智能化仪器原理及应用(第三版)课件：智能型电子计数器

智能化仪器原理及应用

(第三版)智能型电子计数器

6.1电子计数器的技术性能6.2通用电子计数器的基本组成6.3通用电子计数器的测量原理6.4电子计数器中的智能技术6.5典型智能电子频率计实例6.6实训项目五——采用测频法和测周法测量频率的误差分析本章小结思考题与习题

6.1.1电子计数器的分类根据仪器所具有的功能，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；配上相应的插件，还可以测量相位、电压等。一般我们把凡具有测频和测周两种以上功能的电子计数器都归类为通用计数器。6.1电子计数器的技术性能【任务目标】

(1)能够正确使用IE浏览器。

(2)能够使用常用搜索引擎搜索资料。

(3)能够保存网页、文字和图片等网络资源。

(4)能够从网上下载文件。

(5)了解互联网的基本概念和原理。

专用计数器是指专门用于测量某种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、用以测量时间为基础的时间计数器和具有某种特殊功能的特种计数器。时间计数器测时分辨率很高，可达到ns量级；特种计数器如可逆计数器、预置计数器、差值计数器等，主要用于工业自动化方面。

智能型电子计数器是指采用了计算机技术的电子计数器。由于智能型电子计数器的一切“动作”都是在微处理器的控制下进行的，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了重大的变化。由于通用计数器应用范围最广，原理也最典型，因此本章的讨论以通用计数器为主。6.1.2电子计数器的主要技术性能

1.测试功能电子计数器所具备的测试功能一般包括测量频率、周期、频率比、时间间隔、累加计数和自校等。

2.测量范围

电子计数器的有效测量范围是相对于测量功能而言的，不同的测量功能其测量范围的含义也不同。如测量频率时是指频率的上、下限；测量周期时是指周期（时间单位）的最大、最小值。

3.输入特性一般情况下，当仪器有2~3个输入通道时，需分别给出各个通道的特性，主要有：（1）输入灵敏度：指仪器正常工作所需输入的最小电压。（2）输入耦合方式：主要有AC（交流）耦合和DC（直流）耦合两种。AC耦合时，被测信号经隔直电容输入；DC耦合时，被测信号直接输入，在低频及脉冲信号输入时宜采用这种耦合。

（3）输入阻抗：包括输入电阻和输入电容，并有高阻抗（例如1MΩ//25pF）和低阻抗（例如50Ω）之分。前者多用于频率不太高的场合，以减小对信号源的负载影响；后者多用于频率较高的场合，以满足匹配要求。（4）最大输入电压：允许的最大输入电压。超过最大输入电压后，仪器不能保证正常工作，甚至会被损坏。

4.测量准确度

测量准确度常用测量误差来表示，主要由时基误差和计数误差决定。时基误差由晶体振荡器的稳定度确定，电子计数器通常给出晶体振荡器的标准频率及其频率稳定度；计数误差主要指量化误差。关于计数器的测量误差将在本章后面讨论。

5.闸门时间和时标由仪器内部标准时间信号源提供的标准时间信号包括闸门时间信号和时标信号，可以有多种选择。

6.显示及工作方式（1）显示位数：仪器可显示的数字位数。（2）显示时间：仪器一次测量结束后显示测量结果的持续时间。一般可以调节。（3）显示方式：通常有记忆和不记忆两种方式。前者只显示最终计数的结果，后者则显示正在计数的过程。有的计数器只有记忆显示方式。（4）显示器件：仪器所采用的显示仪器类型。

7.输出

这里指的是仪器可输出的标准时间（频率）信号的种类、输出数据的编码方式及输出电平的高低等。

图6-1通用计数器基本组成原理框图6.2.1基本组成通用电子计数器的基本组成原理框图如图6-1所示。电路由A、B输入通道,主门电路，计数与显示单元，时基单元以及控制单元五大部分组成。不同测量功能，各单元间的信号连接也不同，由转换开关切换。下面分别介绍各单元的作用及其组成特点。6.2通用电子计数器的基本组成

1.A、B输入通道

输入通道的作用是将被测信号进行放大、整形，使其变换为标准脉冲。输入通道部分包括A、B两个通道，它们均由衰减器、放大器和整形电路等组成。凡是需要计数的外加信号（例如测频信号），均由A输入通道输入，经过A通道适当的衰减、放大整形之后，变成符合主门要求的脉冲信号。而B输入通道的输出与一个门控双稳相连，如果需要测量周期，则被测信号就要经过B输入通道输入，作为门控双稳的触发信号。

