计数器工作原理分析课件

1 电子计数法测量频率电子计数法测量频率 1.1 电子计数法测频原理电子计数法测频原理1.基本原理基本原理根据频率的定义，若某一信号在根据频率的定义，若某一信号在T秒时间内重复变化了秒时间内重复变化了N次，则次，则该信号的频率为：该信号的频率为：门电路复习：门电路复习：与门与门A A1/01/0B B1 1/0 0c c1/01/0同理同理“或或”门、与非、或非门等也有类似功能。门、与非、或非门等也有类似功能。A A0 00 01 11 1B B0 01 10 01 1C C0 00 00 01 11 电子计数法测量频率 1.1 电子计数法测频原理1.基1由图可见：由图可见：因此因此实现了测频实现了测频原理原理：“定时计数定时计数”实质实质：比较法比较法 测频的原理测频的原理与与门门A AB BT T1s1sT TN NT Tx xC C1s1s重点掌握由图可见：因此实现了测频原理：“定时计数”实质：比较法 测频22组成框图组成框图 下图是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。下图是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部分组成。t t0 0B BC C0 00 0t tt tT TT Tx xD DE E0 0t tT Tx xN N0 0A At tT Tx x 时基电路时基电路计计 数数一一 输入电路输入电路 分分 频频 显示显示 晶晶 振振 门门 控控 主主门门控制电路控制电路 A AB BC CD DE E2组成框图 下图是计数式频率计测频的框图。它主要由下列四部31)时基（时基（T）电路）电路两个两个特点特点：(1)标准性标准性 闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故闸门时间准确度应比被测频率高一数量级以上，故通常通常晶振晶振频率稳定度要求达频率稳定度要求达10-610-10。（。（恒温糟恒温糟）(2)多值性多值性 闸门时间闸门时间T不一定为不一定为1秒，应让用户根据测频精度和秒，应让用户根据测频精度和速度的不同要求自由选择。例如：速度的不同要求自由选择。例如：1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10 ms 0.1s、1s、10s 等。等。门控（双稳）电路：门控（双稳）电路：TT1)时基（T）电路两个特点：(1)标准性 闸门时间准确度应42)输入电路输入电路 由放大整形电路和主门电路组成。由放大整形电路和主门电路组成。被测输入周期信号（频率为被测输入周期信号（频率为fx，周期为周期为Tx）经放大、整形、微分）经放大、整形、微分得周期得周期Tx的窄脉冲，送主门的一的窄脉冲，送主门的一个输入端。个输入端。输入电路工作波形图输入电路工作波形图u us st tt tt tt t0 00 00 00 0A A输入输入(T T0 0或或F Fx x)放大放大整形整形微分微分2)输入电路 由放大整形电路和主门电路组成。被测输入周期信53)计数显示电路计数显示电路 这部分电路的作用，简单地说，就是这部分电路的作用，简单地说，就是计数被测周期信号重复的次数，显示计数被测周期信号重复的次数，显示被测信号的频率。它一般由计数电路、被测信号的频率。它一般由计数电路、逻辑控制电路、译码器和显示器组成。逻辑控制电路、译码器和显示器组成。4)控制电路控制电路 控制电路的作用是产生各种控制信号，控制电路的作用是产生各种控制信号，去控制各电路单元的工作，使整机按去控制各电路单元的工作，使整机按一定的工作程序完成自动测量的任务。一定的工作程序完成自动测量的任务。在控制电路的统一指挥下，电子计数在控制电路的统一指挥下，电子计数器的工作按照器的工作按照“复零一测量复零一测量显示显示”的的程序自动地进行，其工作流程如右图程序自动地进行，其工作流程如右图所示。所示。准备准备期期（复零，等待）（复零，等待）显示显示期期（关门，停止计数）（关门，停止计数）测量测量期期（开门，计数）（开门，计数）电子计数器的工作流程图电子计数器的工作流程图3)计数显示电路 这部分电路的作用，简单地说，就是4)控制电61.2 误差分析计算误差分析计算误差传递公式误差传递公式可对式可对式 求得求得 计数误差时基误差1.2 误差分析计算误差传递公式可对式 求得 计数误差时基71.量化误差量化误差计数误差、计数误差、1误差误差在测频时，在测频时，主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相主门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系是不相关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。关的，即是说它们在时间轴上的相对位置是随机的。这样，既这样，既便在相同的主门开启时间便在相同的主门开启时间T，计数器所计得的数却不一定相同。，计数器所计得的数却不一定相同。