智能型電子計數(shù)器

智能型電子計數(shù)器第一頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.1電子計數(shù)器的主要技術性能6.1.1電子計數(shù)器的分類根據(jù)儀器所具有的功能，電子計數(shù)器有通用計數(shù)器和專用計數(shù)器之分。通用計數(shù)器是一種具有多種測量功能、多種用途的電子計數(shù)器。它可以測量頻率、周期、時間間隔、頻率比、累加計數(shù)、計時等；配上相應的插件，還可以測量相位、電壓等。一般我們把凡具有測頻和測周兩種以上功能的電子計數(shù)器都歸類為通用計數(shù)器。

第二頁，共八十六頁，2022年，8月28日專用計數(shù)器是指專門用于測量某種單一功能的電子計數(shù)器。例如，專門用于測量高頻和微波頻率的頻率計數(shù)器、用以測量時間為基礎的時間計數(shù)器和具有某種特殊功能的特種計數(shù)器。時間計數(shù)器測時分辨率很高，可達到ns量級；特種計數(shù)器如可逆計數(shù)器、預置計數(shù)器、差值計數(shù)器等，主要用于工業(yè)自動化方面。智能型電子計數(shù)器是指采用了計算機技術的電子計數(shù)器。由于智能型電子計數(shù)器的一切“動作”都是在微處理器的控制下進行的，因而可以很方便地采用許多新的測量技術，并能對測量結果進行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析等，從而使電子計數(shù)器的面貌發(fā)生了重大的變化。

第三頁，共八十六頁，2022年，8月28日電子計數(shù)器的主要技術性能

1)測試功能電子計數(shù)器所具備的測試功能一般包括測量頻率、周期、頻率比、時間間隔、累加計數(shù)和自校等。

2)測量范圍電子計數(shù)器的有效測量范圍是相對于測量功能而言的，不同的測量功能其測量范圍的含義也不同。如測量頻率時是指頻率的上、下限；測量周期時是指周期（時間單位）的最大、最小值。

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3)輸入特性一般情況下，當儀器有2～3個輸入通道時，需分別給出各個通道的特性，主要有：（1）輸入靈敏度：指儀器正常工作所需輸入的最小電壓。（2）輸入耦合方式：主要有AC（交流）耦合和DC（直流）耦合兩種。AC耦合時，被測信號經(jīng)隔直電容輸入；DC耦合時，被測信號直接輸入，在低頻及脈沖信號輸入時宜采用這種耦合。

第五頁，共八十六頁，2022年，8月28日（3）輸入阻抗：包括輸入電阻和輸入電容，并有高阻抗（例如1MΩ//25pF）和低阻抗（例如50Ω）之分。前者多用于頻率不太高的場合，以減小對信號源的負載影響；后者多用于頻率較高的場合，以滿足匹配要求。（4）最大輸入電壓：允許的最大輸入電壓。超過最大輸入電壓后，儀器不能保證正常工作，

甚至會被損壞。

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4)測量準確度測量準確度常用測量誤差來表示，主要由時基誤差和計數(shù)誤差決定。時基誤差由晶體振蕩器的穩(wěn)定度確定，電子計數(shù)器通常給出晶體振蕩器的標準頻率及其頻率穩(wěn)定度；計數(shù)誤差主要指量化誤差。關于計數(shù)器的測量誤差將在本章后面討論。

5)閘門時間和時標由儀器內(nèi)部標準時間信號源提供的標準時間信號包括閘門時間信號和時標信號，可以有多種選擇。

第七頁，共八十六頁，2022年，8月28日

6)顯示及工作方式（1）顯示位數(shù)：儀器可顯示的數(shù)字位數(shù)。（2）顯示時間：儀器一次測量結束后顯示測量結果的持續(xù)時間。一般可以調(diào)節(jié)。（3）顯示方式：通常有記憶和不記憶兩種方式。前者只顯示最終計數(shù)的結果，后者則顯示正在計數(shù)的過程。有的計數(shù)器只有記憶顯示方式。（4）

顯示器件：

儀器所采用的顯示儀器類型。

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7)輸出這里指的是儀器可輸出的標準時間（頻率）信號的種類、輸出數(shù)據(jù)的編碼方式及輸出電平的高低等。

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6-1通用計數(shù)器基本組成方框圖第十頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.2通用電子計數(shù)器的基本組成