2.主门电路主门又称闸门，它是用于实现量化的比较电路，它可以控制计数脉冲信号能否进入计数器。主门电路是一个双输入端逻辑与门，如图6-2所示。它的一个输入端接受来自控制单元中门控双稳态触发器的门控信号，另一个输入端则接受计数(脉冲)信号。在门控信号作用有效期间，允许计数(脉冲)通过主门进入计数器计数。图6-2主门电路

3.计数与显示单元计数与显示电路是用于对来自主门的脉冲信号进行计数，并将计数的结果以数字的形式显示出来。为了便于读数，计数器通常采用十进制计数电路。带有微处理器的仪器也可用二进制计数器计数，然后转换成十进制并译码后再进入显示器。

4.时基单元时基电路主要由晶体振荡器、分频及倍频器组成。时基电路主要用于产生各种标准时间信号。标准时间信号有两类：一类时间较长的称为闸门（时间）信号，通常根据分频级数的不同有多种选择；另一类时间较短的称为时标信号。时标信号可以是单一的，也可以有多种选择。

由于电子计数器类仪器是基于被测信号的时间与标准时间进行比较而进行测量的，其测量精度与标准时间有直接关系，因而要求时基电路具有高稳定性和多值性。为了使时基电路具有足够高的稳定性，时基信号源采用了晶体振荡器。在一些精度要求更高的通用计数器中，为使精度不受环境温度的影响，还对晶体振荡器采取了恒温措施。为了实现多值性，在高稳定晶体振荡器的基础上，又采用了多级倍频和多级分频器。电子计数器共需时标和闸门时间两套时间标准，它们由同一晶体振荡器和一系列十进制倍频和分频来产生。例如图6-1中，1MHz晶体振荡器经各级倍频及前几级分频器得到10ns、0.1μs、1μs、10μs、0.1ms和1ms六种时标信号；若再经后几级分频器可进一步得到1ms、10ms、100ms、1s和10s五种闸门时间信号。

5.控制单元控制电路的作用是产生门控信号（Q）、寄存信号（M）和复零信号（R）三种控制信号，使仪器的各部分电路按照准备→测量→显示的流程有条不紊地自动进行测量工作。控制单元中包括前述的门控双稳态电路，它输出的门控信号用于控制主门的开闭，在触发脉冲作用下双稳态电路发生翻转。通常以一个输入脉冲开启主门，另一路输入脉冲信号使门控双稳复原，关闭主门。6.2.2控制电路的工作过程在测频功能下控制电路的工作过程为：在准备期，计数器复零，门控双稳复零，闭锁双稳置“1”，门控双稳解锁（即J1为1），处于等待一个时标信号触发的状态。在第一个时标信号的作用下，门控双稳翻转（Q1为1），使主门（闸门）打开，被测信号通过主门进入计数器计数，仪器进入测量状态；当第二个时标信号到来时，门控双稳再次翻转使主门关闭，于是测量期结束而进入显示期；在显示期，门控双稳在翻转的同时也使闭锁双稳翻转（Q2为0）。闭锁双稳的翻转一方面使门控双稳闭锁（J1为0），避免了在显示期门控双稳被下一个时标信号触发翻转；另一方面也通过寄存单稳产生寄存信号M，将计数结果送入寄存器寄存并译码驱动显示器显示。为了使显示的读数保持一定的时间，显示单稳产生了用于显示时间的延时信号。显示延时结束时，又驱动复零单稳电路产生计数器复零信号R和解锁信号，使仪器又恢复到准备期的状态，于是上述过程又将自动重复。通用计数器控制部分电路控制信号的时间波形图如图6-3所示。从以上过程可以看出，控制电路是整个仪器的指挥中心。图6-3控制信号的时间波形图6.2.3通用电子计数器的基本功能图6-1所示的通用电子计数器共含有五个基本功能，它是通过功能开关进行选择的。当功能开关置于位置“2”时，仪器处于频率测量功能，此时被测信号从A端输入。当功能开关置于位置“3”时，仪器处于周期测量功能，此时被测信号从B端输入。

当功能开关置于位置“4”时，仪器处于A信号与B信号的频率比(fA/fB)测量功能。当功能开关置于位置“5”时，仪器处于累加计数功能。累加计数是在一定的人工控制的时间内记录A信号的脉冲个数，其人工控制的时间通过操作开关S来实现（图中未画出）。

