計數(shù)器工作原理

1、1 電子計數(shù)法測量頻率電子計數(shù)法測量頻率 1.1 電子計數(shù)法測頻原理電子計數(shù)法測頻原理1.基本原理基本原理根據(jù)頻率的定義，若某一信號在根據(jù)頻率的定義，若某一信號在T秒時間內重復變化了秒時間內重復變化了N次，則次，則該信號的頻率為：該信號的頻率為： TNfx門電路復習：門電路復習： 與門與門A A1/01/0B B1 1/ /0 0c c1/01/0同理同理“或或”門、與非、或非門等也有類似功能。門、與非、或非門等也有類似功能。A A0 00 01 11 1B B0 01 10 01 1C C0 00 00 01 1由圖可見：由圖可見：TNTx因此因此TNfx實現(xiàn)了測頻實現(xiàn)了測頻原理原理：“定時

2、計數(shù)定時計數(shù)”實質實質：比較法比較法 測頻的原理測頻的原理與與門門A AB BT T1s1sT TN NT Tx xC C1s1s重點掌握2組成框圖組成框圖 下圖是計數(shù)式頻率計測頻的框圖。它主要由下列四部分組成。下圖是計數(shù)式頻率計測頻的框圖。它主要由下列四部分組成。t t0 0B BC C0 00 0t tt tT TT Tx xDDE E0 0t tT Tx xN N0 0A At tT Tx x 時基電路時基電路計數(shù)計數(shù)一一 輸入電路輸入電路 分分 頻頻 顯示顯示 晶晶 振振 門門 控控 主主門門控制電路控制電路 A AB BC CD DE E1)時基（時基（T）電路）電路兩個兩個特點特點

3、：(1)標準性標準性 閘門時間準確度應比被測頻率高一數(shù)量級以上，故閘門時間準確度應比被測頻率高一數(shù)量級以上，故通常通常晶振晶振頻率穩(wěn)定度要求達頻率穩(wěn)定度要求達10-610-10。（。（恒溫糟恒溫糟）(2)多值性多值性 閘門時間閘門時間T不一定為不一定為1秒，應讓用戶根據(jù)測頻精度和秒，應讓用戶根據(jù)測頻精度和速度的不同要求自由選擇。例如：速度的不同要求自由選擇。例如： 1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10 ms 0.1s、 1s、 10s 等。等。 門控（雙穩(wěn)）電路：門控（雙穩(wěn)）電路： TT2)輸入電路輸入電路 由放大整形電路和主門電路組成。由放大整形電路和主門電路組成

4、。 被測輸入周期信號（頻率為被測輸入周期信號（頻率為fx，周期為周期為Tx）經放大、整形、微分）經放大、整形、微分得周期得周期Tx的窄脈沖，送主門的一的窄脈沖，送主門的一個輸入端。個輸入端。 輸入電路工作波形圖輸入電路工作波形圖u us st tt tt tt t0 00 00 00 0A A輸入輸入( (T T0 0或或F Fx x ) )放大放大整形整形微分微分3)計數(shù)顯示電路計數(shù)顯示電路 這部分電路的作用，簡單地說，就是這部分電路的作用，簡單地說，就是計數(shù)被測周期信號重復的次數(shù)，顯示計數(shù)被測周期信號重復的次數(shù)，顯示被測信號的頻率。它一般由計數(shù)電路、被測信號的頻率。它一般由計數(shù)電路、邏輯控

5、制電路、譯碼器和顯示器組成。邏輯控制電路、譯碼器和顯示器組成。 4)控制電路控制電路 控制電路的作用是產生各種控制信號，控制電路的作用是產生各種控制信號，去控制各電路單元的工作，使整機按去控制各電路單元的工作，使整機按一定的工作程序完成自動測量的任務。一定的工作程序完成自動測量的任務。在控制電路的統(tǒng)一指揮下，電子計數(shù)在控制電路的統(tǒng)一指揮下，電子計數(shù)器的工作按照器的工作按照“復零一測量復零一測量顯示顯示”的的程序自動地進行，其工作流程如右圖程序自動地進行，其工作流程如右圖所示。所示。 準備準備期期（復零，等待）（復零，等待）顯示顯示期期（關門，停止計數(shù)）（關門，停止計數(shù)）測量測量期期（開門，計數(shù)

6、）（開門，計數(shù)）電子計數(shù)器的工作流程圖電子計數(shù)器的工作流程圖1.2 誤差分析計算誤差分析計算誤差傳遞公式誤差傳遞公式jmjjxxfy1可對式可對式 TNfx求得求得 TTNNffxx計數(shù)誤差時基誤差1.量化誤差量化誤差計數(shù)誤差、計數(shù)誤差、1誤差誤差在測頻時，在測頻時，主門的開啟時刻與計數(shù)脈沖之間的時間關系是不相主門的開啟時刻與計數(shù)脈沖之間的時間關系是不相關的，即是說它們在時間軸上的相對位置是隨機的。關的，即是說它們在時間軸上的相對位置是隨機的。這樣，既這樣，既便在相同的主門開啟時間便在相同的主門開啟時間T，計數(shù)器所計得的數(shù)卻不一定相同。，計數(shù)器所計得的數(shù)卻不一定相同?？赡芏嗫赡芏?個或少個或少