可能多可能多1个或少个或少1个的个的1误差，这是频率量化时带来的误差故误差，这是频率量化时带来的误差故称量化误差，又称脉冲称量化误差，又称脉冲计数误差或计数误差或1误差误差。NN=11 N=f N=fx xT T量化误差量化误差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)黑门进8个脉冲红门进7个脉冲1.量化误差计数误差、1误差在测频时，主门的开启时刻与8误差合成定理误差合成定理2.闸门时间误差（时基误差、标准时间误差）闸门时间误差（时基误差、标准时间误差）闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，显然要产生测 频误差。闸门信号频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc（周期为（周期为Tc），则有），则有=110-7110-10 石英晶体性能和切割方式石英晶体性能和切割方式-生产厂生产厂 石英振荡器的输出石英振荡器的输出频率准确度决定频率准确度决定 温度的影响温度的影响-单、双层恒温糟单、双层恒温糟 振荡电路的质量振荡电路的质量-电路优化设计电路优化设计 误差合成定理2.闸门时间误差（时基误差、标准时间误差）闸91.3 结论结论1.计数器直接测频的误差计数器直接测频的误差主要有两项主要有两项 即即1误差和标准频率误误差和标准频率误差一般总误差可采用分项差一般总误差可采用分项误差绝对值合成，即误差绝对值合成，即 2.测量低频时，由于测量低频时，由于1误误差产生的测频误差大得惊人差产生的测频误差大得惊人例如，例如，fx=10Hz，T=1s，则由，则由1误差引起的测频误差可达误差引起的测频误差可达10，所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。所以，测量低频时不宜采用直接测频方法。1.3 结论1.计数器直接测频的误差即1误差和标准频率误102 电子计数法测量时间电子计数法测量时间本节介绍时间量的测量主要是指与频率对应的周期、相位及时本节介绍时间量的测量主要是指与频率对应的周期、相位及时间间隔等时间参数，重点讨论周期的测量。间间隔等时间参数，重点讨论周期的测量。2.1 电子计数法测量周期的原理电子计数法测量周期的原理 t t0 0B BC C0 00 0t tt tT Tx xT Tx xD DE E0 0t tT Tc cT Tc cN NT Tx xT Tx x由右图可得由右图可得输入电路输入电路A A 分分 频频 门门 控控 主主门门倍倍 频频 晶晶 振振 输入电路输入电路B B T Tx xu ux xB BC CD DE E2 电子计数法测量时间本节介绍时间量的测量主要是指与频率对112.2 电子计数器测量周期的误差分析电子计数器测量周期的误差分析1.量化误差和基准频率误差量化误差和基准频率误差与分析电子计数器测频时的误差类似，这里与分析电子计数器测频时的误差类似，这里，根据，根据误差传递公式可得误差传递公式可得 根据上图所示的测周原理，可得根据上图所示的测周原理，可得 而而N=1 2.2 电子计数器测量周期的误差分析1.量化误差和基准频122.触发转换误差触发转换误差测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。2.触发转换误差测周时，还有一项触发转换误差必须考虑。13 3 3 中界频率中界频率研究研究量化误差（量化误差（1误差）对测频和测周的影响误差）对测频和测周的影响。测频、测周误差相等的频率称为中界频率。测频、测周误差相等的频率称为中界频率。将两个将两个量化误差表达式联立可得量化误差表达式联立可得 式中，式中，为中界频率，为中界频率，为标准频率，为标准频率，T为闸门时间。为闸门时间。令令 则则 因因 故故 3 中界频率研究量化误差（1误差）对测频和测周的影响。14图中给出了不同闸门时间：图中给出了不同闸门时间：0.1s、1s、10s和不同标准频和不同标准频率：率：10MHz、100MHz、1000MHz三种情况的交叉曲线。现以三种情况的交叉曲线。现以T=1s，=100MHz为例，可查知为例，可查知=10kHz。100MHz100MHz测频量化误差与测周量化误差测频量化误差与测周量化误差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=100MHz=100MHz测频的量化误差测频的量化误差测周的量化误差测周的量化误差f f100MHz100MHz图中给出了不同闸门时间：0.1s、1s、10s和不同标准频=15因此，当因此，当 宜测频；宜测频；当当，宜测周。，宜测周。这给使用带来不便，要查知所用状态下的中界频率，是当前这给使用带来不便，要查知所用状态下的中界频率，是当前通用计数器的缺点，下面将介绍采用双路计数器的方法，通用计数器的缺点，下面将介绍采用双路计数器的方法，对测频或测周都能实现等精度测量。对测频或测周都能实现等精度测量。因此，当 宜测频；当，宜测周。这给使用带来不便，要查164 4 等精度测频（同步测频）等精度测频（同步测频）4 等精度测频（同步测频）17计数器工作原理分析课件18