当功能开关置于位置“1”时，仪器处于自校功能。从电路的连接可以看出其电路连接如同频率测量电路，所不同的是在自校功能下被测信号是机内时标信号，因而其计数与显示的结果应是已知的。若显示的结果与应显示的结果不一致，则说明仪器工作不正常。

通用计数器一般具有测频、测周、测TA~B等多种功能，但最基本的测量功能是测频和测周。下面按功能分别讨论通用电子计数器的测量原理。6.3通用电子计数器的测量原理6.3.1测量频率频率定义为一个周期性过程在单位时间内重复的次数。只要在一定的时间间隔T内测出这个过程的周期数N，即可按下式求出频率:

(6-1)

图6-4为传统的频率测量原理框图。频率为fx的被测信号，由A端输入，经A通道放大整形后输往主门（闸门）。晶体振荡器（简称晶振）产生频率准确度和稳定度都非常高的振荡信号，经一系列分频器逐级分频之后，可获得各种标准时间脉冲信号（简称时标）。通过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、闭作用的时间T（称闸门时间），则在所选闸门时间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=N/T。图6-4频率测量原理框图仪器闸门时间T的选择一般都设计为10ns（n为整数），并且闸门时间的改变与显示屏上小数点位置的移动同步进行，故使用者无须对计数结果进行换算，即可直接读出测量结果。例如,被测信号频率为100kHz，闸门时间选1s时，N=100000，显示为100.00kHz；若闸门时间选100ms，则N=10000，显示为100.00kHz。测量同一个信号频率时，闸门时间增加，测量结果不变，但有效数字位数增加，提高了测量精确度。6.3.2测量周期

周期是频率的倒数，因此，测量周期时可以把测量频率时的计数信号和门控信号的来源相对换来实现。图6-5为传统的周期测量原理图。周期为Tx的被测信号由B通道进入，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。晶体振荡器输出的信号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，所选时标经A通道送往主门。在主门的开启时间内，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

（6-2）图6-5周期测量原理图

由于T0（f0）为常数，因此Tx正比于N。T0通常设计为10ns(n为整数)，配合显示屏上小数点的自动定位，可直接读出测量结果。例如,某通用计数器时标信号T0＝0.1μs

(f0=10MHz)

,测量周期Tx为1ms的信号，得到N=Tx/T0=10000，则显示结果为1000.0μs。

如果被测周期较短，为了提高测量精确度，还可采用多周期法（又称周期倍乘），即在B通道和门控双稳之间加设几级十进分频器（设分频系数为Kf），这样使被测周期得到倍乘即主门的开启时间扩展Kf倍。若周期倍乘开关Kf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应为

（6-3）

周期倍乘率（Kf）的改变与显示屏上小数点位置的移动同步进行，故使用者无须对计数结果进行换算，即可直接读出测量结果。例如,前例中若采用多周期法，设周期倍乘率选102，则计数结果N′为1000000，显示结果为1000.000μs。测量结果不变，但有效数字位数增加了，测量精确度提高了。6.3.3测量频率比测量频率比的原理框图如图6-6所示。图6-6测量频率比的原理框图

当fA>fB时,被测信号fB由B通道输入，经（放大）整形后控制主门的启闭，门控信号的脉宽等于B通道输入信号的周期；而被测信号fA由A通道输入，经（放大）整形后作为计数脉冲，在主门开启时送至计数器计数。计数结果为

（6-4）

为了提高测量精确度，也可采用类似多周期的测量方法，即在B通道后加设分频器，对fB进行Kf次分频，使主门开启的时间扩展Kf倍，于是

(6-5)

选择不同的倍乘率（Kf）时，显示屏上小数点的位置相应地变化，从显示屏幕上可以直接读出测量结果而无须换算，只是测量结果的有效数字位数发生了变化。

6.3.4测量时间间隔测量时间间隔的原理框图如图6-7所示。图6-7测量时间间隔的原理框图

测量时间间隔时，利用A、B输入通道分别控制门控电路的启动和复原。在测量两个输入脉冲信号u1和u2之间的时间间隔（双线输入）时，将工作开关S置“分”位置，把时间超前的信号加至A通道，用于启动门控电路;另一个信号加至B通道，用于使门控电路复原。

