第4章 时间与频率的测量(2)

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电子测量原理
4.4 电子计数器的组成原理和测量功能
4.4.1 电子计数器的组成
1)A、B输入通道 2)主门电路 3)计数与显示电路 4)时基产生电路 5)控制电路
4.4.2 电子计数器的测量功能
1)频率测量 2)频率比测量 3)周期测量 4)时间间隔测量 5)自检
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电子测量原理
1)A、B输入通道
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电子测量原理
4.4.2 电子计数器的测量功能
2)频率比的测量
◆原理:实际上,前述频率测量的比较测量原理就是一种频 原理:实际上, 率比的测量:fx对fs的频率比 的频率比。 率比的测量:fx对fs的频率比。 据此,若要测量fA对fB的频率比(假设fA>fB),只要用fB 的频率比(假设f ),只要用 只要用f 据此,若要测量f 的周期T 作为闸门, 时间内对f 作周期计数即可。 的周期TB作为闸门,在TB时间内对fA作周期计数即可。 分别由A 两通道输入,如下图。 ◆方法: fA对fB分别由A、B两通道输入,如下图。 方法:
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电子测量原理
3)计数与显示电路
◆功能:计数电路对通过主门的脉冲进行计数(计数值代表 功能:计数电路对通过主门的脉冲进行计数 对通过主门的脉冲进行计数(
了被测频率或时间),并通过数码显示器将测量结果直 了被测频率或时间),并通过数码显示器将测量结果直 ),并通过数码显示器 观地显示出来。 观地显示出来。 为了便于观察和读数,通常使用十进制计数电路。 十进制计数电路。 为了便于观察和读数,通常使用十进制计数电路
◆不同电路具有不同的工作速度:如74LS(74HC)系列 不同电路具有不同的工作速度: 74LS(74HC)
为30~40MHz;74S系列为100MHz;CMOS电路约5MHz;ECL 30~40MHz;74S系列为100MHz;CMOS电路约5MHz; 系列为100MHz 电路约5MHz 电路可达600MHz 600MHz。 电路可达600MHz。
测量期 开门,计数) (开门,计数)
显示期 关门,停止计数) (关门,停止计数)
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4.4.2 电子计数器的测量功能
1)频率测量
f =
◆原理:计数器严格按照 的定义实现频率测量。 原理: 的定义实现频率测量。 根据上式的频率定义, 为采样时间, 内的周期数。 根据上式的频率定义,T为采样时间,N为T内的周期数。 采样时间T预先由闸门时间Ts确定 时基频率为fs)。 确定( )。则 采样时间T预先由闸门时间Ts确定(时基频率为fs)。则 N 或 T s f = = Nf
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 计数端信号 内时钟(T0) 被测信号(fx) 内时钟(T0) 被测信号(fA) 内时钟(T0) 外输入(TA) 外待测信号(Nx) 内时钟(秒信号) 控制端信号 内时钟(T) 内时钟(T) 被测周期(Tx) 被测信号(fB) 被测信号相应间隔tB-C 被测信号相应间隔tB-C 手控或遥控 手控或遥控 测试功能 自检 测量频率(A) 测量周期(B) 测量频率比(A/B) 测量时间间隔(A-B) 测量外控时间间隔B-C 累加计数(A) 计时 计数结果 N=T/T0 fx=N/T Tx=NT0 fA/fB=N tB-C=NT0 tB-C=NTA Nx=N N(秒)
◆斯密特触发电路:利用斯密特触发器的回差特性,对输 斯密特触发电路:利用斯密特触发器 回差特性, 斯密特触发器的
入信号具有较好的抗干扰作用。 入信号具有较好的抗干扰作用。
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1)A、B输入通道
通道组合可完成不同的测量功能: 通道组合可完成不同的测量功能:
被计数的信号(常从A通道输入)称为计数端;控制闸门开启的 计数端; 被计数的信号(常从A通道输入)称为计数端 信号通道(常从B 通道输入)称为控制端 控制端。 信号通道(常从B、C通道输入)称为控制端。 从计数端输入的信号有:被测信号(fx) 内部时标信号等; (fx); 从计数端输入的信号有:被测信号(fx);内部时标信号等; 从控制端输入的信号有:闸门信号;被测信号(Tx)等; (Tx)等 从控制端输入的信号有:闸门信号;被测信号(Tx)
10TB f N= = 10 A TA f 就提高了10倍 为得到真实结果,需将计数值N缩小10倍 就提高了10倍B。为得到真实结果,需将计数值N缩小10倍
,即计数值扩大了10倍,相应的测量精度也 即计数值扩大了10倍
(小数点左移1位),即 小数点左移1 ),即
B ◆应用:可方便地测得电路的分频或倍频系数。 应用:可方便地测得电路的分频或倍频系数。
◆计数电路的重要指标:最高计数频率。 计数电路的重要指标:最高计数频率。
计数电路一般由多级双稳态电路构成,受内部状态翻转 计数电路一般由多级双稳态电路构成, 的时间限制,使计数电路存在最高计数频率的限制 最高计数频率的限制。 的时间限制,使计数电路存在最高计数频率的限制。而 且对多位计数器,最高计数频率主要由个位计数器决定。 个位计数器决定 且对多位计数器,最高计数频率主要由个位计数器决定。
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1)频率测量
原理框图和工作波形图(fx由 通道输入,内部时基) 原理框图和工作波形图(fx由A通道输入,内部时基)
fx A
放大、 放大、整形 闸 门 T 门控电路
B
计数 显示
时基T 时基 s 分频电路
为便于测量和显示,计数器通常为十进制计数器 十进制计数器, 为便于测量和显示,计数器通常为十进制计数器,多档 闸门时间设定为10的幂次方 这样可直接显示计数结果, 的幂次方, 闸门时间设定为10的幂次方,这样可直接显示计数结果, 并通过移动小数点和单位的配合,就可得到被测频率。 并通过移动小数点和单位的配合,就可得到被测频率。 测量速度与分辨力:闸门时间Ts为频率测量的采样时间 测量速度与分辨力:闸门时间Ts为频率测量的采样时间, 为频率测量的采样时间, Ts愈大,则测量时间愈长,但计数值N愈大,分辨力愈高。 Ts愈大 则测量时间愈长,但计数值N愈大,分辨力愈高。 愈大,
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4)时基产生电路
◆要求: 要求:
标准性: 标准性: “门控信号”和“时标”作为计数器频率和 门控信号” 时标” 时间测量的本地工作基准, 时间测量的本地工作基准,应当具有高稳定度和高准 确度。 确度。 多值性:为了适应计数器较宽的测量范围,要求“ 多值性:为了适应计数器较宽的测量范围,要求“闸 门时间” 时标”可多档选择。 门时间”和“时标”可多档选择。 常用“闸门时间” 1ms、10ms、100ms、1s、10s。 常用“闸门时间”有:1ms、10ms、100ms、1s、10s。 常用的“时标”有:10ns、100ns、1us、10us、100us、1ms。 常用的“时标” 10ns、100ns、1us、10us、100us、1ms。
TB f A N= = TA f B
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电子测量原理
2)频率比的测量
◆注意:频率较高者由A通道输入,频率较低者由B通道输 注意:频率较高者由A通道输入,频率较低者由B 入。 ◆ 提高频率比的测量精度:扩展B通道信号的周期个数。 提高频率比的测量精度:扩展B通道信号的周期个数。 例如:以B通道信号的10个周期作为闸门信号,则计数值 通道信号的10个周期作为闸门信号 个周期作为闸门信号, 例如: 为:
◆作用:它们主要由放大/衰减、滤波、整形、触发(包括 作用:它们主要由放大/衰减、滤波、整形、触发(
触发电平调节)等单元电路构成。其作用是对输入信号 触发电平调节)等单元电路构成。其作用是对输入信号 处理以产生符合计数要求(波形、幅度)的脉冲信号。 处理以产生符合计数要求(波形、幅度)的脉冲信号。 通过预定标器还可扩展频率测量范围 通过预定标器还可扩展频率测量范围。 预定标器还可扩展频率测量范围。
TA TA
A B
TB
与 门
TB
C
◆由“与门”构成的主门,其“门控信号”为‘1’时,允许 与门”构成的主门, 门控信号” 1’时
