电子计数器测量原理.ppt

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.频率测量原理,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：fxnt（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：txnt0（7.1）,.周期测量原理,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txnt010n(73),.周期测量原理,3.ta-b测量原理,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（73）,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n1或n1。即最大计数误差为n1。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（7.5）,1最大计数误差（1误差）,很显然，在测频、测周、测fafb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误差。,最大计数误差的特点是：不管计数n是多少，n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nn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，必要时使用周期乘率开关，进行多周期平均测量。,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fafb、累加计数等功能不存在该项误差。,2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107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tn，引起所谓的触发误差。经推导，触发误差的大小为：(76)式中um信号的振幅；un干扰或噪声的振幅。可见，信噪比（umun）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、fafb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，fx1hz，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：、该方法不能直接读出被测信号的频率值或周期值；、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fxfxm时，宜采用测频的方法，当被测信号的频率fxfxm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，计数器的累计数nafxt；计数器的累计数nbf0t。再由运算部件计算得出即为被测频率。计数器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，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。主门与主门在时间t内被同时打开，于是计数器和计数器便分别对被测信号（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f010mhz，则由1误差而引起的相对误差恒定为107。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，上述测量方法也称为倒数计数器法。,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23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(t0100ns)，内插模拟扩展倍数n1000，则被测时间可表示为,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n1000)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e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发器的输出插孔，以便接到示波器上观察。,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，进一步降低其成本和功耗,7.2典型部件的分析,7.2.1输入通道,国产as3341通用计数器中主计数器电路及其与微型计算机的接口电路,该计数器高计数频率100mhz，字长8个字节，由前、中、后三级构成。