基本組成

1.A、B輸入通道輸入通道的作用是將被測信號進行放大、整形，使其變換為標準脈沖。輸入通道部分包括A、B兩個通道，它們均由衰減器、放大器和整形電路等組成。凡是需要計數(shù)的外加信號（例如測頻信號），均由A輸入通道輸入，經(jīng)過A通道適當?shù)乃p、放大整形之后，變成符合主門要求的脈沖信號。而B輸入通道的輸出與一個門控雙穩(wěn)相連，如果需要測量周期，則被測信號就要經(jīng)過B輸入通道輸入，作為門控雙穩(wěn)的觸發(fā)信號。

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2.主門主門又稱閘門，它是用于實現(xiàn)量化的比較電路，它可以控制計數(shù)脈沖信號能否進入計數(shù)器。主門電路是一個雙輸入端邏輯與門，如圖6-2所示。它的一個輸入端接受來自控制單元中門控雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的門控信號，另一個輸入端則接受計數(shù)(脈沖)信號。在門控信號作用有效期間，允許計數(shù)(脈沖)通過主門進入計數(shù)器計數(shù)。

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6-2主門電路

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3.計數(shù)、顯示單元計數(shù)與顯示電路是用于對來自主門的脈沖信號進行計數(shù)，并將計數(shù)的結果以數(shù)字的形式顯示出來。為了便于讀數(shù)，計數(shù)器通常采用十進制計數(shù)電路。帶有微處理器的儀器也可用二進制計數(shù)器計數(shù)，然后轉換成十進制并譯碼后再進入顯示器。

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4.時基單元時基電路主要由晶體振蕩器、分頻及倍頻器組成。時基電路主要用于產(chǎn)生各種標準時間信號。標準時間信號有兩類，一類時間較長的稱為閘門（時間）信號，通常根據(jù)分頻級數(shù)的不同有多種選擇；另一類時間較短的稱為時標信號。時標信號可以是單一的，

也可以有多種選擇。

第十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日由于電子計數(shù)器類儀器是基于被測信號的時間與標準時間進行比較而進行測量的，其測量精度與標準時間有直接關系，因而要求時基電路具有高穩(wěn)定性和多值性。為了使時基電路具有足夠高的穩(wěn)定性，時基信號源采用了晶體振蕩器。在一些精度要求更高的通用計數(shù)器中，為使精度不受環(huán)境溫度的影響，還對晶體振蕩器采取了恒溫措施。為了實現(xiàn)多值性，在高穩(wěn)定晶體振蕩器的基礎上，又采用了多級倍頻和多級分頻器。電子計數(shù)器共需時標和閘門時間兩套時間標準，它們由同一晶體振蕩器和一系列十進制倍頻和分頻來產(chǎn)生。例如圖6-1中，1MHz晶體振蕩器經(jīng)各級倍頻及前幾級分頻器得到10ns、0.1μs、1μs、10μs、0.1ms和1ms六種時標信號；若再經(jīng)后幾級分頻器可進一步得到1ms、10ms、100ms、1s和10s五種閘門時間信號。

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5.控制單元控制電路的作用是產(chǎn)生門控信號（Q）、寄存信號（M）和復零信號（R）三種控制信號，使儀器的各部分電路按照準備→測量→顯示的流程有條不紊地自動進行測量工作?？刂茊卧邪ㄇ笆龅拈T控雙穩(wěn)態(tài)電路，它輸出的門控信號用于控制主門的開閉，在觸發(fā)脈沖作用下雙穩(wěn)態(tài)電路發(fā)生翻轉。通常以一個輸入脈沖開啟主門，另一路輸入脈沖信號使門控雙穩(wěn)復原，關閉主門。

第十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日控制電路的工作過程在測頻功能下控制電路的工作過程為：在準備期，計數(shù)器復零，門控雙穩(wěn)復零，閉鎖雙穩(wěn)置“1”，門控雙穩(wěn)解鎖（即J1為1），處于等待一個時標信號觸發(fā)的狀態(tài)。在第一個時標信號的作用下，門控雙穩(wěn)翻轉（Q1為1），使主門（閘門）打開，被測信號通過主門進入計數(shù)器計數(shù)，儀器進入測量狀態(tài)；當?shù)诙€時標信號到來時，門控雙穩(wěn)再次翻轉使主門關閉，于是測量期結束而進入顯示期；在顯示期，門控雙穩(wěn)在翻轉的同時也使閉鎖雙穩(wěn)翻轉（Q2為0）。閉鎖雙穩(wěn)的翻轉一方面使門控雙穩(wěn)閉鎖（J1為0），避免了在顯示期門控雙穩(wěn)被下一個時標信號觸發(fā)翻轉；