测量时，A通道的输出脉冲较早出现，触发门控双稳开启主门，开始对时标信号T0（D处信号）计数;较迟出现的B通道的输出脉冲使门控电路复原，关闭主门，停止对T0计数，有关波形如图6-8所示。主门开启期间计数器的计数结果N与两脉冲信号间的时间间隔td的关系为

td=NT0

（6-6）图6-8测量时间间隔的波形图

为了适应测量的需要，在A、B通道内分别设置有斜率（极性）选择和触发电平调节功能。根据所要测量的时间间隔所在点的信号极性和电平的特征来选择触发极性和触发电平，就可以在被测时间间隔的起点和终点所对应的时刻决定主门的启闭。当需要测量一个脉冲信号内的时间间隔时，将工作开关S置“合”的位置，两通道输入并联，被测信号由此公共输入端输入。调节两个通道的触发极性和触发电平，可测量脉冲信号的脉冲宽度、前沿、休止期等参数。

如要测量某正脉冲的脉宽，将A通道触发极性选择为“＋”，B通道触发极性选择为“-”，调节两通道触发电平均为脉冲幅度的50％，则计数结果即为脉宽值。若A、B通道的触发极性分别改选为“-”和“＋”，则可测得脉冲休止期时间。如果要测量正脉冲的前沿，则将两通道的极性均选择为“＋”，调节A通道的触发电平到脉冲幅度的10％处，调节B通道的触发电平到脉冲幅度的90％处，则计数结果即为该脉冲的前沿值。

上述控制门控电路启动和复原的两个输入通道可以是围绕图6-7所述的测量过程中的两个输入通道，有的计数器也另外增设辅助输入通道。

6.3.5累加计数累加计数是指在给定的时间内，对输入的脉冲个数进行累计。累加计数的原理框图如图6-9所示。图6-9累加计数的原理框图

累加计数时，门控电路改用人工控制。门控电路被启动后，主门开启，输入脉冲通过主门进入计数器累加计数;门控双稳电路被复原后，主门关闭，计数停止，显示器直接显示累加计数的总和。注意，在开启主门前，应先做复零操作，此时仪器显示为零。6.3.6自校在正式测量前，为了检验仪器工作是否正常，一般智能型电子计数器都设有自校功能。自校的原理框图如图6-10所示。图6-10自校的原理框图

自校时，晶体振荡器经过倍频器（倍频系数m）输出的标准时间信号，即时标信号

，被用作通过主门到达计数器的计数信号；晶体振荡器经过分频电路（分频系数Kf）输出的标准时间信号，即闸门时间信号T，被用作门控电路的触发信号。此时,计数器的计数结果取决于所选的时标信号和闸门时间信号，即倍频系数m和分频系数Kf，则有如下公式：（6-7）操作人员可根据上式对仪器实现自校。6.3.7通用计数器测量误差的类型通用计数器的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都是不一样的。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）

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（参见图6-11）。其结果可能为N，也可能为N+1或N-1。由此可见，最大计数误差ΔN=±1，该项误差将使仪器最后的显示结果有一个字的闪动。最大计数误差的相对误差的形式为图6-11

±1误差示意图

很显然，在测频、测周、测fA/fB等功能中，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，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是多大，ΔN的最大值都为±1。因此，为了减小最大计数误差对测量精度的影响，在仪器使用中所采取的技术措施是：尽量使计数值N大，使ΔN/N误差相应减小。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，必要时使用周期倍乘率开关，进行多周期平均测量。

2.标准频率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，因此，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（或外部接入）的晶体振荡器的准确度Δf0

/f0。

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/fB、累加计数等功能中不存在该项误差。

为了使标准频率误差对测量结果产生的影响足够小，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，7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±1误差所引起的测量误差。

3.触发误差当进行周期等功能的测量时，门控双稳的门控信号由通过B通道的被测信号所控制。当无噪声干扰时，主门开启时间刚好等于一个被测信号的周期Tx。如果被测信号受到干扰，当信号通过B通道时，将会使整形电路（施密特触发器）出现超前或滞后触发，致使整形后波形的周期与实际被测信号的周期发生偏离ΔTx，引起所谓的触发误差（或转换误差）。经推导，触发误差ΔTx/Tx的大小为（6-9）

式中：Um——信号的振幅；

Un——干扰或噪声的振幅。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。因此，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的，所以不会存在触发误差。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。

采用周期倍乘率开关进行多周期测量，可减弱此项误差。例如，如果周期倍乘率取10，则只在第1个周期开始与第10个周期结束时会产生触发误差，使触发误差相对减弱了一个数量级。通过上述分析，可得频率测量误差表达式如下：

(6-10)