前级计数器采用了三类计数器集成芯片：高速ecld触发器e1013、高速ttl触发器74ls112、中速低耗计数器74ls93；中级计数器由可编程计数器ctc通道1担任；后级为软件计数，即记录cpu响应ctc的中断进行计数。最后再由微型计算机将三级计数器的值组合构成一组完整的计数值。,7.2.3单片通用计数器集成芯片,icm7226是一种高集成度单片式通用计数器芯片，它仅要求单一的5v电源供电、外接少量元件，就可以构成一台功能齐全的8位通用计数器。icm7226系列芯片的测频范围为010mhz，测周范围为0.5s10s，并有0.01s，0.1s，1s，10s4个闸门时间供选择。可直接驱动led显示。icm7226b由10mhz时基振荡器、5位十进制分频器、8位十进制的主计数器和锁存器、段译码驱动器及8位的位扫描器、控制逻辑电路等组成。内部框图及引脚排列如图7-19与图7-20所示。,一、icm7226介绍,7.2.3单片通用计数器集成芯片,icm7226是一种高集成度单片式通用计数器芯片，它仅要求单一的5v电源供电、外接少量元件，就可以构成一台功能齐全的8位通用计数器。icm7226系列芯片的测频范围为010mhz，测周范围为0.5s10s，并有0.01s，0.1s，1s，10s4个闸门时间供选择。可直接驱动led显示。icm7226b由10mhz时基振荡器、5位十进制分频器、8位十进制的主计数器和锁存器、段译码驱动器及8位的位扫描器、控制逻辑电路等组成。内部框图及引脚排列如图7-19与图7-20所示。,一、icm7226介绍,二、典型应用电路,icm7226b等大规模集成电路已经应用于通用计数器产品中，例如的e312a型通用计数器、ym3371型数字频率计等。这些产品由于选用了大规模集成电路，具有电路简单、体积小、重量轻、耗电小等一系列优点。,有六种测试功能可供选择。只要将功能选择输入端(4脚)分别与位扫描器输出端d1，d2，d3，d4，d8连接，便可使仪器置于相应的频率测量、频率比测量、自检测量、累加计数、时间间隔测量、周期测量等功能测量。有四种量程可供选择，量程选择实际就是改变主计数器的闸门时间，只要将量程选择输入端与位扫描器输出端d1，d2，d3，d4，d5连接时，便可产生0.01s，0.1s，1s，10s四种闸门时间和外接闸门时间输入。,一、icm7226介绍,由icm7226b组成的10mhz通用计数器简图,7.3.1以icm7226为基础的智能频率计,7.3智能电子计数器的设计,采用微处理器对icm7226进行控制，可在很大程度上克服上述不足。其设计思想是采用高、中、低频分段测量的方法。即当判断信号的频率fx10mhz，先将被测信号进行一次预分频，然后再进入icm7226测量；如果3140hzfx10mhz，则不经预分频，使icm7226直接对被测信号测频；当被测信号低于3140hz时，则将icm7226的功能改为测周，先测出被测信号的周期，然后再用软件将其换算成频率再去显示，3140hz是icm7226的中界频率。,用icm7226设计的电子计数器具有体积小、成本低等优点，但也有明显的不足：一是上限频率太低，只有10mhz；二是由于icm7226内部电路是按照传统频率测量原理进行设计的，因而当被测信号的频率很低时，便会产生很大的量化误差。,7.3.1以icm7226为基础的智能频率计,7.3.1以icm7226为基础的智能频率计,7.3智能电子计数器的设计,7.3.2等精度频率计的设计实例,目前，以微处理器为基础的电子计数器设计普遍采用多周期同步测量方法，本节以一个用8031单片机作为控制单元的等精度频率计为例，说明其设计原理。,7.3.1节介绍的智能频率计采用了微处理器对icm7226进行控制，如果被测信号fx340hz（中界频率），则使icm7226直接对被测信号测频；当被测信号低于3140hz时，则将icm7226的功能改为测周，先测出被测信号的周期，然后再用软件将其换算成频率再去显示。但是，采用7.3.1节介绍的方法在中界频率附近仍不能达到较高的测量精度（约为10-4量级）。若采用多周期同步测量方法，便可较容易地在全频段达到10-4量级，实现等精度的频率测量。,7.3.2等精度频率计的设计实例,该等精度频率计主要由五部分组成：单片机控制部分、通道部分、同步电路部分、计数器部分、键盘与显示部分。,一、等精度频率计的组成,任务：通过p1口与p3口进行整机测量过程的控制、故障的自动检测以及测量结果的处理与显示等。p1.0作预置闸门时间控制线；p1.1作同步门控制电路的复位信号线；,18031单片机及其接口部分,p1.2作查询实际闸门时间的状态线；p1.3作计数器复位信号线；p1.4p1.7用做控制仪器键盘灯；p3.0，p3.1作为通道部分的控制线。