第十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日另一方面也通過寄存單穩(wěn)產(chǎn)生寄存信號M，將計數(shù)結果送入寄存器寄存并譯碼驅動顯示器顯示。為了使顯示的讀數(shù)保持一定的時間，顯示單穩(wěn)產(chǎn)生了用于顯示時間的延時信號。顯示延時結束時，又驅動復零單穩(wěn)電路產(chǎn)生計數(shù)器復零信號R和解鎖信號，使儀器又恢復到準備期的狀態(tài)，于是上述過程又將自動重復。通用計數(shù)器控制部分電路控制信號的時間波形圖如圖6-3所示。從以上過程可以看出，控制電路是整個儀器的指揮中心。

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6-3控制信號的時間波形圖

第二十頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.2.3通用電子計數(shù)器的基本功能圖6-1所示的通用電子計數(shù)器共含有五個基本功能，它是通過功能開關進行選擇的。當功能開關置于位置“2”時，儀器處于頻率測量功能，此時被測信號從A端輸入。當功能開關置于位置“3”時，儀器處于周期測量功能，此時被測信號從B端輸入。當功能開關置于位置“4”時，儀器處于A信號與B信號的頻率比(fA/fB)測量功能。

第二十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日當功能開關置于位置“5”時，儀器處于累加計數(shù)功能。累加計數(shù)是在一定的人工控制的時間內(nèi)記錄A信號的脈沖個數(shù)，其人工控制的時間通過操作開關S來實現(xiàn)（圖中未畫出）。當功能開關置于位置“1”時，儀器處于自校功能。從電路的連接可以看出其電路連接如同頻率測量電路，所不同的是在自校功能下被測信號是機內(nèi)時標信號，因而其計數(shù)與顯示的結果應是已知的。若顯示的結果與應顯示的結果不一致，則說明儀器工作不正常。

第二十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.3通用電子計數(shù)器的測量原理

6.3.1測量頻率頻率定義為一個周期性過程在單位時間內(nèi)重復的次數(shù)。只要在一定的時間間隔T內(nèi)測出這個過程的周期數(shù)N，即可按下式求出頻率:

(6-1)第二十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖6-4為傳統(tǒng)的頻率測量原理框圖。頻率為fx的被測信號，由A端輸入，經(jīng)A通道放大整形后輸往主門（閘門）。晶體振蕩器（簡稱晶振）產(chǎn)生頻率準確度和穩(wěn)定度都非常高的振蕩信號，經(jīng)一系列分頻器逐級分頻之后，可獲得各種標準時間脈沖信號（簡稱時標）。通過閘門時間選擇開關將所選時標信號加到門控雙穩(wěn)，再經(jīng)門控雙穩(wěn)形成控制主門啟、閉作用的時間T（稱閘門時間），則在所選閘門時間T內(nèi)主門開啟，被測信號通過主門進入計數(shù)器計數(shù)。若計數(shù)器計數(shù)值為N，則被測信號的頻率fx=N/T。第二十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖6-4頻率測量原理框圖第二十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日儀器閘門時間T的選擇一般都設計為10ns（n為整數(shù)），并且閘門時間的改變與顯示屏上小數(shù)點位置的移動同步進行，故使用者無須對計數(shù)結果進行換算，即可直接讀出測量結果。例如,被測信號頻率為100kHz，閘門時間選1s時，N=100000，顯示為100.00kHz；若閘門時間選100ms，則N=10000，顯示為100.00kHz。測量同一個信號頻率時，閘門時間增加，測量結果不變，但有效數(shù)字位數(shù)增加，提高了測量精確度。

第二十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.3.2測量周期周期是頻率的倒數(shù)，因此，測量周期時可以把測量頻率時的計數(shù)信號和門控信號的來源相對換來實現(xiàn)。圖6-5為傳統(tǒng)的周期測量原理圖。周期為Tx的被測信號由B通道進入，經(jīng)B通道處理后，再經(jīng)門控雙穩(wěn)輸出作為主門啟閉的控制信號，使主門僅在被測周期Tx時間內(nèi)開啟。晶體振蕩器輸出的信號經(jīng)倍頻和分頻得到了一系列的時標信號，通過時標選擇開關，所選時標經(jīng)A通道送往主門。在主門的開啟時間內(nèi)，時標進入計數(shù)器計數(shù)。若所選時標為T0，計數(shù)器計數(shù)值為N，則被測信號的周期為

