《电子计数器方案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子计数器方案（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1、智能计数器概念22、通用计数器简介23、智能电子计数器功能及性能指标34、智能电子计数器的方案选择35、智能电子计数器的系统实现框图76、传统的通用电子计数器的不足87、智能通用电子计数器的优势98、智能电子计数器存在的关键问题及解决方案129、功能模块电路的设计1210、系统软件的设计191、智能计数器概念智能计数器，是利用数字电路技术数出给定时间内所通过的脉冲数并显示计数结果的数字化仪器。智能计数器是其他数字化仪器的基础。在它的输入通道接入各种模-数变换器，再利用相应的换能器便可制成各种数字化仪器。智能计数器的特点：测量精度高、量程宽、功能多、操作简单、测量速度快、直接显示数字，而且易
2、于实现测量过程自动化。智能计数器按功能可分4类：1、通用计数器：可测频率、周期、多周期平均、时间间隔、频率比和累计等。2、频率计数器：专门用于测量高频和微波频率的计数器。3、计算计数器：具有计算功能的计数器，可进行数学运算，可用程序控制进行测量计算和显示等全部工作过程4、微波计数器：是以通用计数器和频率计数器为主配以测频扩展器而组成的微波频率计。应用领域：智能计数器在工业生产和科学实验中得到广泛应用。2、通用计数器简介 本课题主要是针对智能通用计数器的设计，通用电子计数器又可称为多功能电子计数器，它可以完成频率测量，周期测量，脉冲计数，以及基本的加减计数和定时功能等等。对于智能通用计数器，不仅
3、要完成以上的各种基本功能，而且还要通过单片机微处理器完成仪器工作的自动化，简化用户的操作难度。所以智能的通用电子计数器的智能化在体现在以下几个方面：测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化，简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。3、智能电子计数器功能及性能指标1）、频率测量a测量范围：1Hz5MHz；信号幅度范围：0.1V5V。 b测量误差10-6。2）、周期测量a测量范围：1s0.1s；信号幅度范围：0.1V5V ；b测量误差10-3。3）、脉冲计数 a能检测出各种脉冲信号（方波、三角波、正弦波等等）个数4）、可预置加减计数 a可以在150000之间进行计数
4、5）、可逆计数功能6）、自动复位功能7）、扩展功能 a. 数据存储功能 b计算机通信功能4、智能电子计数器的方案选择方案一 直接测频法：通过外部信号通道把信号进行放大整形后，以获得标准的TTL电平信号，然后设置主门控制时间（信号的计数时间），通过单片机的时钟中断统计门控时间内通过的信号周期个数。单片机把计数的数值通过数码管显示出来，也可以扩展数据存储功能和与计算机通信功能，完成电子计数器与计算机的通信功能，也可以通过计算机配置智能通用计数器的控制器以扩展它的功能。系统框图如下：方案二测周法：测试方法与方案一类似，他是以待测信号为门限，记录在此门限内的高频标准时钟的数量，从而测量信号的频率。系统
5、框图如下：方案三等精度测量法：前级模拟信号处理功能与方案一相同，只是在转换数字信号后的测量方案有所不同，先设置一个参考频率信号，然后设置门控时间（由被测信号和预制门控共同控制），用同步电路对参考信号和被测信号分别进行计数，然后通过单片机处理，完成计数和显示功能。系统框图如下： 方案比较 方案一的优点：电路简单，能完成智能计数器的基本功能，特别是在测量频率较高的信号时精度很高。系统控制简单，在满足功能要求的情况下硬软件实现容易。方案一的缺点：测量精度不能做的很高，特别在频率很低时，测量误差会很大，它总是存在相对误差，特别是在频率很低时最大计量误差很明显。例如：如果被测信号的频繁率为10Hz，门控
6、时间为1S，则最大计量误差则达到10%，严重影响智能电子计数器的性能。方案二的优点：电路简单，能完成智能计数器的基本功能，特别是在测量频率较低的信号时精度很高。系统控制简单，在满足功能要求的情况下硬软件实现容易。方案三的优点：采用多周期同步测量的技术，由于其精确门限信号由被测信号和预置门控共同控制，测量精度与被测信号的频率无关，只与参考信号的频率和稳定度有关，这样消除了最大计量误差引起的测量精度的恶化，同时通过对频率和周期的自动测量转换使测量精度得到了很大的改善（频率高时自动进行频率测量，频率低时自动进行周期测量），可同时消除方案一和方案二的不足之处，从而使测量精度能提升几个数量级。方案三的缺
7、点：电路的难度加大，对硬件电路的复杂度与性能标求提高了要求，软件控制的难度也提升了不少。综合上述两个方案的对比，在单片机能完成智能电子计数器的情况下，方案三优势较大，它的测量性能很高，并且可以尽量通过软件的控制来简化硬件电路，相对来说对硬件电路的整个要求来说也不是很高。所以，本项目主要采用方案三来实现。5、智能电子计数器的系统实现框图系统整体结构：整体设计系统结构，硬件与软件相结合，并尽量以软件代替硬件以充分发挥微型机效能，提高可靠性。主要有以下几个功能模块组成：输入通道、整形放大电路、同步电路部分、单片机控制部分、键盘与显示部分、通信部分。功能的实现过程：来至通道1至n的模拟型号通过模拟开关
8、，通过单片机控制那个通道的信号输出，选择一路信号输出给前级放大电路和脉冲整形电路，然后经过多级分频，将频率降低，并且通过单片机控制分频系数，将输出的信号输入门控电路，当来至同步电路的信号进入门控电路时，门控信号有效，电平信号就会触发单片机的计数器1，对当前脉冲信号进行计数。时钟电路产生频率精度很高的信号通过整形放大电路后得到的标准TTL电平信号，通过分频电路得到频率很稳的预置闸门时间，通过同步电路后，使闸门信号和被测信号同步，并让闸门信号触发单片机外部中断，通过中断程序控制其内部计数器1和2工作，分别统计两个计数器的值，通过单片机进行运算并通过数码管显示出来。通过键盘对智能电子计数器的功能进行