8031单片机内部的两个16位定时计数器作两个主计数器的一部分，并通过t0，t1分别与外部的事件计数器和时间计数器的进位端相接。外部的事件计数器和时间计数器的测量结果分别通过扩展输入口与p口相连。8155作为8031的扩展i0口，用来与键盘和显示电路接口，其内部的14位计数器被用来作为本机预置闸门时间的定时器，定时器的输入信号取自8031的ale端，定时器的输出与8031的int1端相接，作为中断申请信号。,主要由放大、整形和一个十分频的预分频电路组成。本机设计测频范围为20hz100mhz，当被测频率大于10mhz时，需先经预分频电路分频后再送入计数器电路。,2通道部分,由主门、及同步控制电路组成。主门控制被测信号fx的通过，主门控制时钟信号fo的通过，两门的启闭都由同步控制电路控制。,3同步电路,计数器包括事件计数器和时间计数器两组完全相同的计数电路，分别由前后两级组成。前级电路由高速的ttl计数器74ls393构成八位二进制计数器，电路如图7-26示，计数前由p1.3发计数器清零信号，计数后通过4ls244缓冲器将测量结果读入内存；后级由8031单片机内的定时/计数定数器构成。,4计数器电路,键盘与显示部分的电路如图所示，这是一个较为典型的采用8155并行口组成的键盘显示电路。七位led显示采用了动态显示软件译码工作方式。段码由8155的pb口提供，位选码由pa口提供。键盘共设置了4个按键，采用逐列扫描查询工作方式，其列输出由pa口提供，列输入,由pc口提供。由于键盘与显示做成一个接口电路，因此软件中合并考虑键盘查询与动态显示。为了使显示器的动态扫描不出现断续，键盘防抖的延时子程序用显示子程序替代。,5键盘与显示部分,1测量准备p1.3发出复位信号，使计数器清零；同时p1.1也发复位信号，使同步d触发器的q端为低电平，则主门和主门关闭。这时p1.0的初状态为“1”，使d触发器的d端为高电平。同步门可靠关闭。2测量开始p1.0从高电平跳到低电平，使d触发器的d端为“0”，这时被测信号一旦到达ck端，触发器q立即由“0”“1”，同步门被打开，被测信号和时间信号分别进入相应的计数器进行计数。的p1.0从高电平跳到低电平的同时，也启动了计时系统开始计量闸门时间。3测量结束当预定的测量时间(1s或0.1s)结束时，int1端便测到时间信号，此时令p1.0从低电平恢复到高电平，随后紧跟而来的被测信号再次触发d触发器，使之翻转，q端由高电平转为低电平，使同步门关闭，计数器停止计数。4数据处理当查询到p1.2的状态为低电平时，单片机就进行读数、运算、数据处理等工作，并将结果输出显示。然后又重复上述过程进行下一次测量。,二、等精度频率计的测量过程,三、等精度频率计软件系统,测量原理参见7.1.2节的分析,四、平均模式的时间间隔ta-b测量功能的实现,在图725的基础上再增加一个同步控制电路2（d触发器）和一个b输入通道，就可以实现平均模式的时间间隔tab的测量功能。,四、平均模式的时间间隔ta-b测量功能的实现,在测得两个同频信号之间的时间间隔ta-b及周期的基础上，通过计算即可求出两信号的相位差。在上述电路的基础上，若将两个通道的输入端连在一起，并分别选择两个通道的触发极性和触发电平，就能实现对脉冲宽度的测量。在测得信号的脉冲宽度及其周期的基础之上，再通过计算还可得到被测脉冲信号的占空比。,7.4.1仪器的原理与组成（as3341型100mhz通用计数器）,7.4典型智能计数器产品介绍,该仪器有a和b两个输入通道，其触发电平可以通过da转换器进行自动或手动设置。测量模式电路可以组合成进行各种测量功能的电路，从而实现频率、周期、时间间隔、频率比、单次脉冲串频率、相位差、无间隔阿伦方差等多项测量。仪器不用于测量时，还可作为数字钟使用。仪器采用了多周期同步测量原理，即预置闸门时间并由输入信号去同步闸门，测量输入信号多个完整周期内对频标计数的平均值，从而实现了全频段的“等精度测量”。仪器能自动连续存192个测量数据，通过运算和处理可以求出给定次数测量数据的最大值、最小值、平均值和标准方差值，这些数据随时可以查阅。此外仪器还可查阅预置的闸门时间、触发电平以及测量的次数等。仪器使用按键取代了传统的琴键开关和调节旋钮，实现了面板键盘化。测量数据由九位led显示，除此之外还设置三位led来显示表明仪器状态的状态字，设置了若干led管指示单位，显示结果一目了然。采用高稳定度的恒温晶体振荡器，日老化率为3109。,7.4.1仪器的原理与组成,7.4.1仪器的原理与组成,脉冲串频率测量功能是用来测量间歇振荡信号的频率，原理如图。按测量键后，闸门由a输入信号触发开启，经过n个事先预置的被测信号周期之后，闸门自动关闭。那么由计数器测得的时间t就可以计算得到脉冲串频率fn/t。本仪器设置有n1，3，