Tx=NT0（6-2）

第二十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖

6-5周期測量原理圖

第二十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日由于T0（f0）為常數(shù)，因此Tx正比于N。T0通常設計為10ns(n為整數(shù))，配合顯示屏上小數(shù)點的自動定位，可直接讀出測量結果。例如,某通用計數(shù)器時標信號T0＝0.1μs(f0=10MHz),測量周期Tx為1ms的信號，得到N=Tx/T0=10000，則顯示結果為1000.0μs。如果被測周期較短，為了提高測量精確度，還可采用多周期法（又稱周期倍乘），即在B通道和門控雙穩(wěn)之間加設幾級十進分頻器（設分頻系數(shù)為Kf），這樣使被測周期得到倍乘即主門的開啟時間擴展Kf倍。若周期倍乘開關Kf選為×10n，則計數(shù)器所計脈沖個數(shù)將擴展10n倍，所以被測信號的周期應為

（6-3）

第二十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日周期倍乘率（Kf）的改變與顯示屏上小數(shù)點位置的移動同步進行，故使用者無須對計數(shù)結果進行換算，即可直接讀出測量結果。例如,前例中若采用多周期法，設周期倍乘率選102，則計數(shù)結果N′為1000000，顯示結果為1000.000μs。測量結果不變，但有效數(shù)字位數(shù)增加了，

測量精確度提高了。

第三十頁，共八十六頁，2022年，8月28日

測量頻率比

圖

6-6測量頻率比的原理框圖

第三十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日當fA>fB時,被測信號fB由B通道輸入，經(jīng)（放大）整形后控制主門的啟閉，門控信號的脈寬等于B通道輸入信號的周期；而被測信號fA由A通道輸入，經(jīng)（放大）整形后作為計數(shù)脈沖，

在主門開啟時送至計數(shù)器計數(shù)。

計數(shù)結果為

（6-4）

為了提高測量精確度，也可采用類似多周期的測量方法，即在B通道后加設分頻器，對fB進行Kf次分頻，使主門開啟的時間擴展Kf倍，

于是

(6-5)

第三十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.3.4測量時間間隔測量時間間隔的原理框圖如圖6-7所示。

圖

6-7測量時間間隔的原理框圖

第三十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日測量時間間隔時，利用A、B輸入通道分別控制門控電路的啟動和復原。在測量兩個輸入脈沖信號u1和u2之間的時間間隔（雙線輸入）時，將工作開關S置“分”位置，把時間超前的信號加至A通道，用于啟動門控電路;另一個信號加至B通道，用于使門控電路復原。測量時，A通道的輸出脈沖較早出現(xiàn)，觸發(fā)門控雙穩(wěn)開啟主門，開始對時標信號T0（D處信號）計數(shù);較遲出現(xiàn)的B通道的輸出脈沖使門控電路復原，關閉主門，停止對T0計數(shù)，有關波形如圖6-8所示。主門開啟期間計數(shù)器的計數(shù)結果N與兩脈沖信號間的時間間隔td的關系為

td=NT0

（6-6）

第三十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖

6-8測量時間間隔的波形圖

第三十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日為了適應測量的需要，在A、B通道內(nèi)分別設置有斜率（極性）選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)功能。根據(jù)所要測量的時間間隔所在點的信號極性和電平的特征來選擇觸發(fā)極性和觸發(fā)電平，就可以在被測時間間隔的起點和終點所對應的時刻決定主門的啟閉。當需要測量一個脈沖信號內(nèi)的時間間隔時，將工作開關S置“合”的位置，兩通道輸入并聯(lián)，被測信號由此公共輸入端輸入。調(diào)節(jié)兩個通道的觸發(fā)極性和觸發(fā)電平，可測量脈沖信號的脈沖寬度、

前沿、

休止期等參數(shù)。

第三十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日如要測量某正脈沖的脈寬，將A通道觸發(fā)極性選擇為“＋”，B通道觸發(fā)極性選擇為“-”，調(diào)節(jié)兩通道觸發(fā)電平均為脈沖幅度的50％，則計數(shù)結果即為脈寬值。若A、B通道的觸發(fā)極性分別改選為“-”和“＋”，則可測得脈沖休止期時間。如果要測量正脈沖的前沿，則將兩通道的極性均選擇為“＋”，調(diào)節(jié)A通道的觸發(fā)電平到脈沖幅度的10％處，調(diào)節(jié)B通道的觸發(fā)電平到脈沖幅度的90％處，則計數(shù)結果即為該脈沖的前沿值。上述控制門控電路啟動和復原的兩個輸入通道可以是圍繞圖6-7所述的測量過程中的兩個輸入通道，有的計數(shù)器也另外增設輔助輸入通道。

第三十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日累加計數(shù)累加計數(shù)是指在給定的時間內(nèi)，對輸入的脈沖個數(shù)進行累計。累加計數(shù)的原理框圖如圖6-9所示。

