61第5章 电子计数器

第5章电子计数器教学目的与要求时间与频率的测量是最基本的测量之一，也是目前精度最高的测量。本章介绍了测量时间与频率的基本仪器——电子计数器，要求掌握其基本原理及使用方法。关键词汇通用计数器(universalcounter)、分频器(diverder)、周期(period)、时间间隔(timeinterval)、频率比(frequencyratio)、稳定度(stability)、多周期平均测量(multiple-periodaveragemeasurement)5.1概述在自然界中，特别是在电子计数值中，周期性现象是非常普遍的。所谓周期性现象，就是物体、物理量经过相等的时间又重复出现相同状态的现象，单位为Hz（赫兹）。例如，钟摆在一秒内向左、右各摆动一次；正弦信号经过一个周期T又重复出现等。频率ƒ是相同现象在单位时间内重复的次数，单位为s（秒）。显然，周期T和频率ƒ，是描述同一现象的两个参数，它们的关系为1fT（5-1）在电子技术中，频率是一个基本参数。频率与其它许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系。从式（5-1）可知，我们只需要测出一个参数，就可以得到另一个参数。用以测量频率和周期的方法有很多，常用的有：比较法测量、利用电路频率特性测量和电子计数器测量。其中，利用电子计数器测量来进行测量周期和频率的精度高、速度快、使用简单，因而得到了广泛应用。5.1.1电子计数器的分类电子计数器的功能很多，归纳起来主要有三种：测量周期、测量频率和测量时间。（1）按功能的不同，电子计数器可以分为四大类①通用计数器通用计数器具有多种测量功能，一般具有测频、测周、测时间、测多周期平均、测频率比、测任意时间间隔内的脉冲个数以及累加功能。②频率计数器只具有测量频率这一单一功能，但其测量频率的范围很宽。如Macroni公司的2240型微波频率计数器的测频范围为10Hz～20GHz。③时间间隔计数器是以测量时间间隔为基础的计数器，用以测量电信号之间的时间间隔，也可以用来测量一个周期信号的周期、脉冲宽度、占空系数、上升时间和下降时间。④特种计数器具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、预置计数器、序列计数器和查值计数器等。（2）按直接计数的最高频率可分为四类①低速计数器最高计数频率为10MHz。②中速计数器计数频率范围为10～100MHz。③高速计数器计数范围大于100MHz。④微波计数器计数频率范围在1～80GHz。5.1.2电子计数器的主要性能指标（1）测试功能说明该仪器所具备的所有的计数功能。一般具有测量频率、测量周期、测量频率比、测量时间间隔、累积脉冲个数以及自校等功能。（2）测量范围说明该仪器测量的有效范围。对于不同功能的测量，测量范围的含义也不同。测量频率时，指频率的上限和下限；测量周期时，指能准确测量的最大时间和最小时间。例如，E312A型电子计数器的测频范围是10Hz～10MHz,测周范围是10s～0.4s。（3）输入特性电子计数器通常具有2～3个输入端，在测量不同的项目时，信号经不同的输入通道进入仪器。输入特性标明电子计数器与被测信号源相连的一组特性参数，常常包括以下几项。①输入灵敏度一般指仪器正常工作时的最小输入电压，通用电子计数器的灵敏度一般在10～100mV内。②最大输入电压指仪器在正常工作时所允许输入的最大电压值，超过这个电压值，仪器将不能正常工作，甚至损坏。③输入耦合方式一般有AC、DC两种耦合方式。DC耦合适用于低频脉冲或随机脉冲信号的测量。④触发斜率选择和触发电平选择触发斜率分为“+”和“-”，用以选择被测信号的上升和下降沿来触发。触发电平调节决定了被测信号的触发点。⑤输入阻抗由输入电阻和输入电容组成。常分为高阻（1MΩ∥25pF）和低阻（50Ω）两种。（4）测量精确度常用测量误差来表示。（5）石英晶体振荡器的频率稳定度石英晶体振荡器是该仪器的重要组成部分，其频率稳定度是影响测量准确度的重要因数。