电子计数器测量原理

7.1电子计数器测量原理7.2典型部件的分析7.3智能电子计数器的设计7.4典型智能计数器产品介绍第7章智能电子计数器电子计数器指能完成频率测量、时间测量、计数等功能的电子测量仪器的通称。频率和时间是电子测量技术领域中最基本的参量，因此，电子计数器是一类重要的电子测量仪器。本章侧重讨论智能化的电子计数器原理及设计方法。7.1电子计数器测量原理根据仪器功能，电子计数器有通用计数器和专用计数器之分通用计数器是一种具有多种测量功能、多种用途的电子计数器，它可以测量频率、周期、时间间隔、频率比、累加计数、计时等，配上相应插件还可以测相位、电压等电量。专用计数器指专门用于测量某单一功能的电子计数器。例如专门用于测量高频和微波频率的频率计数器；以测量时间为基础的时间计数器（测时分辨力可达ns量级）；具有某种特种功能的特种计数器，如可逆计数器、预置计数器、差值计数器等。7.1.1概述一、分类7.1电子计数器测量原理电子计数器还有传统电子计数器和智能电子计数器之分智能电子计数器是指采用了计算机技术的电子计数器。由于智能电子计数器的一切“动作”都在微处理器的控制下进行，因而可以很方便地采用许多新的测量技术并能对测量结果进行数据处理、统计分析等，从而使电子计数器的面貌发生重大的变化。7.1.1概述一、分类7.1电子计数器测量原理7.1.1概述一、分类通用计数器专用计数器二、通用计数器组成原理1.频率测量原理2.周期测量原理3.TA-B测量原理4.典型通用计数器的组成1.频率为fx的被测信号经A通道放大整形后输往主门(闸门)。同时，晶体振荡器输出信号经分频器可获得各种时间标准(称时标)，闸门时间选择开关将所选时标信号加到门控双稳，再经门控双稳形成控制主门启闭的作用闸门时间T。则在所选T内主门开启，被测信号通过主门进入计数器计数。若计数器计数值为N，则被测信号的频率fx为：fx＝N×T（7.1）二、通用计数器组成原理周期为Tx的被测信号经B通道处理后再经门控双稳输出作为主门启闭的控制信号，使主门仅在被测周期Tx时间内开启。同时，晶体振荡器输出经倍频和分频得到了一系列的时标信号，通过时标选择开关，所选时标即经A通道送往主门。在主门开启时间内，时标进入计数器计数。若所选时标为T0，计数器计数值为N，则被测信号的周期为：Tx＝N×T0（7.1）２.如果被测周期较短，可以采用多周期测量的方法来提高测量精度，即在B通道和门控双稳之间插入十进分频器，这样使被测周期得到倍乘即主门的开启时间得到了倍乘。若周期倍乘开关选为×10n，则计数器所计脉冲个数将扩展10n倍，所以被测信号的周期为Tx＝NT010n(7．3)２.3.TA-B如果被测周期较短，可以采用多周期测量的方法来提高测量精度，即在B通道和门控双稳之间插入十进分频器，这样使被测周期得到倍乘即主门的开启时间得到了倍乘。若周期倍乘开关选为×10n，则计数器所计脉冲个数将扩展10n倍，所以被测信号的周期为（7．3）nxTNT1004.典型通用计数器的组成7.1.1概述三、通用计数器测量误差通用计数器测量误差习惯于用相对误差的形式来表示。通用计数器具有多种功能，每个功能的误差表达式是不一样的。根据误差分析，各功能的误差表达式主要由三种类型误差合成。1．最大计数误差（±1误差）2．标准频率误差3．触发误差三、通用计数器测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：1．最大计数误差（±1误差）对于一次计数过程，其结果可能为N，也可能为N＋1或N－1。即最大计数误差为ΔN＝±1。该项误差将使仪器最后的显示结果会有一个字的闪动。最大计数误差相对误差的形式为（7.5NNN11．最大计数误差（±1误差）很显然，在测频、测周、测fA／fB等功能中，由于主门开启信号与通过主门被计数信号的时间关系不相关，都存在该项误差。