圖

6-9累加計數(shù)的原理框圖

第三十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.3.6自校在正式測量前，為了檢驗儀器工作是否正常，一般智能型電子計數(shù)器都設有自校功能。

自校的原理框圖如圖6-10所示。

圖

6-10自校的原理框圖

第三十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日自校時，晶體振蕩器經(jīng)過倍頻器（倍頻系數(shù)m）輸出的標準時間信號，即時標信號T0′，被用作通過主門到達計數(shù)器的計數(shù)信號；晶體振蕩器經(jīng)過分頻電路（分頻系數(shù)Kf）輸出的標準時間信號，即閘門時間信號T，被用作門控電路的觸發(fā)信號。此時,計數(shù)器的計數(shù)結果取決于所選的時標信號和閘門時間信號，即倍頻系數(shù)m和分頻系數(shù)Kf，則有如下公式：（6-7）

操作人員可根據(jù)上式對儀器實現(xiàn)自校。

第四十頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.3.7通用計數(shù)器測量誤差的類型

1.最大計數(shù)誤差（±1誤差）通用計數(shù)器各測量功能在計數(shù)時，如果主門的開啟時刻與計數(shù)脈沖的時間關系是不相關的，那么，同一信號在相同的主門開啟時間內(nèi)兩次測量所記錄的脈沖數(shù)N可能是不一樣的（參見圖6-11）。其結果可能為N，也可能為N+1或者是N-1。由此可見，最大計數(shù)誤差為ΔN=±1，該項誤差將使儀器最后的顯示結果會有一個字的閃動。

（6-8）

第四十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖

6-11±1誤差示意圖

第四十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日很顯然，在測頻、測周、測fA/fB等功能中，主門開啟信號與通過主門被計數(shù)信號的時間關系不相關，都存在該項誤差。但在自校功能中，時標信號和閘門時間信號來自同一信號源，應不存在±1誤差。最大計數(shù)誤差的特點是：不管計數(shù)N是多大，ΔN的最大值都為±1。因此，為了減少最大計數(shù)誤差對測量精度的影響，在儀器使用中所采取的技術措施是：盡量使計數(shù)值N大，使ΔN/N誤差相應減少。例如在測頻時，應盡量選用大的閘門時間;在測周時，應盡量選用小的時標信號，必要時使用周期倍乘率開關，進行多周期平均測量。第四十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日

2.標準頻率誤差標準頻率誤差在測頻時取決于閘門時間的準確度，在測周時取決于時標的準確度。由于閘門時間和時標均由晶體振蕩器多次倍頻或分頻獲得，因此，通用計數(shù)器有關功能的標準頻率誤差就是指通用計數(shù)器內(nèi)（或外部接入）的晶體振蕩器的準確度Δf0/f0。凡是使用時標和閘門時間標準信號的功能都存在此項誤差，例如測頻、測周、測時間間隔等。而測fA/fB、累加計數(shù)等功能中不存在該項誤差。

第四十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日為了使標準頻率誤差對測量結果產(chǎn)生的影響足夠小，應認真選擇晶振的準確度。一般說來，通用計數(shù)器顯示器的位數(shù)愈多，所選擇的內(nèi)部晶振準確度就應愈高。例如，7位數(shù)字的通用計數(shù)器一般采用準確度優(yōu)于10-7數(shù)量級的晶體振蕩器。這樣，在任何測量條件下，由標準頻率誤差引起的測量誤差，

都不大于±1誤差所引起的測量誤差。

第四十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日

3.觸發(fā)誤差當進行周期等功能的測量時，門控雙穩(wěn)的門控信號由通過B通道的被測信號所控制。當無噪聲干擾時，主門開啟時間剛好等于一個被測信號的周期Tx。如果被測信號受到干擾，當信號通過B通道時，將會使整形電路（施密特觸發(fā)器）出現(xiàn)超前或滯后觸發(fā)，致使整形后波形的周期與實際被測信號的周期發(fā)生偏離ΔTx，引起所謂的觸發(fā)誤差（或轉換誤差）。

經(jīng)推導，

觸發(fā)誤差ΔTx/Tx的大小為

（6-9）

第四十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日式中：Um——信號的振幅；

Un——干擾或噪聲的振幅。可見，信噪比（Um/Un）愈大，觸發(fā)誤差就愈小，若無噪聲干擾，便不會產(chǎn)生該項誤差。因而，在頻率等測量功能中，由于控制門控雙穩(wěn)的門控信號是由儀器內(nèi)部產(chǎn)生的，因此不會存在觸發(fā)誤差。在周期、fA/fB等測量功能中，如果進入B通道的信號含有干擾，