常用日稳定度表示，一般在±1×10-5/d～±1×10-9/d。（6）闸门时间（门控时间）和时标标明仪器内信号员可以提供的闸门时间和时标有几种。（7）显示及工作方式一般标明显示数码的位数、显示的器件以及一次测量完成的持续时间。通常说明是“记忆”显示，还是“不记忆”显示。“记忆”显示方式一般只显示一次测量结果，等到下一次测量完成时结束，并显示下一次的测量结果；而“不记忆”显示是指测量时的过程可随时显示。（8）输出指仪器可以直接输出的时标信号的种类和测量结果如何编码输出。5.2通用电子计数器的基本组成图5-1是一个通用计数器的方框图，由下列各基本电路所组而成：（1）由衰减器、放大器以及施密特电路所组成的A、B输入通道，（2）由与门构成的主控门，（3）有十进制分频器的时基信号产生和变换电路，（4）有功能选择的控制逻辑电路，（5）有数字显示的十进制计数及显示电路。下面，就各部分的功能进行介绍。图5-1通用计数器的方框图衰减器及放大器施密特电路衰减器及放大器施密特电路施密特电路控制逻辑电路门控电路主控门显示器输入A输入B至时基发生器测试3时间选择4频率比5外部标准控制电压2周期1频率计数信号启动禁止复位晶体振荡器施密特电路分频器15.2.1A、B输入通道输入通道部分，一般有A、B两个通道：A通道为主通道，B通道为辅助通道。B通道在测量周期、频率比、时间间隔时使用。输入通道直接与信号源相连，它是信号源的负载，而输出端则与计数电路相连接。其主要功能是将各种不同形状、不同幅度和不同极性的输入信号加工成具有一定形状、一定幅度和一定极性的、计数器所必须的波形，通常是将输入信号整形为脉冲信号。“施密特电路”是一种常见的触发电路，它具有一定的灵敏度，只有输入信号大于某一值时，才能正常工作。施密特电路传的输特性及工作过程如图5-2所示。通电后，将信号输入，当输入信号的电压大于V2时，施密特电路工作，有输出（输出为高电平）；输入信号达到最大值后，开始下降，当电压低于V1后，施密特电路停止工作，无输出（输出为低电平）；输入信号达到最小值后，又开始上升，当电压高于V2后，施密特电路工作，有输出（输出为高电平）；如此反复。在计数器中，输入信号的幅度往往有很大的差别，因此，对于小幅度信号需要在整形前进行放大，对于大幅度信号要进行衰减，“放大器及衰减器”主要用于控制输入信号的幅度。为了提高仪器的输入阻抗，“放大器及衰减器”的第一级常用射随器或源随器。输入信号为脉冲时，其极性可正、可负，为保证触发信号有一个确定的极性，在电路中还可以设一个倒相器。5.2.2主控门主控门是一个与门电路，其工作原理图如图5-3所示。有两个输入端，一图5-3主控门工作原理图&ABCABC（a）传输特性（b）工作波形图5-2施密特电路的传输特性及工作波形V1V2UiV00V2V10tUiUo0t个接收门控信号（输入端B），主控门的开启与否受其控制，另一个接收整形后的被测脉冲信号（输入端A），输出端C连接计数器。B端为高电平时，主控门打开，则输入端A的输入信号由C端输出；B端为低电平，主控门关闭，则输入端A的输入信号被阻断，C端输出无效电平。可见，B端为是一个功能开关，负责A端与C端的连接。5.2.3时基信号产生与变换电路电子计数器在原理上是用比较法进行测量的，即被测频率与标准时间进行比较。因此，标准时间的稳定性和准确性，决定了电子计数器的测量准确度。电子计数器的标准时间信号，具有两个显著的特点：一是有很高的精度，因而在电子计数器中总是采用高精度的石英晶体振荡器来产生标准时间信号；二是多值性，即能够产生多种不同的频率。为了适应不同的频率和时间的测量需要，通用计数器一般都有多种不同的标准时间，这些不同的标准时间信号是石英晶体通过分频或倍频所得，供时基选择电路选用。分频电路一般采用同十进制数相同的电路，倍频电路一般采用非线性LC选频放大器。为了保证分频或倍频后时基信号的精度，可以采用门控分频或锁相倍频等方法来改进电路。图5-4为一个典型的时基电路方框图。