9、选择，并对单片机进行自动复位。单片机通过串口与计算机进行通信，通过计算机对单片机进行配置，扩展仪器的功能。6、传统的通用电子计数器的不足测量时会存在以下几种误差：1）、最大计量误差 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：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。因此这种方法只能测频率高的信号时才会有很大的精度。在测量频率时，当被
10、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，被测信号fx1Hz，闸门时间为1s时，由1误差而引起测量误差高达100%。在测量周期时，当被测周期很小时，也会产生同样的问题，它的误差也会达到很大，周期大时能得到很好的精度。要起同时满足测周与测频的精度，必须要想到一种办法能在测周和测频时都能达到很高的精度。所以在原来的电子计数器基础上，进行了改进，即在被测信号的周期很小时，宜先测频率，再换算出周期；在被测周期过大时，则采用测周期，再换算相应的频率，但这种方法仍不能做到很高。2）、标准频率误差 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
11、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。但时，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，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。7、智能通用电子计数器的优势本方案的简易测量原理图如下：波形图如下：1）、提高了测量精度和可靠性从上图中我们可以分析得出：由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，计数器所记录
12、的NB的值仍存在1误差的影响，但是，由于时钟频率f0很高，1误差的影响很小，且在全频段的测量精度是均衡的, 测量精度已与被测信号的频率无关。并且由于测量中用了同步电路，就使由于整形电路引起的信号超前或滞后触发消除，通过同步电路使参考信号与被测信号的闸门信号同时打开，使两个计数器同时工作，不会出现被测信号的偏移。而采用上图中的多周期同步测量就会有很大的优势。由工作波形图还可以看出， NB的大小实际是NA个被测信号周期的时钟脉冲的个数，即为多个周期测量的平均值。这样即可以完满足当测量周期时间过小时的测量精度问题（因为多周期可以相对增加被测信号的周期），也可以满足在频率很小时测量精度的问题（因为测量
13、时消除了+1的计量误差，测量误差只与时钟信号f0的稳定度有关）。2）、测量功能的多样化本方案输入通道有多个，通过模拟开关可以分别测量来自不同通道的信号，增加了测量信号的多样化，使通道内的各信号源或传感器信号都能被处理。我们可以设计多个传感器通道就可以为各种电子仪器计数和控制，这样可以增加它的通用性。并且通过单片机控制还可以使智能电子计数器的功能得到更好的完善，可以很容易的完成周期和频率的测量、可预置加减计数、可逆计数功能、数据的存储与通信功能；同时也可以通过扩展电路将单片机的计数值进行数模转换去控制其它仪器的计数、定时、开关功能。3）、测量过程的自动化通过单片机微处理器处理，可以大大的简化电路
14、的复杂度，同时也大大的减小了测量过程的复杂度。通过向单片机烧写程序可以最大的通过软件程序完成硬件的功能和人工操作。比如在测量信号的脉冲数量时，当测量数量过多时，这时就不需要人手工去换档，软件会自动换档，测量出脉冲的个数。计数时也不需要人工的复杂操作，只要选择完成的功能键，软件就会控制电子计数器完成相应的功能。8、智能电子计数器存在的关键问题及解决方案关键问题：1）、计数脉冲会出现+1的计数误差。2）、测量信号周期过大和信号频率过高的限制。3）、单片机的最高主频12MHz，机器周期1微秒，定时精度1微秒， 外部脉冲频率上限1MHz，并且带负载能力4/8个TTL负载。解决方案：本设计的实现方案：采
15、用多周期测量的法可解决上述2中的问题；采用同步测量的方法消除1中的影响；通过分频电路可使脉冲的频率更低满足单片机的可接受外部脉冲频率上限。由于本设计的智能电子计数器的测量范围不是很高，本方案完全可能满足要求。备选方案：当测量脉冲的频率过高时，这时这种方案就会存在不足了，这主要是单片机工作频率有关，它不能响应很高的脉冲信号，这时我们可以多周期测量法和同步电路配合高速计数器就可以脱离单片机的外部响应频率低的限制，直接通过高速计数器将计数值送给单片机的接口进行读取，回避了用外部触发脉冲计数。9、功能模块电路的设计1）、通道的设计仪器有1、2n个输入通道，都由阻抗变换器，宽带放大器和整形电路组成，其作用是将输入信号放大、整形、变换成TTL电平的方波，作为控制电路的输入信号。当然本方案中只是为了测量标准的信号和较低频率的信号，没有涉及到高速信号，所以阻抗变器在本方案中没有给出。本方案中，只是为各种信号提供了可扩展的接口，其主要是针对一般的标准信号和频率不是很高的脉冲信号，没有设计相关的传感器电路，这些电路我们可以以子板的形式给出，因为我们在前级给出了备用的可控模拟开关，这样可以提高仪器的通用性。（1）芯片选型OPA699选型说明：OPA699是一个高近线性限幅放大器，快速的过载