式中,Tg为闸门时间。另外，可得周期测量误差表达式如下：式中,10n为周期倍乘率值(n取0，1，2，3，4)，Tn为选用的时标信号。其他功能的测量误差表达式可根据仪器的具体电路结构并参照上述分析列出。6.4.1多周期同步测量技术

1.等精度测量在按图6-4所示的原理测量频率时，当被测频率很低时，由±1误差而引起的测量误差将大到不能允许的程度。6.4电子计数器中的智能技术例如，fx=1Hz，闸门时间为1s时，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，这样便可得到较高的精确度。在测量周期时，当被测周期很小时也会产生同样的问题，并且也可以采取同样的解决办法，先测频率，再换算出周期。

测频量化误差及测周量化误差与被测信号频率的关系如图6-12所示，图中测频和测周量化误差曲线交点所对应的被测信号频率称为中界频率fxm。在中界频率下，由测频和测周所引起的量化误差相等。很显然，当fx＞fxm时宜采用测频的方法，当fx＜fxm时宜采用测周的方法。中界频率fxm与测频时所取的闸门时间以及测周时所取的时标有关。例如，测频时取闸门时间为1s，测周时取时标为10ns的中界频率fxm＝10kHz，由图可知，此时两种方法所引起的量化误差均为10-4。图6-12测频量化误差及测周量化误差与被测信号频率的关系图

上述测量方法是减小由±1误差引起的测量误差的一种有效方法，但还存在两个问题：一是该方法不能直接读出其频率值或周期值；二是在中界频率附近，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。该方法不仅可以直接读取频率值或周期值，而且还可以使其测量精度在全频段上一致，即实现了等精度测量。

2.多周期同步测量原理多周期同步测量原理与传统的频率和周期的测量原理不同，其测量原理可用图6-13所示的框图来分析。图6-13多周期同步测量原理框图

预置闸门时间产生电路用于产生预置的闸门时间Tp，Tp经同步电路便可产生与被测信号fx同步的实际的闸门时间Tg。主门Ⅰ与主门Ⅱ在时间Tg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。在时间Tg内，计数器Ⅰ的累计数NA=fxTg，计数器Ⅱ的累计数NB=f0Tg,再由运算部件计算得出fx=(NA/NB)×f0,即为被测频率。

计数器Ⅰ记录了被测信号的周期数，所以通常称为事件计数器。由于闸门的开和关与被测信号同步，因而实际的闸门时间Tg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Tg内对标准时钟信号进行计数，以确定实际开门的闸门时间Tg的大小，所以计数器Ⅱ通常称为时间计数器。

由图6-14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误差的影响了。但由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，因此计数器Ⅱ所记录的NB的值仍存在±1误差的影响，只是由于时钟频率很高，±1误差的影响很小。所以测量精度与被测信号的频率无关，且在全频段的测量精度是均衡的。图6-14多周期同步测量工作波形图

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为10-7。若要进一步减小这项误差的影响，须再增大时钟频率f0。由图6-14还可以看出，NB实际是NA个被测信号周期的时钟脉冲的个数，由运算部件计算fx的值为多周期测量的平均值，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要复杂，但若使用微处理器可使电路大大简化，所以在智能型电子计数器中完全可采用此方法。

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。因此，从测频的角度来讲，上述测量方法也称为倒数计数器法。6.4.2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，其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。

图6-15示出了内插法测量波形图。由波形图可以看出，采用内插法测时间间隔，不仅要累计T内的时钟脉冲数，而且还把产生±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。如果时钟频率为10MHz（T0=100ns），内插模拟扩展倍数N=1000，则被测时间间隔可以表示为图6-15内插法测量波形图

将T1和T2展宽的办法是：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（例如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；最后再用原来的时钟对其进行测量计数得到N1和N2。

一个实际的模拟扩展器的电路原理图如图6-16所示，它主要由一对高速电流开关V1、V2，恒流源I1(I1=10mA)、I2(I2=10μA)（即I1=1000I2），阈值检测管V3等部分组成。

模拟扩展器的工作原理为：初始状态V1导通、V2截止，10μA恒流源I2对电容C充电，使A点电位上升到约5.7V，V3导通。在T1（或T2）时间内，电流开关V1截止,V2导通，电容C通过V2放电，使A点电位下降，V3截止，则在T1（或T2）时间内放走的电荷Q1=(I1-I2)×T1。T1结束后，电流开关又转换为使V1导通、V2截止的初始状态，10μA恒流源I2对电容C充电，使A点电位逐步上升。若在时间内，A点电位上升到约5.7V，使V3重新导通而使充电结束，则在内充到的电荷。显然Q1=Q2，于是可得：