5.2.4控制逻辑电路控制逻辑电路的作用主要是控制主控门的开启与关闭，同时也控制整个计数器的逻辑关系。控制电路的功能主要有以下四项：（1）接通电源或按动停止键时，使系统处于停止状态。（2）当按动启动键时，利用时基信号来触发控制电路，从而控制电路的输出端得到时间宽度为T的闸门信号，用闸门信号去控制主控门的开启时间。（3）在开启时间结束时，封锁主控门和时基信号，使计数器显示的数字停留一定的时图5-4时基电路方框图÷10÷10÷10÷10÷10÷101MHz晶振施密特电路时基选择1MHz100kHz10kHz1kHz100Hz10Hz1Hz间（根据要求而定），以便于观测和读取数据。（4）下一次测试开始前，要能够对计数器清零（复位），然后重新开启主控门，进行下一次的测量。（5）该过程能够反复进行。图5-5为一个常见的控制逻辑电路。它实际上是一个由3个触发器和3个单稳态电路构成的3节拍发生器。图5-6是其工作波形。控制电路的工作过程是这样的：当按动P停键或者系统加电时，基本RS触发器FF1和FF2均被置0，Q1=0，Q2=0，所以门G输出T=0，T触发器FF3（由JK触发器构成）处于0状态并保持不变，时基信号不起作用，闸门信号Q3=0，封锁主控门，从而系统处于停止状态。当按动P开键时，FF1和FF2均被置于1，Q1=Q2=1，所以门G输出T=1，当时基信号下降沿到来时，T触发器FF3翻转，若时基信号的频率为1Hz，则Q3输出为一个宽度为1s的闸门信号，将主控门打开，实现频率测量的功能。当Q3下降沿到达时，经RC微分电路触发555定时器构成的第一级单稳态触发器，从而获得A1信号。A1信号一方面送入触发器FF2，使之复位，另一方面送入第二级单稳态触发器。A1的下降沿使Q2=0，所以G输出T=0，T触发器FF3保持0状态不变，系统处于显示状态。A1上升沿触发第二级单稳态触发器，从而获得A2信号。A2和P停键信号一起形成清零信号，用以将T触发器和计数器清零，保证再次测量时数据的正确性。A2信号还送入到第三级单稳态触发器的输入端，当A2的上升沿到达时，触发第三级单稳态触发器，从而获得A3信号。A3送入FF2，使之再次启动，Q2=1，所以门G输出T=1，T触发器在时基信号作用下又一次发出闸门信号，再次进行测量，如此反复进行下去，完成系统连续测量和显示的功能。直到按动P停键，使Q1=0，封锁门G，启动信号Q2才无法通过，系统处于测量停止状态。8467321555&RSQ1FF1RSQ2FF2JkQ3FF3C111&&&&&1Vcc单稳IRC闸门输出1Hz时基信号停P开PVccVccTR1C1单稳I单稳IIII清零信号C2R2R2GCCRRA1A2A3图5-5控制逻辑电路5.2.5计数及显示电路计数及显示电路部分包括十进制计数器、寄存器、译码器和数字显示器等。计数电路通常采用十进制和二进制两种。为了便于观察和读数，通用的电子计数器一般采用十进制计数器。十进制电路的最终结果，要用数字形式显示出来，就需要一个译码器，把十进制计数电路中代表十进制数的状态转换成相应的控制电位，驱动相应的数码管显示相应的字码。这样就可以显示相应的数字了。显示方式分为有记忆和无记忆两种。常见的十进制计数电路框图如图5-7所示。由单个的计数器构成多位计数器，计数脉冲输入个位计数器，当计数满十时由低位向高位进一，高位计数满十时又向更高位进一，如此递增，就构成了N位计数器。每一位计数器可由74LS90构成，译码器一般采用8421BCD码七段显示译码器74LS48，而显示器采用共阴极七段显示数码管来完成；若选择共阳极驱动，需要加反相器。清零信号可以将各计数器清空，使得显示为“0”，一般连结于74LS90的R图5-6控制逻辑电路的工作波形1Hz时基信号Q3A1A2A3闸门信号1s图5-7计数及显示电路框图计数器计数器计数器译码器显示器计数器译码器显示器计数器译码器显示器计数器译码器显示器计数器译码器显示器计数脉冲个位十位N位清零信号端（复位端）。5.3通用电子计数器的测量原理通用计数