第四章 電子計(jì)數(shù)器 電子測量儀器 第四章 電子計(jì)數(shù)器 概 述 電子計(jì)數(shù)器的分類 電子計(jì)數(shù)器的主要技術(shù)指標(biāo) 電子計(jì)數(shù)器的工作原理 電子計(jì)數(shù)器的測頻原理 電子計(jì)數(shù)器的測周原理 電子計(jì)數(shù)器的測時(shí)間間隔 電子計(jì)數(shù)器的控制邏輯 電子計(jì)數(shù)器的使用方法 第四章 電子計(jì)數(shù)器 本章要點(diǎn) 電子計(jì)數(shù)器測頻的工作原理、組成框圖和誤差分析 電子計(jì)數(shù)器測周的工作原理、組成框圖 電子計(jì)數(shù)器測時(shí)間間隔的工作原理、組成框圖 電子計(jì)數(shù)器的控制邏輯 本章難點(diǎn) 掌握數(shù)字測頻的基本工作原理，電子計(jì)數(shù)器的組成框圖和各點(diǎn)波形 熟悉量化誤差的特點(diǎn)，理解減小量化誤差的技術(shù)途徑 掌握電子計(jì)數(shù)器測周的原理框圖 第四章 電子計(jì)數(shù)器 概 述 點(diǎn)子計(jì)數(shù)器是一種最常見、最基本的數(shù)字儀器。它可以測出一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)目，并將結(jié)果以數(shù)字形式顯示。因這種儀器直接測得的是一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，所以早期多用于測量頻率，稱其為數(shù)字式頻率計(jì)。但是，隨著它的廣泛應(yīng)用和性能的不斷改善，其功能也大大拓寬了。目前均普遍使用電子計(jì)數(shù)器這一名稱。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 電子計(jì)數(shù)器的分類 電子計(jì)數(shù)器是一種多功能的儀器，按其測試功能 可以分為下列幾種。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 電子計(jì)數(shù)器的主要技術(shù)指標(biāo) 第四章 電子計(jì)數(shù)器 電子計(jì)數(shù)器的工作原理 電子計(jì)數(shù)器的測頻原理 根據(jù)頻率的定義，一個(gè)周期性過程的頻率，就是在單位時(shí)間內(nèi)，這個(gè)過程的重復(fù)次數(shù)。因此，只要在一個(gè)特定的時(shí)間間隔 出這個(gè)過程的周期數(shù) N，即 電子計(jì)數(shù)器測頻是嚴(yán)格按照頻率的定義進(jìn)行的。它在某個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔 出被測信號(hào)的重復(fù)次數(shù) N，然后由公式計(jì)算出頻率。測量的原理框圖如圖 第四章 電子計(jì)數(shù)器 第四章 電子計(jì)數(shù)器 被測信號(hào)經(jīng)過放大整形電路變成一個(gè)脈沖列，每一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)振蕩周期。這個(gè)脈沖列通過一個(gè)閘門。而這個(gè)閘門只在一段時(shí)間間隔 脈沖通過。其余的時(shí)間閘門關(guān)閉，不讓脈沖通過。通過閘門的脈沖由十進(jìn)制電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果 閘門的開啟與閉合受石英晶體振蕩器（頻率為 制。經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆诸l（也可為倍頻）后，得到的脈沖， 脈沖構(gòu)成門控信號(hào)，使閘門在時(shí)間間隔 T= 第四章 電子計(jì)數(shù)器 （ 開啟。顯然，如果T=1s，則頻率 ； T=0N。再由譯碼顯示電路將測量結(jié)果顯示出來。選擇 示的數(shù)據(jù)位數(shù)則多，則頻率準(zhǔn)確度就高一些。圖 中整形輸出的脈沖信號(hào) 個(gè)周期產(chǎn)生一個(gè)脈沖。 主要單元電路的工作原理如下。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 第四章 電子計(jì)數(shù)器 （ 1）輸入單元電路 輸入單元電路通常由放大、整形電路構(gòu)成，它將輸入頻率為 形，變換成計(jì)數(shù)器能夠接受的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，并加到閘門電路的輸入端。 （ 2）時(shí)基 時(shí)基 頻器和時(shí)基選擇電路。用于產(chǎn)生準(zhǔn)確的時(shí)間間隔 體振蕩器輸出的頻率為 期為 正弦波，經(jīng)過分頻、整形得到周期為 Ts=脈沖觸發(fā)一個(gè)雙穩(wěn)（即門控）電路，從門控電路輸出端得到寬度為 第四章 電子計(jì)數(shù)器 （ 3）主門電路 在頻率計(jì)中，主門是實(shí)現(xiàn)量化的比較電路。有了主門才能進(jìn)行時(shí)間（或頻率）的量化比較，實(shí)現(xiàn)時(shí)間（或頻率）的數(shù)字轉(zhuǎn)換。通常用“與門”電路組成。 （ 4）計(jì)數(shù)顯示電路 計(jì)數(shù)顯示電路的任務(wù)是對(duì)來自主門的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果以數(shù)字顯示出來。計(jì)數(shù)顯示電路由計(jì)數(shù)器、寄存器、譯碼器和顯示器等電路組成。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 （ 5）邏輯控制電路 控制電路的作用是產(chǎn)生各種控制信號(hào)，進(jìn)而控制各單元電路，使其按一定的規(guī)律，有條不紊、互相協(xié)調(diào)的工作，以完成數(shù)字化測量工作。電子計(jì)數(shù)器在控制電路的統(tǒng)一指揮下，按照等待 計(jì)數(shù) 顯示 復(fù)零 等待 的工作程序依次反復(fù)循環(huán)，進(jìn)行測量工作。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 （ 1）測頻誤差產(chǎn)生的原因 閘門時(shí)間誤差 T 計(jì)數(shù)誤差 N （ 2）量化誤差（ 1誤差） （ 3）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差（時(shí)基誤差） 第四章 電子計(jì)數(shù)器 電子計(jì)數(shù)器的測周原理 第四章 電子計(jì)數(shù)器 測量周期時(shí)，被測信號(hào)經(jīng)過放大、整形后，轉(zhuǎn)換為同周期的脈沖信號(hào)。用此脈沖串的脈沖跳變沿去觸發(fā)門控雙穩(wěn)。門控雙穩(wěn)的輸出作為閘門的控制信號(hào)，使閘門僅在被測周期 振的輸出信號(hào)經(jīng)過整形后形成窄脈沖，再對(duì)其分頻或倍頻，得到一系列的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖，即為時(shí)標(biāo)信號(hào)。在閘門開啟的時(shí)間 標(biāo)信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器。令時(shí)標(biāo)信號(hào)周期為 期為 標(biāo)脈沖在主門開啟的時(shí)間進(jìn)入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器讀數(shù) N，被測周期為 中： N 通過主門的脈沖個(gè)數(shù)； 被測信號(hào)的周期； 標(biāo)準(zhǔn)晶振分頻后形成的時(shí)標(biāo)的周期。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 中： k 分頻系數(shù)； 標(biāo)準(zhǔn)晶振的振蕩頻率； 標(biāo)準(zhǔn)晶振分頻后的頻率； 標(biāo)準(zhǔn)晶振分頻后形成的時(shí)標(biāo)的周期。 由以上分析可知，計(jì)數(shù)器測周基本原理與測頻類似，也是用比較測量的方法，只不過它采用的時(shí)基和時(shí)標(biāo)信號(hào)均與測頻方法相反，它是用被測信號(hào)控制主門的開啟，用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的。其誤差分析也與測頻類似，亦存在量化誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差，這里不作分析，有興趣可自行探討。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 電子計(jì)數(shù)器的測時(shí)間間隔 時(shí)間間隔的測量和周期的測量，都屬于測量信號(hào)或信號(hào)間的長度，因此，測量方案基本相同。圖 周期測量的區(qū)別在于這里的門控雙穩(wěn)不再采用計(jì)數(shù)觸發(fā)方式，而是以要求測量時(shí)間間隔的兩個(gè)信號(hào)分別作為置 0、置 1的觸發(fā)信號(hào)。