（6-12）（6-13）图6-16模拟扩展器电路原理图

在这段时间内,V3处于截止状态，B点的电压为0V；V3导通时，B点电压为1V(10μA×100kΩ)，则B点出现了一个宽度为1000

T1的脉冲，再经运算放大器放大即可触发扩展触发器。内插扩展测量原理需要多个计数器进行计数，工作过程较复杂，一般需微处理器参与控制。其控制程序的一般流程是：先启动一次测量；然后对各计数器的计数值分别读入；最后再执行一次运算并显示其运算结果。

实现频率测量的方法较多，可使用专用芯片，其电路简单，调试容易，但一般造价较高，使用时灵活性欠佳。本节介绍一种利用单片机AT89C2051实现的频率智能化测量方法，其所需外围元件较少，扩展性强，测试准确度高，与NFC-10A型频率计相当，在频率高端的分辨率比NFC-10A型高。该频率计实现了频率测量自动换挡，具有一定的实用价值和参考价值。6.5典型智能电子频率计实例6.5.1频率计的系统结构智能型频率计以单片机AT89C2051为控制芯片。AT89C2051是MCS-51系列单片机中的一种，由其完成电路中待测信号的计数、译码和显示，以及对分频比的控制。智能型频率计的电路结构框图如图6-17所示。待测信号经放大整形后，由分频器进行分频，分频后的信号再经CD4051选择后送入单片机的T0端进行计数，分频比受单片机控制。时基信号发生器主要产生脉宽为1s的闸门信号，并输入单片机的INT0端，用以启停T0的计数。计数的结果经软件译码后送入数码显示器显示。图6-17智能型频率计的电路结构框图6.5.2主要电路工作原理

1.分频器由于AT89C2051单片机内部的两个计数器均是16位的，因此最大计数范围为216。若闸门时间为1s，则所测信号最高频率为65.535kHz。为实现频率较高信号的测量，采用3片74HC90构成1/10、1/100和1/1000分频器，这样，理论上可测信号的最高频率为65.535MHz。分频后的信号通过数据选择器送入CPU的T0端，数据选择器受CPU的P1.0和P1.1控制。

2.时基电路闸门信号的产生由CD4060和CD4013完成。CD4060构成石英晶体振荡器和分频器，将32768Hz晶体振荡信号分频为2Hz信号，再经过CD4013双D触发器4分频获得持续时间为1s，频率为0.5Hz的时基（闸门）信号。闸门信号送入单片机的INT

0端，用来控制T

0计数器的启停。

3.系统频率测量原理根据单片机AT89C2051中计数器T0的方式1结构图（如图6-18所示）可知，T0计数脉冲控制电路中，有一个方式电子开关，当C/T为“0”时，方式电子开关打在上面，以振荡器的12分频信号作为T0的计数信号，此时作为定时器使用；C/T为“1”时，方式电子开关打在下面，此时以T0（P3.5）引脚上的输入脉冲作为T0的计数脉冲，这种情况下可对外界脉冲进行计数。

C/T的状态可由T0的方式寄存器TMOD进行设置。因为系统中需对输入T0（P3.5）端的信号进行计数，所以将C/T设为“1”。由图6-18还可以看出，当GATE为0时，只要TR0为“1”，计数控制开关的控制端即为高电平，使开关闭合，计数脉冲加到定时器T0，允许T0计数。当GATE为“1”时,仅当TR0为“1”且INT0引脚上输入高电平时，控制端为高电平，控制开关闭合，允许T0计数。TR0为“0”或INT0输入低电平都可控制开关断开，禁止T0计数。图6-18定时器T

0方式1结构图

根据定时器T0的结构原理，系统中将GATE位、TR0均设为“1”，INT0端输入标准闸门信号，内部同时开启外中断EX0。当时基信号到来时，计数器T0闸门打开，并开始计数；当时基信号的下降沿到来时，计数器T0闸门关闭，同时INT0产生中断，此时将TR0清零，计数器停止计数，读取TL0、TH0的数据（设为N）并保存。由测频公式（6-14）可知，此数据即为被测信号的频率值（因为系统中闸门时间为1s）：（6-14）频率测试时序如图6-19所示。图6-19频率测试时序图6.5.3软件设计该频率计的软件程序除主程序外，主要包括INT0中断服务程序、自动换挡子程序和显示子程序。INT0中断服务程序的流程图如图6-20所示，主要完成测频、BCD码转换、译码等功能。在设计自动换挡子程序时，将计数器T0设为方式1，C/T位置“1”。此时,T0为16位计数方式，故在不分频时测试的信号最大频率为216Hz，即65535Hz。若计数器T0溢出产生中断，便进入换挡设置子程序，增大分频比，直至T0不溢出。若分频比较大，而输入信号频率较小，则可逐渐减小分频比，直到不产生溢出中断，程序由此而实现自动换挡的功能。由于其程序较简单，在此就不列出其流程图。此外，显示子程序可采用典型的显示程序，这里也不再赘述。图6-20