便會存在觸發(fā)誤差。

第四十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日采用周期倍乘率開關進行多周期測量，可減弱此項誤差。例如，如果周期倍乘率取10，則只在第1個周期開始與第10個周期結束時會產(chǎn)生觸發(fā)誤差，使觸發(fā)誤差相對減弱了10倍。通過上述分析，可得頻率測量誤差表達式如下：

（6-10）

式中,Tg為閘門時間。

第四十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日另外，可得周期測量誤差表達式如下：

（6-11）

式中,10n為周期倍乘率值(n取0，1，2，3，4)，Tn為選用的時標信號。其他功能的測量誤差表達式可根據(jù)儀器的具體電路結構并參照上述分析作出。第四十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.4電子計數(shù)器中的智能技術

6.4.1多周期同步測量技術

1.等精度測量在按圖6-4所示的原理測量頻率時，當被測頻率很低時，由±1誤差而引起的測量誤差將大到不能允許的程度。例如，fx=1Hz，閘門時間為1s時，測量誤差高達100％。因此，為提高低頻測量精度，通常將電子計數(shù)器的功能轉為測周期，然后再利用頻率與周期互為倒數(shù)的關系來換算其頻率值，這樣便可得到較高的精確度。在測量周期時，當被測周期很小時也會產(chǎn)生同樣的問題，并且也可以采取同樣的解決辦法，先測頻率，

再換算出周期。

第五十頁，共八十六頁，2022年，8月28日測頻量化誤差及測周量化誤差與被測信號頻率的關系見圖6-12所示，圖中測頻和測周量化誤差曲線交點所對應的被測信號頻率稱為中界頻率fxm。在中界頻率下，由測頻和測周所引起的量化誤差相等。很顯然，當fx＞fxm時宜采用測頻的方法，當fx＜fxm時宜采用測周的方法。中界頻率fxm與測頻時所取的閘門時間以及測周時所取的時標有關。例如，測頻時取閘門時間為1s，測周時取時標為10ns的中界頻率fxm＝10kHz，由圖可知，此時兩種方法所引起的量化誤差均為10-4。第五十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖

6-12測頻量化誤差及測周量化誤差與被測信號頻率的關系圖

第五十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日上述測量方法是減少由±1誤差引起的測量誤差的一種有效方法，但還存在兩個問題：一是該方法不能直接讀出其頻率值或周期值；二是在中界頻率附近，仍不能達到較高的測量精度。若采用多周期同步測量方法，便可解決上述問題。該方法不僅可以直接讀取頻率值或周期值，而且還可以使其測量精度在全頻段上一致，

即實現(xiàn)了等精度測量。

第五十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日

2.多周期同步測量原理多周期同步測量原理與傳統(tǒng)的頻率和周期的測量原理不同，其測量原理可用圖6-13所示的框圖來分析。預置閘門時間產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生預置的閘門時間Tp，Tp經(jīng)同步電路便可產(chǎn)生與被測信號fx同步的實際的閘門時間Tg。主門Ⅰ與主門Ⅱ在時間Tg內(nèi)被同時打開，于是計數(shù)器Ⅰ和計數(shù)器Ⅱ便分別對被測信號fx和時鐘信號f0的周期數(shù)進行累計。在時間Tg內(nèi)，計數(shù)器Ⅰ的累計數(shù)NA=fxTg，計數(shù)器Ⅱ的累計數(shù)NB=f0Tg,再由運算部件計算得出fx=(NA/NB)×f0,即為被測頻率。第五十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日計數(shù)器Ⅰ記錄了被測信號的周期數(shù)，所以通常稱為事件計數(shù)器。由于閘門的開和關與被測信號同步，因而實際的閘門時間Tg已不等于預置的閘門時間Tp,且大小也不是固定的。為此設置了計數(shù)器Ⅱ，用以在Tg內(nèi)對標準時鐘信號進行計數(shù)，以確定實際開門的閘門時間Tg的大小，所以計數(shù)器Ⅱ通常稱為時間計數(shù)器。

第五十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖

6-13多周期同步測量原理框圖

第五十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日由圖6-14所示的工作波形圖中可以看出，由于D觸發(fā)器的同步作用，計數(shù)器Ⅰ所記錄的NA值已不存在±1誤差的影響了。但由于時鐘信號與閘門的開和關無確定的相位關系，因此計數(shù)器Ⅱ所記錄的NB的值仍存在±1誤差的影響，只是由于時鐘頻率很高，±1誤差的影響很小。所以測量精度與被測信號的頻率無關，