7、1個的個的1誤差，這是頻率量化時帶來的誤差故誤差，這是頻率量化時帶來的誤差故稱量化誤差，又稱脈沖稱量化誤差，又稱脈沖計數(shù)誤差或計數(shù)誤差或1誤差誤差。 TfNNNx11NN= =1 1 N=f N=fx xT T量化誤差量化誤差3 3 4 46 6 7 75 52 21 18 83 3 4 46 6 7 75 52 21 18 8 T T( (a a) )(1)(1)(2)(2)黑門進8個脈沖紅門進7個脈沖誤差合成定理誤差合成定理2.閘門時間誤差（時基誤差、標準時間誤差）閘門時間誤差（時基誤差、標準時間誤差） TTNNffxxccfdfTdT 閘門時間不準，造成主門啟閉時間或長或短，顯然要產生測

8、閘門時間不準，造成主門啟閉時間或長或短，顯然要產生測 頻誤差。閘門信號頻誤差。閘門信號T是由晶振信號分頻而得。設晶振頻率為是由晶振信號分頻而得。設晶振頻率為fc（周期為（周期為Tc），則有），則有 ccfTTf =110-7110-10 石英晶體性能和切割方式石英晶體性能和切割方式-生產廠生產廠 石英振蕩器的輸出石英振蕩器的輸出頻率準確度決定頻率準確度決定 溫度的影響溫度的影響-單、雙層恒溫糟單、雙層恒溫糟 振蕩電路的質量振蕩電路的質量-電路優(yōu)化設計電路優(yōu)化設計 1.3 結論結論1.計數(shù)器直接測頻的誤差計數(shù)器直接測頻的誤差主要有兩項主要有兩項 即即1誤差和標準頻率誤誤差和標準頻率誤差一般總誤差

9、可采用分項差一般總誤差可采用分項誤差絕對值合成，即誤差絕對值合成，即 )1(ccxxxffTfff2.測量低頻時，由于測量低頻時，由于1誤誤差產生的測頻誤差大得驚人差產生的測頻誤差大得驚人例如，例如，fx= 10Hz，T=1s，則由，則由1誤差引起的測頻誤差可達誤差引起的測頻誤差可達10，所以，測量低頻時不宜采用直接測頻方法。所以，測量低頻時不宜采用直接測頻方法。2 電子計數(shù)法測量時間電子計數(shù)法測量時間本節(jié)介紹時間量的測量主要是指與頻率對應的周期、相位及時本節(jié)介紹時間量的測量主要是指與頻率對應的周期、相位及時間間隔等時間參數(shù)，重點討論周期的測量。間間隔等時間參數(shù)，重點討論周期的測量。 2.1

10、電子計數(shù)法測量周期的原理電子計數(shù)法測量周期的原理 t t0 0B BC C0 00 0t tt tT Tx xT Tx xDDE E0 0t tT Tc cT Tc cN NT Tx xT Tx x由右圖可得由右圖可得ccxfNNTT輸入電路輸入電路A A 分分 頻頻 門門 控控 主主門門倍倍 頻頻 晶晶 振振 輸入電路輸入電路B B T Tx xu ux xB BC CDDE E2.2 電子計數(shù)器測量周期的誤差分析電子計數(shù)器測量周期的誤差分析1.量化誤差和基準頻率誤差量化誤差和基準頻率誤差與分析電子計數(shù)器測頻時的誤差類似，這里與分析電子計數(shù)器測頻時的誤差類似，這里 cxNTT ，根據(jù)，根據(jù)誤

11、差傳遞公式可得誤差傳遞公式可得 ccxxTTNNTT根據(jù)上圖所示的測周原理，可得根據(jù)上圖所示的測周原理，可得 ,cxcxfTTTN而而N=1 cccxcccxxxfffTTTfTTT112.觸發(fā)轉換誤差觸發(fā)轉換誤差測周時，還有一項觸發(fā)轉換誤差必須考慮。測周時，還有一項觸發(fā)轉換誤差必須考慮。 3 3 中界頻率中界頻率研究研究量化誤差（量化誤差（1誤差）對測頻和測周的影響誤差）對測頻和測周的影響。測頻、測周誤差相等的頻率稱為中界頻率。測頻、測周誤差相等的頻率稱為中界頻率。將兩個將兩個量化誤差表達式聯(lián)立可得量化誤差表達式聯(lián)立可得 式中，式中， Mf為中界頻率，為中界頻率， cf為標準頻率，為標準頻率

12、，T為閘門時間。為閘門時間。 MxxfTf1TffcM令令 則則 xxxxTTffcxxfTTf11因因 故故 圖中給出了不同閘門時間：圖中給出了不同閘門時間：0.1s、1s、10s和不同標準頻和不同標準頻率：率：10MHz、100MHz、1000MHz三種情況的交叉曲線。現(xiàn)以三種情況的交叉曲線?，F(xiàn)以T=1s， cf=100MHz為例，可查知為例，可查知 Mf=10kHz。 100MHz100MHz測頻量化誤差與測周量化誤差測頻量化誤差與測周量化誤差1Hz1Hz1KHz1KHz1MHz1MHz1010-8-81010-7-71010-6-61010-5-51010-4-41010-3-31010-2-21010-1-11 110S10ST=1ST=1S0.1S0.1Sf fc c=10MHz=10MHzf fc c=1GHz=1GHzf fc c=100MH=100MHz z測頻的量化誤差測頻的量化誤差測周的量化誤差測周的量化誤差Mff f100MHz100MHz因此，當因