INT

0中断服务程序流程图6.5.4提高测量准确度的方法提高测量准确度的方法如下：

(1)提高低频信号频率测量准确度。由频率直接测量误差的公式如下：上式就是式(6-10)，由该式可知，直接测频的误差主要由两部分组成，即量化误差1/(Tgfx)和标准频率误差|Δfc/fc|。在fx一定时，闸门时间Tg选得越长，测量的准确度就越高；而当Tg选定后,fx越高，1/(Tgfx)对结果的影响就减小，测量准确度就越高。随着1/(Tgfx)对结果的影响的减小，|Δfc/fc|将对测量结果产生主要影响，并以其为极限，即测量准确度不可能优于|Δf

c/f

c|。该系统在测量低频信号时相对误差较大，其准确度不及NF-10A频率计，这主要是由于该频率计闸门时间固定为1s。所以要想提高测试准确度，可以加大闸门信号T

g,使其为10s。系统设计时也可以使闸门信号为10s、1s、0.1s和10ms四挡，再由数据选择器通过单片机的控制进行选择，这样闸门信号也可以实现自动选择。具体原理参见6.3节所述。

(2)由软件产生闸门信号。闸门信号也可以由单片机的内部定时产生，这样虽可减少硬件电路，但是软件定时要受内部软件资源的影响，闸门时间准确度不高，即标准频率误差|Δfc/fc|偏大，故系统的时基信号由外部电路产生。

(3)克服由高频信号分频导致的量化误差增大。由式（6-10）可知，对频率较高的信号进行分频会增大量化误差。所以，为提高系统所测量的频率较高的信号的准确度，可以对外部计数器74HC90的计数结果通过单片机I/O口读入单片机，并和计数器计数值一起经处理后送出显示，这样就不会因对输入信号分频而增大测量的量化误差。但应注意的一点是，每次启动计数前应对外部计数器进行清零，而且该方法只对信号分频时有用。其具体实现方案在此不再列出。

(4)由单片机实现零量化误差。在本系统原理基础上加以扩展，通过全同步（即多周期同步）技术可以克服量化误差，其实现的原理结构框图如图6-21所示。图6-21克服量化误差的原理框图

被测信号fx和时基信号fc通过放大整形分别送入AT89C2051的定时器T0、T1进行计数，计数器的开启受同步控制器的控制。当同步控制器在单片机设定的时间内检测到fx和fc同步时，便产生同步闸门信号，打开单片机计数器闸门，T0、T1开始计数。当经过一定时间再次检测到fx和fc同步时，同步闸门信号关闭，计数器闸门随之关闭。此时设T0计数M个脉冲，T1计数N个脉冲，因闸门信号相同，则有：即由误差理论中的误差合成公式可导出：所以由式（6-18）可知，Δfc/fc为标准频率的相对误差，主要取决于晶振频率的稳定度；ΔM/M和ΔN/N为测fx、fc的量化误差。根据上述原理,闸门信号与被测信号在时间上同步，故量化误差为零。由于fc已知，fx的计算可在单片机中由软件完成，结果经二—十进制转换，再通过软件译码送出显示。由以上可见，此方案原理上没有量化误差，即从理论上克服了量化误差，系统误差完全由标准频率的相对误差决定。6.6.1项目描述

从定义上看时间是频率的倒数，频率和时间是可以相互转换的，是否可以说，对于一个交变的信号，采用测周法和测频法得出的结果是一致的？事实上对于某些频率，采用测量周期的方法和采用测量频率的方法，引起的误差并不相同。通过本实训分析测频法和测周法的误差，证明中界频率界定方法是符合实验结果的。

6.6实训项目五——采用测频法和测周法测量频率的误差分析

6.6.2相关知识准备

1.理论基础电子计数器电路属于积木式结构，通过时基、时标和主门的不同组合，可以实现测量频率、频率比、周期、时间间隔和累加计数等功能，如果将被测信号整形作为时标、标准晶体振荡器分频信号作为时基，在主门开启的时基内对时标计数，则得出的结果就是被测信号频率。