且在全頻段的測量精度是均衡的。

第五十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖

6-14多周期同步測量工作波形圖

第五十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日設閘門時間為1s，取時鐘頻率f0=10MHz，則由±1誤差而引起的相對誤差為10-7。若要進一步減少這項誤差的影響，須再增大時鐘頻率f0。由圖6-14還可以看出，NB實際是NA個被測信號周期的時鐘脈沖的個數(shù)，由運算部件計算fx的值為多周期測量的平均值，所以把這種測量方法稱為多周期同步測量。多周期同步測量電路需要計算電路且要有兩個計數(shù)器，因而電路的實現(xiàn)比傳統(tǒng)的測量電路要復雜，但若使用微處理器可使電路大大簡化，所以在智能型電子計數(shù)器中完全可采用此方法。

第五十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日內(nèi)插模擬擴展技術在傳統(tǒng)的電子計數(shù)器中，測量時間間隔的分辨能力取決于所用的時鐘頻率f0。單純地通過提高時鐘頻率f0來提高測時分辨率是有限的，例如即使f0高達100MHz的時鐘，其測時分辨率也只能達到10ns。采用內(nèi)插模擬擴展技術可在時鐘頻率不變的情況下使測時分辨率大大提高，一般而言，可提高2～3個數(shù)量級或更高。第六十頁，共八十六頁，2022年，8月28日

6-15示出了內(nèi)插法測量波形圖。由波形圖可以看出，采用內(nèi)插法測時間間隔，不僅要累計T內(nèi)的時鐘脈沖數(shù)，而且還把產(chǎn)生±1誤差的那兩部分時間T1和T2拉寬N倍。然后累計其中的時鐘脈沖數(shù)N1和N2，這樣就把分辨率提高了N倍。如果時鐘頻率為10MHz（T0=100ns），內(nèi)插模擬擴展倍數(shù)N=1000，則被測時間間隔可以表示為

將T1和T2展寬的辦法是：首先在T1和T2內(nèi)對一個電容以恒定電流充電；然后以慢N倍（例如N＝1000）的速度放電，則電容放電到起始狀態(tài)下的時間是T1和T2的N倍；最后再用原來的時鐘對其進行測量計數(shù)得到N1和N2。

第六十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖

6-15內(nèi)插法測量波形圖

第六十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日一個實際的模擬擴展器的電路原理圖如圖6-16所示，它主要由一對高速電流開關V1、V2，恒流源I1(I1=10mA)、I2(I2=10μA)（即I1=I2），閾值檢測管V3等部分組成。工作原理為：初始狀態(tài)V1導通、V2截止，10μA恒流源I2對電容C充電，使A點電位上升到約5.7V，V3導通。在T1（或T2）時間內(nèi)，電流開關V1截止,V2導通，電容C通過V2放電，使A點電位下降，V3截止，則在T1（或T2）時間內(nèi)放走的電荷Q1=(I1-I2)×T1。T1結束后，電流開關又轉換為使V1導通、V2截止的初始狀態(tài)，10μA恒流源I2對電容C充電，使A點電位逐步上升。若在T1′時間內(nèi)，A點電位上升到約5.7V，使V3重新導通而使充電結束，則在T1′內(nèi)充到的電荷Q2=I2×T1′。

顯然Q1=Q2，于是可得：

第六十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日（6-12）

即

（6-13）

在T1+T1′這段時間內(nèi),V3處于截止狀態(tài)，B點的電壓為0V；V3導通時，B點電壓為1V(10μA×100kΩ)，則B點出現(xiàn)了一個寬度為1000T1的脈沖，再經(jīng)運算放大器放大即可觸發(fā)擴展觸發(fā)器。

第六十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖

6-16模擬擴展器電路原理圖

第六十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.5典型智能電子頻率計實例

頻率計的系統(tǒng)結構智能型頻率計以單片機AT89C2051為控制芯片。AT89C2051是MCS-51系列單片機中的一種，由其完成電路中待測信號的計數(shù)、譯碼和顯示，以及對分頻比的控制。智能型頻率計的電路結構框圖如圖6-17所示。待測信號經(jīng)放大整形后，由分頻器進行分頻，分頻后的信號再經(jīng)CD4051選擇后送入單片機的T0端進行計數(shù)，分頻比受單片機控制。時基信號發(fā)生器主要產(chǎn)生脈寬為1s的閘門信號，并輸入單片機的INT0端，用以啟停T0的計數(shù)。計數(shù)的結果經(jīng)軟件譯碼后送入數(shù)碼顯示器顯示。