但在自校功能中，由于时标信号和闸门时间信号来自同一信号源，应不存在±1最大计数误差的特点是：不管计数N是多少，ΔN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ΔN／N误差相应减少。例如在测频时，应尽量选用大的闸门时间；在测周时，应尽量选用小的时标信号，必要时使用三、通用计数器测量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。凡是使用时标和闸门时间标准信号的功能都存在此项误差，例如测频、测周、测时间间隔等。而测fA／fB2．标准频率误差为了使标准频率误差对测量结果产生影响足够小，应认真选择晶振的准确度。一般说来，通用计数器显示器的位数愈多，所选择的内部晶振准确度就应愈高。例如七位数字的通用计数器一般采用准确度优于10－7数量级的晶体振荡器。这样，在任何测量条件下，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，门控双稳的门控信号由通过B通道的被测信号所控制。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ΔTn，引起所谓的触发误差。经推导，触发误差的大小为：(7．6)式中Um——Un——可见，信噪比（Um／Un）愈大，触发误差就愈小，若无噪声干扰，便不会产生该项误差。因而，在频率等测量功能中，由于控制门控双稳的门控信号是由仪器内部产生，不会存在触发误差。而在周期、fA／fB等测量功能中，如果进入B通道的信号含有干扰，便会存在触发误差。采用周期倍率开关进行多周期测量，可减弱此项误差。例如周期倍率取10，可使触发误差相对减弱了十倍。三、通用计数器测量误差通过上述分析，可得频率测量误差表达式如下可得周期测量误差表达式如下其他功能的测量误差表达式可根据仪器的具体电路结构分析得出7.1.2多周期同步测量技术一、问题的提出在测量频率时，当被测信号频率很低时，由±1误差而引起的测量误差将大到不能允许的程度，例如，fx＝1Hz，闸门时间为1s时，由±1误差而引起测量误差高达100%。因此，为提高低频测量精度，通常将电子计数器的功能转为测周期，然后再利用频率与周期互为倒数的关系来换算其频率值。但在测量周期时，当被测周期很小时，也会产生同样的问题并且存在同样的解决办法。即在被测信号的周期很小时，宜先测频率，再换算出周期。但是，还存在两个问题：①、该方法不能直接读出被测信号的频率值或周期值；②、在中界频率附近，仍不能达到较高的测量精度。若采用多周期同步测量方法，便可解决上述问题。测频误差及测周误差与被测信号频率的关系如图示，图中测频和测周两条误差曲线交点所对应的频率称中界频率fxm。很显然，当被测信号频率fx＞fxm时，宜采用测频的方法，当被测信号的频率fx＜fxm时，宜采用测周的方法。7.1.2多周期同步测量技术一、问题的提出二、多周期同步测量原理多周期同步测量原理与传统频率和周期测量原理完全不同。在T内，计数器Ⅰ的累计数NA＝fx×T；计数器Ⅱ的累计数NB＝f0×T。再由运算部件计算得出计数器Ⅰ记录了被测信号的周期数，所以通常称事件计数器。由于闸门的开和关与被测信号同步，因而实际的闸门时间T已不等于预置的闸门时间TP，且大小也不是固定的，为此设置了计数器Ⅱ，用以在T内对标准时钟信号进行计数来确定实际开门的闸门时间T的大小，所以计数器Ⅱ通常称为时间计数器。预置闸门时间产生电路产生预置的闸门时间TP，TP经同步电路产生与被测信号（fx）同步的实际闸门时间T。主门Ⅰ与主门Ⅱ在时间T内被同时打开，于是计数器Ⅰ和计数器Ⅱ便分别对被测信号（fx）和时钟信号（f0）的周期数进行累计。由图（b）所示的工作波形图中可以看出，由于D触发器的同步作用，计数器Ⅰ所记录的NA值已不存在±1误差的影响。