第三章 电子计数器

三、 通用计数器测量误差
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 。计数误差示意图如下：
对于一次计数过程，其结果可能为N，也可能为N＋1或N－1。即最大计 数误差为ΔN＝±1。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
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、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。
3.2 典型部件的分析
3.2.2 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
3.1.2 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，fx＝1Hz，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。
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fx＞fxm时，宜采用测 频的方法， 当被测信号的频率fx ＜fxm时，宜采用测周的 方法。
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 Tx＝ NT0 /10n (3.3)
3. TA-B 测量原理
第3章 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。
3.1 电子计数器测量原理
3.2 典型部件的分析
3.1 电子计数器测量原理
3.1 电子计数器测量原理
3.1.1 概述
一、 分类
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。
3.1.2 多周期同步测量技术
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。
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Ⅰ与主门Ⅱ在时间 T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T内，计数器Ⅰ的累计数NA＝fx×T；计数器Ⅱ的累计数NB＝f0×T。 再由运算部件计算得出 即为被测频率。
TAB Nt 0
(3.4)
4. 通用计数器的组成
3.1.1
三、 通用计数器测量误差
概述
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
２. 周期测量原理
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： Tx ＝ N×T0 （3.2）
3.1.1 概述
一、 分类
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。
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ΔTn，引起所谓的触发误差。经推导，触发误差 的大小为： (3.6)
3.1 电子计数器测量原理
3.1.1
一、 分类
通用计数器
概述
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. 通用计数器的组成
二、 通用计数器 组成原理
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： fx＝ N/T （3.1）
计数器Ⅰ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Ⅱ，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Ⅱ通常称为时间计数器。
3.2 典型部件的分析
3.2.1 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。
N
N

1 N
（3.5）
1．最大计数误差（±1误差）
很显然，在测频、测周、测fA／fB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，ΔN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ΔN ／N 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 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，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fA／fB、累加计数等功能不存在该项误差。 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10－3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。
但是，还存在两个问题： ①、该方法不能直接读出被测信号的频率值或周期值； ②、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。
3.1.2 多周期同步测量技术 一、 问题的提出
设闸门时间为1s，取时钟频率f0＝10MHz，则由±1误差而引 起的相对误差恒定为10－3。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3.3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。