目前，虽然在电子测量仪器中，电子计数器的测量准确度最高，但测频的量化误差、时基误差和计数误差，测周的量化误差、时基误差和触发误差还是会对测量精度有影响。在测量前，初步对被测对象进行分析，了解测量原理和测量误差分析方法，采取正确的测量方法是减小系统误差最有效的方法。

中界频率是一个频率的划分点，是根据误差理论计算得出的频率，在该频率点采用直接测频法和测周法测频的误差相等。为了提高测量精确度，测量频率高于中界频率的信号时，用测频的方法直接读取被测信号的频率；测量频率低于中界频率的信号时，先通过测周期的方法测出被测信号的周期，换算成频率。利用电子计数器测量频率时，扩大主门的开启时间可减小测量误差。2.测试设备

测试设备如表6-1所示。表6-1测试设备

3.测量仪器概述

1）电子计数器具有A、B两通道，可完成项目要求的测周、测频内容。A通道测量频率范围比B通道测量频率范围低，当被测信号频率范围在1Hz～100MHz时，用A通道输入；当被测信号频率范围在100MHz～1000MHz时，采用B通道输入；测周时采用A通道。

闸门时间有0.01s、0.1s和1s共3挡，可在测量同一频率时进行闸门时间的切换，比较闸门时间长短引起的测量误差。输入信号频率分别选择500Hz到200MHz之间，无分频系数选择功能。根据中界频[JP2]率计算公式，三个闸门时间对应该频率计中界频率只有3.161kHz、10kHz和31.6kHz三种，故测试应根据中界频率来制定测试频率范围，项目中可对3.16kHz中界频率进行测试。

2）HC-F1000L多功能等精度频率计

HC-F1000L多功能等精度频率计采用多周期同步法测量原理，应用单片机控制和运算，采用大规模集成电路可以完成宽频率范围的等精度频率和周期测量，8位显示。以下仅列出其相关的部分指标，有关稳定性、功耗、外形等参数未列出。

（1）测频范围：1Hz～1GHz，其中A通道1Hz～100MHz，B通道100MHz～1GHz；测量准确度为10-7/s+时基误差。（2）测周：仅限A通道，测量范围为1s～0.01μs；测量准确度为10-7/s+时基误差。

（3）A通道特性：频率范围为1Hz～100MHz；输入灵敏度为35mV（1Hz~20Hz时）或20mV（20Hz~100MHz时），输入阻抗为1MΩ，最大输入电压为250V，具有20倍衰减器，低通滤波器截止频率为100kHz。（4）B通道特性：频率范围为100MHz～1000MHz；输入灵敏度为20mV，输入阻抗为50Ω，最大输入电平为3V。（5）内频标输出10MHz，TTL电平。6.6.3项目实施根据项目要求，选择测量仪器，拟定测量方案和步骤。

1.HC-F1000L多功能等精度频率计的自校自校包括两部分，一是频率计单片机自检功能自校，二是频率计整机的自校。校准的时标和时基信号采用了内部的晶体振荡器输出信号及分频信号。将自校数据填入表6-2中。表6-2自校数据记录表

2.频率测量

（1）EE1641B函数信号发生器的输出阻抗为600Ω，HC-F1000L多功能等精度频率计A通道的输入阻抗为1MΩ，远大于函数信号发生器的输出阻抗,直接将函数信号发生器TTL输出信号接到A通道输入端。（2）按下功能开关FA。

（3）函数信号发生器输出方波，输出幅度为1V，改变函数信号发生器的输出频率。（4）选择不同闸门时间，记下频率计的显示值，比较闸门时间长短引起的测量误差，并把测量和计算数据填入表6-3中。读测值由HC-F1000L多功能等精度频率计读出，单位为Hz；输入信号为方波，频率由EE1641B函数信号发生器输出并指示，单位为Hz，由于信号发生器输出频率的限制，测试的最高频率取1.8000000MHz。表6-3不同闸门时间的测频数据记录

3.周期测量周期测量的步骤与频率测量类似，只是将时基和时标输入通道更换，对于HC-F1000L多功能等精度频率计采用了功能开关PA进行选择。（1）将函数发生器的TTL输出信号接到A通道输入端。（2）按下功能开关PA。（3）保持闸门时间为1s，选择不同频率点，记下频率