為此需要用通道電子計(jì)數(shù)器上 兩個(gè)輔助通道。對(duì)于電子計(jì)數(shù)器主機(jī)只有一個(gè)輔助通道的，在測量時(shí)間間隔時(shí)，需要再用一個(gè)測量時(shí)間間隔的插件同主機(jī)配合使用。其具體工作原理如下。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 輸入通道 將 ，將主門開啟，時(shí)標(biāo)脈沖通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。輸入通道 用 閉主門，結(jié)束計(jì)數(shù)。若計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為 N，時(shí)標(biāo)脈沖的周期為 式中： N 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值； 被測信號(hào)的時(shí)間間隔； 標(biāo)準(zhǔn)晶振分頻后形成的時(shí)標(biāo)周期 。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 第四章 電子計(jì)數(shù)器 式中： k 分頻系數(shù)； 標(biāo)準(zhǔn)晶振的振蕩周期。 為了增加測量的靈活性，在 B、 據(jù)所求的測量時(shí)間間隔所在點(diǎn)的信號(hào)極性和電平的特征來選擇觸發(fā)極性和觸發(fā)電平，就可以選取兩個(gè)輸入信號(hào)的上升沿和下降沿上的某電平點(diǎn)，作為時(shí)間間隔的起點(diǎn)和終點(diǎn)，控制主門的開關(guān)，因而可以測量兩輸入信號(hào)任意兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 相位差的測量一般指兩個(gè)同頻率的相位差的測量。相位差的測量是時(shí)間間隔測量的一個(gè)應(yīng)用例子，如圖 第四章 電子計(jì)數(shù)器 為了方便觀察，將被測信號(hào) 信號(hào)由負(fù)到正通過零點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖。因?yàn)檩斎?生兩個(gè)脈沖， 2，將 關(guān)門信號(hào)形成的時(shí)間間隔為 制主門的開啟與關(guān)閉。在開門時(shí)間 通道的周期為 通過計(jì)數(shù)器顯示出對(duì)應(yīng)的相位差的數(shù)值。 設(shè)時(shí)標(biāo)信號(hào)的周期為 ，則 式中： N 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值； 被測信號(hào)的周期； 標(biāo)準(zhǔn)晶振分頻后的時(shí)標(biāo)周期 第四章 電子計(jì)數(shù)器 電子計(jì)數(shù)器的控制邏輯 電子計(jì)數(shù)器的方框圖如圖 第四章 電子計(jì)數(shù)器 由圖可以看出，它是由輸入通道部分、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生部分、計(jì)數(shù)和顯示部分，門控部分四部分組成其中門控部分即控制部分，是電子計(jì)數(shù)器完成邏輯控制的指揮系統(tǒng)。在它的指揮下，整機(jī)各部分電路協(xié)調(diào)動(dòng)作，以完成數(shù)字化測量的工作。 電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行測量的工作程序可分為等待、計(jì)數(shù)、顯示和復(fù)零四個(gè)階段，并依次反復(fù)循環(huán)進(jìn)行，圖可以看出， t2 恢復(fù)到“ 0” 狀態(tài)的階段； 作為計(jì)數(shù)器和分頻器在撤除復(fù)原后的恢復(fù)時(shí)間，這樣才不致因復(fù)原脈沖撤除后立即計(jì)數(shù)可能引起的工作不正常。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 此時(shí)間內(nèi)，主控器穩(wěn)處于鎖閉狀態(tài)。 部分都處于等待狀態(tài)，等待下一次計(jì)數(shù)的進(jìn)行。 控制電路的簡化方框圖如圖 是由同步雙穩(wěn)觸發(fā)器、主控雙穩(wěn)觸發(fā)器、輔助雙穩(wěn)觸發(fā)器、記憶單穩(wěn)觸發(fā)器、記憶輸出電路、顯示延時(shí)電路、復(fù)原單穩(wěn)觸發(fā)器、復(fù)原輸出電路、閉鎖單穩(wěn)觸發(fā)器和控制門等組成。