也可能为N1或N1。即最大计数误差为N1。该项误差将使仪器最后的显示结果会有一个字的闪动。 最大计数误差相对误差的形式为 （8.5）,1最大计数误差（1误差）,很显然，在测频、测周、测fAfB等功能中，由于主门开启信号与通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，由于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

7、小的时标信号，必要时使用周期乘率开关，进行多周期平均测量。,三、 通用计数器测量误差,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 。 凡是使用时标和闸门时间标准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fAfB、累加计数等功能不存在该项误差。,2标准频率误差,为了使标准频率误差对测量结果产生影响足够小，应认真选择晶振的准确度。一般说来，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。例如七位

8、数字的通用计数器一般采用准确度优于107数量级的晶体振荡器。这样，在任何测量条件下，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，门控双稳的门控信号由通过B通道的被测信号所控制。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。经推导，触发误差 的大小为： (8.6) 式中 Um信号的振幅； Un干扰或噪声的振幅。 可见，信噪比（UmUn）愈大，触发误差就愈小，若无噪声干扰，便不会产生该项误差。因而，在频率等测量功

9、能中，由于控制门控双稳的门控信号是由仪器内部产生，不会存在触发误差。而在周期、fAfB等测量功能中，如果进入B通道的信号含有干扰，便会存在触发误差。 采用周期倍率开关进行多周期测量，可减弱此项误差。例如周期倍率取10，可使触发误差相对减弱了十倍。,三、 通用计数器测量误差,通过上述分析，可得频率测量误差表达式如下,可得周期测量误差表达式如下,其他功能的测量误差表达式可根据仪器的具体电路结构分析得出,8.1.2 多周期同步测量技术,一、 问题的提出,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，fx1Hz，闸门时间为1s时，由1误差而引起测量误差高达10

10、0%。因此，为提高低频测量精度，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。 但在测量周期时，当被测周期很小时，也会产生同样的问题并且存在同样的解决办法。即在被测信号的周期很小时，宜先测频率，再换算出周期。,但是，还存在两个问题： 、该方法不能直接读出被测信号的频率值或周期值； 、在中界频率附近，仍不能达到较高的测量精度。 若采用多周期同步测量方法，便可解决上述问题。,测频误差及测周误差与被测信号频率的关系如图示，图中测频和测周两条误差曲线交点所对应的频率称中界频率fxm。,很显然，当被测信号频率fxfxm时，宜采用测频的方法， 当被测信号的频率fxfx

11、m时，宜采用测周的方法。,8.1.2 多周期同步测量技术,一、 问题的提出,二、 多周期同步测量原理,多周期同步测量原理与传统频率和周期测量原理完全不同。,8.1.3 内插模拟扩展技术,在传统的电子计数器中，测量时间间隔的分辨能力取决于所用的时钟频率f0。单纯地通过提高时钟频率f0来提高测时分辨率是有限的，例如，即使f0 高达100MHz的时钟，测时分辨率也只能达到10ns。,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。一般而言，可提高23个数量级或更高。,内插法测量原理,实际测量时间Tx=T0+T1-T2，采用内插法测时间不仅要累计T0内的时钟脉冲数，而且还要把产生1

12、误差的那两部分时间T1和T2拉宽N倍，再用同一时钟脉冲进行计数。 若时钟频率为10MHz(100ns)，内插模拟扩展倍数N1000，并设N0为在T0内的计数值，N1为在1000T1内的计数值，N2为在1000T2内的计数值，则被测时间间隔可以表示为：,Tx=T0+T1-T2 ns,内插法测量原理,虽然测量T1、T2时仍然存在1误差，但其影响可缩小为原来的1/1000，从而使计数器的分辨率提高了1000倍。例如，时钟频率为10MHz，普通计数器的时间分辨率为100ns，采用内插法后其分辨率可提高到0.1ns， 相当于普通计数器使用了频率为10GHz时钟时的分辨率。,Tx=T0+T1-T2 ns,

13、8.1.3 内插模拟扩展技术,将T1和T2展宽的办法是：首先在T1（或T2）内对一个电容以恒定电流充电；然后以慢999倍（N1000时）的速度放电，则对电容充、放电的总时间是T1（或T2）的N倍；然后再用同一时钟对其进行测量计数即可得到N1（或N2）。,一个实际的模拟扩展器主要由一对高速电流开关 VT1 和VT2，恒流源 I1（10mA），恒流源 I2（10A），阈值检测管 VT3 等部分组成。 初始: VT1导通、VT2截止，10A恒流源对电容C充电，使A点上升到5.7V，VT3导通，B点电压为0.1V （10A100k）。,在T1(或T2)时间内，电流开关VT1 截止VT2导通，电容C通过

14、VT2放电，放电电流为I1I2，使A点电位下降，VT3截止，则在T1(或T2)时间内放走的电荷Q1(I1I2)T1，由于VT3截止，T1期间B点的电压为0V。 T1结束后，电流开关又转换为使VT1导通、VT2截止的初始状态，10A恒流源I2重新对电容C充电，A点电压逐步上升，当A点电压上升到约5.7V时， VT3重新导通而使充电结束，则在T1内充得电荷QI2T1。显然Q1Q2，于是可得 T1T11000T1。 则在B点出现了一个宽度为1000T1的脉冲，,8.2 典型部件的分析,8.2.1 输入通道,被测信号的形状、幅度往往是未知的， 并且还可能夹带着一定的噪声，所以当被测信号进入计数门之前需

15、要整理一番，这就是输入通道的作用。 输入通道由调整电路、放大整形电路、触发电平调节电路等几部分组成。调整电路一般由阻抗变换器、衰减器、保护电路等几部分组成。 电子计数器的许多技术指标，例如频率范围、输入阻抗、灵敏度、抗干扰性等都是由输入通道来决定的。,8.2.1 输入通道,输入通道中放大整形电路一般采用斯密特触发器，一方面起整形作用， 另一方面其滞后带宽度E可有效地抑制信号中的干扰。,斯密特触发器对信号中干扰抑制示意图,正确选择滞后带相对于被测信号的位置示意图,正确选择滞后带相对于被测信号的位置， 对确保测量精确度非常重要。 一般情况下， 滞后带应移动在信号波形的中部；特殊情况下， 应移在信号

16、的某个确定的部位上，如图所示。为此目的，某些计数器还备有监视触发器的输出插孔，以便接到示波器上观察。,移动滞后带与信号之间的相对位置是通过改变差分放大器中一个输入端的直流电位而实现的，其电路实现原理框图如图示。,当继电器K吸合时， 电路处于自动触发调节方式， 微处理器控制系统通过触发探测器， 测定信号的上峰值和下峰值， 然后计算出其算术平均值或其他适当的数值，再输送给D/A转换器转换成直流电压，加到差分放大器中一个输入端。 具体原理见5.5节。,图中当前处于手动预置触发方式， 通过调节电位器RW，可使触发器的滞后带移动在信号适当的部位上。,8.2.2 计数器电路,计数器电路是电子计数器类仪器的一个重要组成部分。 在计数器电路的设计中，前级计数电路芯片的最高计数频率参数应高于被测信号的最高频率。 随着逐级分频，后级计数电路可考虑采用中低速计数电路芯片， 以降低其成本和功耗。 目前计数器中广泛采用了大规模集成电路，以减小体积，进一步降低其成本和功耗,8.2 典