計(jì)數(shù)器工作原理

1、1 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率電子計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率 1.1 電子計(jì)數(shù)法測(cè)頻原理電子計(jì)數(shù)法測(cè)頻原理1.基本原理基本原理根據(jù)頻率的定義，若某一信號(hào)在根據(jù)頻率的定義，若某一信號(hào)在T秒時(shí)間內(nèi)重復(fù)變化了秒時(shí)間內(nèi)重復(fù)變化了N次，則次，則該信號(hào)的頻率為：該信號(hào)的頻率為： TNfx門電路復(fù)習(xí)：門電路復(fù)習(xí)： 與門與門A A1/01/0B B1 1/ /0 0c c1/01/0同理同理“或或”門、與非、或非門等也有類似功能。門、與非、或非門等也有類似功能。A A0 00 01 11 1B B0 01 10 01 1C C0 00 00 01 1由圖可見：由圖可見：TNTx因此因此TNfx實(shí)現(xiàn)了測(cè)頻實(shí)現(xiàn)了測(cè)頻原理原理：“定時(shí)

2、計(jì)數(shù)定時(shí)計(jì)數(shù)”實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)：比較法比較法 測(cè)頻的原理測(cè)頻的原理與與門門A AB BT T1s1sT TN NT Tx xC C1s1s重點(diǎn)掌握2組成框圖組成框圖 下圖是計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測(cè)頻的框圖。它主要由下列四部分組成。下圖是計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測(cè)頻的框圖。它主要由下列四部分組成。t t0 0B BC C0 00 0t tt tT TT Tx xDDE E0 0t tT Tx xN N0 0A At tT Tx x 時(shí)基電路時(shí)基電路計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)一一 輸入電路輸入電路 分分 頻頻 顯示顯示 晶晶 振振 門門 控控 主主門門控制電路控制電路 A AB BC CD DE E1)時(shí)基（時(shí)基（T）電路）電路兩個(gè)兩個(gè)特點(diǎn)特點(diǎn)

3、：(1)標(biāo)準(zhǔn)性標(biāo)準(zhǔn)性 閘門時(shí)間準(zhǔn)確度應(yīng)比被測(cè)頻率高一數(shù)量級(jí)以上，故閘門時(shí)間準(zhǔn)確度應(yīng)比被測(cè)頻率高一數(shù)量級(jí)以上，故通常通常晶振晶振頻率穩(wěn)定度要求達(dá)頻率穩(wěn)定度要求達(dá)10-610-10。（。（恒溫糟恒溫糟）(2)多值性多值性 閘門時(shí)間閘門時(shí)間T不一定為不一定為1秒，應(yīng)讓用戶根據(jù)測(cè)頻精度和秒，應(yīng)讓用戶根據(jù)測(cè)頻精度和速度的不同要求自由選擇。例如：速度的不同要求自由選擇。例如： 1kHz 100Hz 10Hz 1Hz 0.1Hz 1ms 10 ms 0.1s、 1s、 10s 等。等。 門控（雙穩(wěn)）電路：門控（雙穩(wěn)）電路： TT2)輸入電路輸入電路 由放大整形電路和主門電路組成。由放大整形電路和主門電路組成

4、。 被測(cè)輸入周期信號(hào)（頻率為被測(cè)輸入周期信號(hào)（頻率為fx，周期為周期為Tx）經(jīng)放大、整形、微分）經(jīng)放大、整形、微分得周期得周期Tx的窄脈沖，送主門的一的窄脈沖，送主門的一個(gè)輸入端。個(gè)輸入端。 輸入電路工作波形圖輸入電路工作波形圖u us st tt tt tt t0 00 00 00 0A A輸入輸入( (T T0 0或或F Fx x ) )放大放大整形整形微分微分3)計(jì)數(shù)顯示電路計(jì)數(shù)顯示電路 這部分電路的作用，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是這部分電路的作用，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是計(jì)數(shù)被測(cè)周期信號(hào)重復(fù)的次數(shù)，顯示計(jì)數(shù)被測(cè)周期信號(hào)重復(fù)的次數(shù)，顯示被測(cè)信號(hào)的頻率。它一般由計(jì)數(shù)電路、被測(cè)信號(hào)的頻率。它一般由計(jì)數(shù)電路、邏輯控