第六十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖

6-17智能型頻率計的電路結構框圖

第六十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.5.2主要電路工作原理

1.分頻器由于AT89C2051單片機內(nèi)部的2個計數(shù)器均是16位的，因此最大計數(shù)范圍為216。若閘門時間為1s，則所測信號最高頻率為65.535Hz。為實現(xiàn)頻率較高信號的測量，采用3片74HC90構成1/10、1/100和1/1000分頻器，這樣，理論上可測信號的最高頻率為65.535MHz。分頻后的信號通過數(shù)據(jù)選擇器送入CPU的T0端，數(shù)據(jù)選擇器受CPU的P1.0和P1.1控制。第六十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日

2.時基電路閘門信號的產(chǎn)生由CD4060和CD4013完成。CD4060構成石英晶體振蕩器和分頻器，將32768Hz晶體振蕩信號分頻為2Hz信號，再經(jīng)過CD4013雙D觸發(fā)器4分頻獲得持續(xù)時間為1s，頻率為0.5Hz的時基（閘門）信號。閘門信號送入單片機的INT0端，用來控制T0計數(shù)器的啟停。

第六十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日

3.系統(tǒng)頻率測量原理根據(jù)單片機AT89C2051中計數(shù)器T0的方式1結構圖（如圖6-18所示）可知，T0計數(shù)脈沖控制電路中，有一個方式電子開關，當C/T為“0”時，方式電子開關打在上面，以振蕩器的12分頻信號作為T0的計數(shù)信號，此時作為定時器使用；C/T為“1”時，方式電子開關打在下面，此時以T0（P3.5）引腳上的輸入脈沖作為T0的計數(shù)脈沖，這種情況下可對外界脈沖進行計數(shù)。C/T的狀態(tài)可由T0的方式寄存器TMOD進行設置。因為系統(tǒng)中需對輸入T0（P3.5）端的信號進行計數(shù)，所以將C/T設為“1”。由圖6-18還可以看出，當GATE為0時，只要TR0為“1”，計數(shù)控制開關的控制端即為高電平，使開關閉合，計數(shù)脈沖加到定時器T0，允許T0計數(shù)。當GATE為“1”時,僅當TR0為“1”且INT0引腳上輸入高電平時，控制端為高電平，控制開關閉合，允許T0計數(shù)。

TR0為“0”或INT0輸入低電平都可控制開關斷開，禁止T0計數(shù)。

第七十頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖

6-18定時器T-0方式1結構圖

第七十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日根據(jù)定時器T0的結構原理，系統(tǒng)中將GATE位、TR0均設為“1”，INT0端輸入標準閘門信號，內(nèi)部同時開啟外中斷EX0。當時基信號到來時，計數(shù)器T0閘門打開，并開始計數(shù)；當時基信號的下降沿到來時，計數(shù)器T0閘門關閉，同時INT0產(chǎn)生中斷，此時將TR0清零，計數(shù)器停止計數(shù)，讀取TL0、TH0的數(shù)據(jù)（設為N）并保存。由測頻公式（6-14）可知，此數(shù)據(jù)即為被測信號的頻率值（因為系統(tǒng)中閘門時間為1s）：

（6-14）

第七十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖

6-19頻率測試時序圖

第七十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.5.3軟件設計該頻率計的軟件程序除主程序外，主要包括INT0中斷服務程序、自動換擋子程序和顯示子程序。INT0中斷服務程序的流程圖如圖6-20所示，主要完成測頻、BCD碼轉換、譯碼等功能。在設計自動換擋子程序時，將計數(shù)器T0設為方式1，C/T位置“1”。此時,T0為16位計數(shù)方式，故在不分頻時測試的信號最大頻率為216Hz，即65535Hz。若計數(shù)器T0溢出產(chǎn)生中斷，便進入換擋設置子程序，增大分頻比，直至T0不溢出。若分頻比較大，而輸入信號頻率較小，則可逐漸減小分頻比，直到不產(chǎn)生溢出中斷，程序由此而實現(xiàn)自動換擋的功能。

第七十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日圖6-20INT-0中斷服務程序流程圖

第七十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日6.5.4提高測量準確度的方法提高測量準確度的方法如下：

(1)提高低頻信號頻率測量準確度。由頻率直接測量誤差公式如下：

第七十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日

(2)由軟件產(chǎn)生閘門信號。閘門信號也可以由單片機的內(nèi)部定時產(chǎn)生，這樣雖可減少硬件電路，但是軟