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 第四章 電子計(jì)數(shù)器 其工作原理現(xiàn)以測量頻率來說明。同步雙穩(wěn)觸發(fā)器的作用是保證閘門時(shí)間信號(hào)與同步信號(hào)的周期有相同的精度。測頻時(shí)，控制門的一端接正電位，故同步雙穩(wěn)觸發(fā)器的輸出脈沖能通過控制門 果第一個(gè)時(shí)鐘脈沖來到之前，主控雙穩(wěn)觸發(fā)器為“ 10” 狀態(tài)，則當(dāng)?shù)谝粋€(gè)鐘脈沖來到時(shí)，該脈沖的下降沿的微分脈沖通過負(fù)與門 01” 狀態(tài) (見圖 并送出門控脈沖使主門開啟。當(dāng)?shù)诙€(gè)時(shí)鐘脈沖來到時(shí)，其下降沿的微分脈沖經(jīng)負(fù)與門 01” 狀態(tài)；門控脈沖結(jié)束，主門關(guān)閉。在門控脈沖結(jié)束的同時(shí)，主控雙穩(wěn)觸發(fā)器的另一路輸出經(jīng)倒相后，去觸發(fā)輔助雙穩(wěn)觸發(fā)器，使其從“ 01” 狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到“ 10” 狀態(tài)。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 輔助雙穩(wěn)觸發(fā)器的輸出 負(fù)與門 而使主控雙穩(wěn)觸發(fā)器處于鎖閉狀態(tài)，同時(shí)， 去觸發(fā)記憶單穩(wěn)觸發(fā)器，使它向寄存器送出一個(gè)記憶指令脈沖，顯示時(shí)間由顯示延時(shí)電路來控制，顯示一段時(shí)間后，延時(shí)電路輸出一個(gè)脈沖信號(hào)觸發(fā)復(fù)原單穩(wěn)觸發(fā)器。它送出的復(fù)原脈沖使計(jì)數(shù)器和分頻器恢復(fù)到初始狀態(tài)。復(fù)原脈沖的后沿觸發(fā)閉鎖單穩(wěn)觸發(fā) 器，其輸出脈沖的后沿觸發(fā)輔助雙穩(wěn)觸發(fā)器，使其翻回“ 01” 狀態(tài)，從而對(duì)主控雙穩(wěn)觸發(fā)器解鎖。這時(shí)，控制電路又處于等待狀態(tài)，下一個(gè)時(shí)鐘脈沖來到時(shí)，又自動(dòng)重復(fù)以上過程。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 第四章 電子計(jì)數(shù)器 電子計(jì)數(shù)器的使用方法 電子計(jì)數(shù)器種類繁多，但使用方法大同小異?，F(xiàn)以 期測量、計(jì)數(shù)、 面板如圖 （ 1）測量數(shù)據(jù)顯示窗口 顯示測量的頻率、周期或計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)。 （ 2）指示顯示窗口 顯示被測信號(hào)的指數(shù)量級(jí)。 （ 3） 當(dāng)被測信號(hào)頻率大于 100此通道輸入。 (4) 當(dāng)被測信號(hào)頻率小于 100數(shù)測量時(shí)由此通道輸入 第四章 電子計(jì)數(shù)器 第四章 電子計(jì)數(shù)器 (5) 低通濾波器開關(guān) 按下此鍵可有效濾除低頻信號(hào)上混有的高頻成分。 (6) 衰減開關(guān) 按下此鍵，可衰減 0倍。 (7) 閘門選擇按鈕（ 100 按下此鈕，閘門時(shí)間為 100儀器具有 設(shè)置預(yù)置頻率 按鈕為向右移動(dòng)按鈕。 (8) 閘門選擇按鈕（ 10s） 按下此鈕，閘門時(shí)間為 10s。當(dāng)儀器具有 設(shè)置預(yù)置頻率 按鈕為數(shù)字遞減按鈕。 第四章 電子計(jì)數(shù)器 (9) 閘門選擇按鈕 (1s) 按下此鈕，閘門時(shí)間為 1s。當(dāng)儀器具有 設(shè)置預(yù)置頻率 按鈕為數(shù)字遞增按鈕。 (10) 閘門選擇按鈕 (10 按下此鈕，閘門時(shí)間為 10儀器具有 設(shè)置預(yù)置頻率 按鈕為向左移動(dòng)按鈕。 (11) 設(shè)置按鈕 當(dāng)儀器具有 此按鈕可對(duì)預(yù)置頻率置范圍為 1100機(jī)默認(rèn)的 2768 第四章 電子計(jì)數(shù)器 (12) 按此鈕，儀器進(jìn)入 量范圍為 +9999出范圍時(shí)顯示9999 (13) 計(jì)數(shù)按鈕 按此鈕，儀器進(jìn)入計(jì)數(shù)測量狀態(tài)，閘門燈亮。若 器開始計(jì)數(shù) ,再按