5、制電路、譯碼器和顯示器組成。邏輯控制電路、譯碼器和顯示器組成。 4)控制電路控制電路 控制電路的作用是產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制電路的作用是產(chǎn)生各種控制信號(hào)，去控制各電路單元的工作，使整機(jī)按去控制各電路單元的工作，使整機(jī)按一定的工作程序完成自動(dòng)測(cè)量的任務(wù)。一定的工作程序完成自動(dòng)測(cè)量的任務(wù)。在控制電路的統(tǒng)一指揮下，電子計(jì)數(shù)在控制電路的統(tǒng)一指揮下，電子計(jì)數(shù)器的工作按照器的工作按照“復(fù)零一測(cè)量復(fù)零一測(cè)量顯示顯示”的的程序自動(dòng)地進(jìn)行，其工作流程如右圖程序自動(dòng)地進(jìn)行，其工作流程如右圖所示。所示。 準(zhǔn)備準(zhǔn)備期期（復(fù)零，等待）（復(fù)零，等待）顯示顯示期期（關(guān)門，停止計(jì)數(shù)）（關(guān)門，停止計(jì)數(shù)）測(cè)量測(cè)量期期（開門，計(jì)數(shù)

6、）（開門，計(jì)數(shù)）電子計(jì)數(shù)器的工作流程圖電子計(jì)數(shù)器的工作流程圖1.2 誤差分析計(jì)算誤差分析計(jì)算誤差傳遞公式誤差傳遞公式j(luò)mjjxxfy1可對(duì)式可對(duì)式 TNfx求得求得 TTNNffxx計(jì)數(shù)誤差時(shí)基誤差1.量化誤差量化誤差計(jì)數(shù)誤差、計(jì)數(shù)誤差、1誤差誤差在測(cè)頻時(shí)，在測(cè)頻時(shí)，主門的開啟時(shí)刻與計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間關(guān)系是不相主門的開啟時(shí)刻與計(jì)數(shù)脈沖之間的時(shí)間關(guān)系是不相關(guān)的，即是說(shuō)它們?cè)跁r(shí)間軸上的相對(duì)位置是隨機(jī)的。關(guān)的，即是說(shuō)它們?cè)跁r(shí)間軸上的相對(duì)位置是隨機(jī)的。這樣，既這樣，既便在相同的主門開啟時(shí)間便在相同的主門開啟時(shí)間T，計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)卻不一定相同。，計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)卻不一定相同?？赡芏嗫赡芏?個(gè)或少個(gè)或少

7、1個(gè)的個(gè)的1誤差，這是頻率量化時(shí)帶來(lái)的誤差故誤差，這是頻率量化時(shí)帶來(lái)的誤差故稱量化誤差，又稱脈沖稱量化誤差，又稱脈沖計(jì)數(shù)誤差或計(jì)數(shù)誤差或1誤差誤差。 TfNNNx11 N N= =1 1 N=fN=fx xT T量化誤差量化誤差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)黑門進(jìn)8個(gè)脈沖紅門進(jìn)7個(gè)脈沖誤差合成定理誤差合成定理2.閘門時(shí)間誤差（時(shí)基誤差、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差）閘門時(shí)間誤差（時(shí)基誤差、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差） TTNNffxxccfdfTdT 閘門時(shí)間不準(zhǔn)，造成主門啟閉時(shí)間或長(zhǎng)或短，顯然要產(chǎn)生

8、測(cè)閘門時(shí)間不準(zhǔn)，造成主門啟閉時(shí)間或長(zhǎng)或短，顯然要產(chǎn)生測(cè) 頻誤差。閘門信號(hào)頻誤差。閘門信號(hào)T是由晶振信號(hào)分頻而得。設(shè)晶振頻率為是由晶振信號(hào)分頻而得。設(shè)晶振頻率為fc（周期為（周期為Tc），則有），則有 ccfTTf =110-7110-10 石英晶體性能和切割方式石英晶體性能和切割方式-生產(chǎn)廠生產(chǎn)廠 石英振蕩器的輸出石英振蕩器的輸出頻率準(zhǔn)確度決定頻率準(zhǔn)確度決定 溫度的影響溫度的影響-單、雙層恒溫糟單、雙層恒溫糟 振蕩電路的質(zhì)量振蕩電路的質(zhì)量-電路優(yōu)化設(shè)計(jì)電路優(yōu)化設(shè)計(jì) 1.3 結(jié)論結(jié)論1.計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻的誤差計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻的誤差主要有兩項(xiàng)主要有兩項(xiàng) 即即1誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤誤差和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差一般總誤

