第6章-电子计数器课件

,第6章 电子计数器,清华大学出版社,第6章 电子计数器,6.1 概述,6.2 通用电子计数器的基本组成,6.3 通用电子计数器的基本测量技术,6.4 电子计数器的测量误差,6.5 E312A型通用电子计数器,本章小结,6.1 概述,6.1.1 时频关系,6.1.2 时频基准,6.1.3 电子计数器的分类,6.1.4 电子计数器的主要性能指标,6.1.1 时频关系,频率是指相同的现象在单位时间内重复出现的次数，常用字母表示。其单位为Hz（赫兹）。而周期性现象是指物体、物理量经过一段相等的时间又重复出现相同状态的现象，这一段相等的时间被称为周期，常用字母,T,表示。其单位为s（秒）。周期,T,和频率是描述同一周期性现象的两个参数，关系为,（6-1）,用以测量频率和周期的方法有很多，如在第3章我们就已介绍过利用示波器测量信号周期和频率的方法，其它常用的方法还有：比较法测量、利用电路频率特性测量和电子计数器测量等。其中，利用电子计数器来测量周期和频率，其精度高、速度快、使用简单，因而得到了广泛应用。,6.1.2 时频基准,1世界时（UT）秒,最早的时间（频率）基准是由天文观测得到的，以地球自转周期为标准而测定的时间称为世界时（UT）。定义地球自转周期（一天）的246060分之一作为世界时的1秒，这种直接通过天文观察求得的时间秒为零类世界时（UT,0,），其准确度在10,6,量级。后来，对地球自转轴微小移动效应进行了校正，得到第一类世界时（UT,1,），再把地球自转的季节性、年度性的变化校正后的世界时称为第二类世界时（UT,2,），其准确度在310,8,量级,。,1960,年，国际计量大会决定采用以地球公转运动为基础的历书时（,ET,）秒作为时间单位，将,1900,年,1,月,1,日,0,时整起算的回归年的,31 556 925,.,974 7分之一,作为,1,秒。按此定义复现秒的准确度提高到十亿分之,1,秒，即,11,0,9,。,2原子时（AT）秒,原子能级跃迁频率作为计时标准，这就是原子时。秒的定义：“秒是Cs,133,原子基态的两个超精细结构能级,F,4，,m,F,0和,F,3，,m,F,0之间跃迁频率相应的射线束持续9 192 631 770个周期的时间”。以此为标准定义出的时间标准称为原子时秒,，时间单位秒由天文秒改为原子秒。这样，时间标准改为由频率标准来定义，其准确度可达,510,14,，是所有其他物理量标准所远远不能及的。,3协调世界时（UTC）秒,协调世界时秒是原子时和世界时折中的产物，即用闰秒的方法来对天文时进行修正。,高度准确的标准频率和时间信号主要是通过无线电波的发射和传播提供给使用部门的。,6.1.3 电子计数器的分类,（1）按功能的不同，电子计数器可以分为四大类 通用计数器。通用计数器具有多种测量功能。,频率计数器。频率计数器只具有测量频率这一单一功能，通常简称为频率计。,时间间隔计数器。时间间隔计数器是以测量时间间隔为基础的计数器,。特种计数器。指具有特殊功能的计数器。,（2）按直接计数的最高频率也可分为四大类,低速计数器。最高计数频率为10MHz。中速计数器。计数频率范围为10100MHz。高速计数器。计数频率范围为100MHz1GHz。微波计数器。计数频率范围为180GHz或更高。,6.1.4 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全部测量功能。,（2）测量范围：说明该仪器测量的有效范围。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。,（3）输入特性。电子计数器通常具有23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。输入特性是标明电子计数器与被测信号源相连的一组特性参数。,（4）测量准确度。常用测量误差中的相对误差来表示，相对误差的绝对值越小，测量的准确度就越高。,（5）石英晶体振荡器的频率稳定度：常用日稳定度表示，一般在,110,-,5,/d,110,-,9,/d。,（6）闸门时间（门控时间）和时标：用以标明仪器内信号源可以提供的闸门时间和时标有几种。,（7）显示及工作方式。通常包括以下四个参数。,显示位数。指可显示的数码位数。,显示时间。指两次测量之间显示结果的时间，一般是可调的。,显示器件。通常用LED或LCD来显示测量的结果。,显示方式。,（8）输出。包含仪器可以直接输出的时标信号种类、输出数码的编码方式以及输出电平值的大小等参数。,6.2 通用电子计数器的基本组成,6.2.1 A、B输入通道,6.2.2 时基信号产生与变换电路,6.2.3 主控门,6.2.4 控制逻辑电路,6.2.5 计数及显示电路,通用电子计数器的基本结构和测量原理基本一致。图6-1所示是一个通用电子计数器的结构方框图。,图6-1 通用电子计数器的结构方框图,6.2.1 A、B输入通道,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，以便于计数电路计数。,常见的施密特电路如图所示。,（a）常见的施密特电路 （b）传输特性,图6-2 施密特电路及其传输特性,其工作过程是：,通电后，将信号输入，当输入信号的电压大于,V,2,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，当电压下降至低于,V,1,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,V,2,后，施密特电路工作，有输出（输出为高电平）；如此反复。,V,2,称为输入电压上升时的转折电平,（或叫阈值电平）,，,V,1,称为输入电压下降时的转折电平。可见，在,施密特电路的传输特性中，输入电压上升和下降时的转折电平是不同的。上升时的转折电平,V,2,大于,下降时的转折电平,V,1,，二者之差称为回差电压，用,V,表示，即,V,V,2,-,V,1,。,施密特电路就是通过,回差电压来对任意的输入信号波形进行整形的。