由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，计数器Ⅱ所记录的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。7.1.2多周期同步测量技术设闸门时间为1s，取时钟频率f0＝10MHz，则由±1误差而引起的相对误差恒定为10－7。若要进一步减少这项误差的影响，可增大时钟频率f0。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，所以把这种测量方法称为多周期同步测量。多周期同步测量电路需要计算电路且要有两个计数器，因而电路的实现比传统的测量电路复杂，但若使用微处理器可使测量电路简化。以微处理器为基础的多周期同步测量原理见7.3节。这种测量方法实际上是对信号周期进行测量，信号的频率是经过倒数运算求出来的。因而，从测频的角度，上述测量方法也7.1.3内插模拟扩展技术在传统的电子计数器中，测量时间间隔的分辨能力取决于所用的时钟频率f0。单纯地通过提高时钟频率f0来提高测时分辨率是有限的，例如即使f0高达100MHz的时钟，测时分辨率也只能达到10ns。采用内插模拟扩展技术可在时钟频率不变的情况下使测时分辨率大大提高，一般而言，可提高2～3个数量级或更高。由内插法测量波形图可以看出，采用内插法测时间间隔不仅要累计T内的时钟脉冲数，还要把产生±1误差的那两部分时间T1和T2拉宽N倍，然后累计其中的时钟脉冲数N1和N2，这样就把分辨率提高了N倍。若f0为10MHz(T0＝100ns)，内插模拟扩展倍数N＝1000，则被测时间可表示为Ｔ＝展宽T1和T2的办法是：首先在T1和T2内对一个电容以恒定电流充电；然后以慢N倍(例N＝1000)的速度放电，则电容放电到起始状态下的时间是T1和T2的N倍；然后再用原来的时钟对其进行测量计数得到N1和N2。一个实际模拟扩展电路如图所示．内插扩展测量原理需要多个计数器计数，工作过程较复杂，一般需微处理器参与。控制流程的一般是：先启动一次测量；然后在一次测量之后对各计数器的计数值分别读入；最后再执行一次运算再显示其结果。7.2典型部件的分析7.2.1输入通道被测信号的形状、幅度往往是未知的，并且还可能夹带着一定的噪声，所以当被测信号进入计数门之前需要整理一番，这就是输入通道的作用。输入通道由调整电路、放大整形电路、触发电平调节电路等几部分组成。调整电路一般由阻抗变换器、衰减器、保护电路等几部分组成。电子计数器的许多技术指标，例如频率范围、输入阻抗、灵敏度、抗干扰性等都是由输入通道来决定的。7.2.1输入通道输入通道中放大整形电路一般采用斯密特触发器，一方面起整形作用，另一方面其滞后带宽度ΔE可有效地抑制信号中的干扰。斯密特触发器对信号中干扰抑制示意图正确选择滞后带相对于被测信号的位置示意图正确选择滞后带相对于被测信号的位置，对确保测量精确度非常重要。一般情况下，滞后带应移动在信号波形的中部；特殊情况下，应移在信号的某个确定的部位上，如图所示。为此目的，某些计数器还备有监视触移动滞后带与信号之间的相对位置是通过改变差分放大器中一个输入端的直流电位而实现的，其电路实现原理框图如图示。当继电器K吸合时，电路处于自动触发调节方式，微处理器控制系统通过触发探测器，测定信号的上峰值和下峰值，然后计算出其算术平均值或其他适当的数值，再输送给D/A转换器转换成直流电压，加到差分放大器中一个输入端。具体原理见5.5节。图中当前处于手动预置触发方式，通过调节电位器RW，可使触发器的滞后带移动在信号适当的部位上。7.2.2计数器电路计数器电路是电子计数器类仪器的一个重要组成部分。在计数器电路的设计中，前级计数电路芯片的最高计数频率参数应高于被测信号的最高频率。随着逐级分频，后级计数电路可考虑采用中低速计数电路芯片，以降低其成本和功耗。目前计数器中广泛采用了大规模集成电路，以减小体积，进一