9、差可采用分項(xiàng)差一般總誤差可采用分項(xiàng)誤差絕對(duì)值合成，即誤差絕對(duì)值合成，即 )1(ccxxxffTfff2.測(cè)量低頻時(shí)，由于測(cè)量低頻時(shí)，由于1誤誤差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差大得驚人差產(chǎn)生的測(cè)頻誤差大得驚人例如，例如，fx= 10Hz，T=1s，則由，則由1誤差引起的測(cè)頻誤差可達(dá)誤差引起的測(cè)頻誤差可達(dá)10，所以，測(cè)量低頻時(shí)不宜采用直接測(cè)頻方法。所以，測(cè)量低頻時(shí)不宜采用直接測(cè)頻方法。2 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間電子計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間本節(jié)介紹時(shí)間量的測(cè)量主要是指與頻率對(duì)應(yīng)的周期、相位及時(shí)本節(jié)介紹時(shí)間量的測(cè)量主要是指與頻率對(duì)應(yīng)的周期、相位及時(shí)間間隔等時(shí)間參數(shù)，重點(diǎn)討論周期的測(cè)量。間間隔等時(shí)間參數(shù)，重點(diǎn)討論周期的測(cè)量。 2.1

10、 電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期的原理電子計(jì)數(shù)法測(cè)量周期的原理 t t0 0B BC C0 00 0t tt tT Tx xT Tx xDDE E0 0t tT Tc cT Tc cN NT Tx xT Tx x由右圖可得由右圖可得ccxfNNTT輸入電路輸入電路A A 分分 頻頻 門門 控控 主主門門倍倍 頻頻 晶晶 振振 輸入電路輸入電路B B T Tx xu ux xB BC CDDE E2.2 電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期的誤差分析電子計(jì)數(shù)器測(cè)量周期的誤差分析1.量化誤差和基準(zhǔn)頻率誤差量化誤差和基準(zhǔn)頻率誤差與分析電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻時(shí)的誤差類似，這里與分析電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻時(shí)的誤差類似，這里 cxNTT ，根據(jù)，根據(jù)

11、誤差傳遞公式可得誤差傳遞公式可得 ccxxTTNNTT根據(jù)上圖所示的測(cè)周原理，可得根據(jù)上圖所示的測(cè)周原理，可得 ,cxcxfTTTN而而N=1 cccxcccxxxfffTTTfTTT112.觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差測(cè)周時(shí)，還有一項(xiàng)觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差必須考慮。測(cè)周時(shí)，還有一項(xiàng)觸發(fā)轉(zhuǎn)換誤差必須考慮。 3 3 中界頻率中界頻率研究研究量化誤差（量化誤差（1誤差）對(duì)測(cè)頻和測(cè)周的影響誤差）對(duì)測(cè)頻和測(cè)周的影響。測(cè)頻、測(cè)周誤差相等的頻率稱為中界頻率。測(cè)頻、測(cè)周誤差相等的頻率稱為中界頻率。將兩個(gè)將兩個(gè)量化誤差表達(dá)式聯(lián)立可得量化誤差表達(dá)式聯(lián)立可得 式中，式中， Mf為中界頻率，為中界頻率， cf為標(biāo)準(zhǔn)頻率，為標(biāo)準(zhǔn)頻

12、率，T為閘門時(shí)間。為閘門時(shí)間。 MxxfTf1TffcM令令 則則 xxxxTTffcxxfTTf11因因 故故 圖中給出了不同閘門時(shí)間：圖中給出了不同閘門時(shí)間：0.1s、1s、10s和不同標(biāo)準(zhǔn)頻和不同標(biāo)準(zhǔn)頻率：率：10MHz、100MHz、1000MHz三種情況的交叉曲線?，F(xiàn)以三種情況的交叉曲線?，F(xiàn)以T=1s， cf=100MHz為例，可查知為例，可查知 Mf=10kHz。 100MHz100MHz測(cè)頻量化誤差與測(cè)周量化誤差測(cè)頻量化誤差與測(cè)周量化誤差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=100MH=100MHz z測(cè)頻的量化誤差測(cè)頻的量化誤差測(cè)周的量化誤差測(cè)周的量化誤差Mff f100MHz100MHz因此，當(dāng)