,6.2.2 时基信号产生与变换电路,图6-4 时基电路方框图,作用就是产生标准频率或标准时间信号并进行变换。电子计数器的标准时间信号。为了适应不同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振荡器通过分频或倍频所得，供时基选择电路选用。图6-4为,一个典型的时基电路方框图。,6.2.3 主控门,主控门是一个与门电路，其工作原理如图,6-5,所示。,图6-5 主控门工作原理图,在两个输入端中，一个接收门控信号（输入端B），主控门是否开启受其控制；另一个接收已整形为脉冲波的被测信号（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端为低电平时，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端为一个功能开关，控制A端与C端的连接。,6.2.4 控制逻辑电路,控制逻辑电路需要实现以下功能：,刚接通电源或按动停止键时，使系统处于停止状态。,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以得到时间宽度为,T,的闸门信号，用闸门信号去控制主控门，使主控门开启，开启时间为,T,。,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能够停留一定的时间（根据要求而定），以便于观测和读取数据。,下一次测试开始前，要能对计数器清零，然后重新开启主控门，进行下一次的测量。,该过程能够反复进行。,图6-6 控制逻辑电路,6.2.5 计数及显示电路,计数及显示电路通常包括以下三个组成部分。,（1）计数器。常用十进制计数器，如74LS90，用于对计数脉冲进行计数，计数结果通常用二进制代码存储。（2）译码器。通常采用七段显示译码器，如,74,LS,48。主要用于将,二进制码转换为能驱动显示器显示的字形码。（3）显示器。常用LED或LCD七段数码管，用于将计数器的计数结果显示出来，以便人眼能够进行观察。显示方式分为“有记忆”和“无记忆”两种。,图,6,-,8,为十进制计数电路结构框图。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。,清零信号用于将各计数器清空，使得显示全为“,0,”，一般连接于,74LS90,的,R,端（复位端）。,图6-8 计数及显示电路框图,6.3 通用电子计数器的基本测量技术,6.3.1 频率测量,6.3.2 周期测量,6.3.3 频率比的测量,6.3.4 时间间隔的测量,6.3.5 累加计数,6.3.6 自校,6.3.1 频率测量,原理框图如图,6,-,9,所示。其测量原理如下：,被测信号,x,经过放大整形后成为计数脉冲，加在主控门的输入端。,晶体振荡器产生的振荡信号经过分频器分频后去触发门控电路，使其产生宽度为,T,0,的门控信号。,主控门在时间,T,0,内打开，使得计数脉冲通过，其余时间关闭，不让计数脉冲通过。,通过主控门的计数脉冲列由十进制计数器计数，计数结果,N,在显示器中显示出来。显然，如果,T,0,为1s，则计数结果,N,就是被测信号的频率。可见，,T,0,1s，所显示频率的单位为Hz，若,T,0,1ms，则所显示频率的单位为KHz。,图6-9 测量频率的原理框图,实质上，电子计数器测频的基本原理是比较法。以,T,x,与,T,0,相比较，也就是,x,同,0,相比较：在时间,T,0,内，通过的脉冲数为,N,，每一个脉冲的周期为,T,x,，故而,T,0,N,T,x,，即,NT,0,/,T,x,。,计数器得到时间,T,0,内通过的脉冲个数,N,，而主控门的开启时间,T,0,则确定了计数器所显示数字的单位，两者结合在一起即得到具体的被测频率值,x,。,6.3.2 周期测量,用频率为,x,的被测信号经过B通道去控制主控门的开启，开启时间为,T,x,。而晶体振荡器产生频率为,0,的信号，经过A通道整形得到周期为,T,0,的计数脉冲，送到计数器计数，计数的结果为,N,。即在时间,T,x,内，得到周期为,T,0,的计数脉冲,N,个。故而,（6-3）,6.3.3 频率比的测量,可,知，,T,B,N,T,A,。测量频率比的实质是测量在B信号的一个周期内，A信号通过主控门的脉冲数，即,（6-6）,由,T,B,N,T,A,可知，,T,B,大于,T,A,（即,A,B,），故应将频率高的作为计数脉冲，而将频率低的作为闸门信号，使用时要注意这一点。,6.3.4 时间间隔的测量,测量时间间隔，就是测量任意两点之间所间隔的时间。这两点，,既可以是同一信号上的不同两点，也可以是两个不同信号上的两点。,图,6,-,12所,示为三种不同的时间间隔。,（a）两信号的延迟时间 （b）脉冲的上升时间 （c）脉冲宽度,图6-12 几种时间间隔示意图,这里以测量两信号的延迟时间为例来说明时间间隔的测量。,它需要两个辅助通道B1和B2。大多数电子计数器都有两个辅助通道，但也有一个辅助通道的。对于只有一个辅助通道的电子计数器，在测量时间间隔时，要再用一个测量时间间隔的插件来配合使用。,图6-13 测量延迟时间的原理框图,测量时，晶体振荡器产生频率为,0,的信号，经A通道放大整形后成为一个周期为,T,0,的脉冲序列。两个被测信号分别由辅助通道B1和B2输入。B2通道将输入信号整形为脉冲波后，连接到RS触发器的,S,端，在脉冲波的有效电平到来时，,S,1，故,Q,1，将主控门打开，随后,Q,的输出值不变；B1通道将输入信号整形为脉冲波后，连接到RS触发器的,R,端，在脉冲波的有效电平到来时，,R,1，故,Q,0，将主控门关闭，随后,Q,的输出值不变；完成一次对主控门的控制。在主控门开启的时间内，A通道的脉冲通过，送入计数器进行计数。显然，主控门开启的时间,T,B1,-,B2,就是要测量的延迟时间，其值为,（6-7）,6.3.5 累加计数,累加计数是通用电子计数器最基本的功能，其原理框图如图所示。闸门开关,S是人工控制的；S置于,“,”时，主控门打开，开始计数；S