计数脉冲通过;由“或门”构成的主门,其“门控信号” 计数脉冲通过; 或门”构成的主门, 门控信号” 0’时 允许计数脉冲通过。 为‘0’时,允许计数脉冲通过。
◆ “门控信号”还可手动操作得到,如实现手动累加计数。 门控信号”还可手动操作得到,如实现手动累加计数。 手动操作得到
f f
A
=
Leabharlann Baidu
N 1 0
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4.4.2 电子计数器的测量功能
3)周期的测量 ◆原理:“时标计数法”周期测量。 原理: 时标计数法”周期测量。
对被测周期Tx,用已知的较小单位时间刻度T 对被测周期Tx,用已知的较小单位时间刻度T0(“时 去量化, Tx所包含的 时标” 所包含的“ 即可得到Tx。 标”)去量化,由Tx所包含的“时标”数N即可得到Tx。 即 Tx = NT0 该式表明,“时标”的计数值N可表示周期Tx。也体现了 该式表明, 时标”的计数值N可表示周期Tx。 时间间隔(周期) 比较测量原理。 时间间隔(周期)的比较测量原理。 得到闸门 内计数器对时标计数。 ◆实现:由Tx得到闸门;在Tx内计数器对时标计数。 实现: Tx得到闸门; Tx内计数器对时标计数 ——Tx由 通道输入,内部时标信号由A通道输入( ——Tx由B通道输入,内部时标信号由A通道输入(A通 道外部输入断开)。 道外部输入断开)。
x
N T
Tx 该式表明,在数字化频率测量中, 用计数值N表示fx。 该式表明,在数字化频率测量中,可用计数值N表示fx。它体
Ts
s
N =
= T s .f
x
现了数字化频率测量的比较法测量原理 现了数字化频率测量的比较法测量原理。 比较法测量原理。 ◆例如:闸门时间Ts=1s,若计数值N=10000,则显示的fx为 例如:闸门时间Ts=1s,若计数值N=10000,则显示的fx为
得到。再通过门控双稳态触发器得到“门控信号”。 得到。 通过门控双稳态触发器得到“门控信号”
如,若fc=1MHz,经 fc=1MHz,经 106分频后,可得到 分频后, fs=1Hz(周期 fs=1Hz(周期Ts=1s) 周期Ts=1s) 的时基信号,经过 的时基信号, 门控双稳态电路得 到宽度为Ts=1s 到宽度为Ts=1s的 Ts=1s的 门控信号。 门控信号。
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3)计数与显示电路
类型:单片集成与可编程计数器 类型:
单片集成的中小规模IC如 74LS90(MC11C90) 单片集成的中小规模IC如:74LS90(MC11C90)十进 制计数器;74LS390、CD4018(MC14018)为双十进制 制计数器;74LS390、CD4018(MC14018)为双十进制 计数器。 计数器。 可编程计数器IC如 Intel8253/8254等 可编程计数器IC如:Intel8253/8254等。
◆功能:产生测频时的“门控信号”(多档闸门时间可选) 功能:产生测频时的“门控信号” 多档闸门时间可选)
及时间测量时的“时标”信号(多档可选)。 及时间测量时的“时标”信号(多档可选)。
◆实现:由内部晶体振荡器(也可外接),通过倍频或分频 实现:由内部晶体振荡器 也可外接),通过倍频或分频 晶体振荡器( ),通过
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5)控制电路
◆功能:产生各种控制信号,控制、协调各电路单元的工作, 功能:产生各种控制信号,控制、协调各电路单元的工作,
使整机按“复零-测量-显示” 使整机按“复零-测量-显示”的工作程序完成自动测 量的任务。如下图所示: 量的任务。如下图所示:
准备期 复零,等待) ( 复零,等待)
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2)主门电路
◆功能:主门也称为闸门,通过“门控信号”控制进入计数 功能:主门也称为闸门,通过“门控信号” 也称为闸门
器的脉冲,使计数器只对预定的“闸门时间” 器的脉冲,使计数器只对预定的“闸门时间”之内的脉 冲计数。 冲计数。
◆ 电路:由“与门”或“或门”构成。其原理如下图: 电路: 与门” 或门”构成。其原理如下图:
10.000”kHz。如闸门时间Ts=0.1s, “10000”Hz,或“10.000”kHz。如闸门时间Ts=0.1s,则计数值 10000”Hz, N=1000,则显示的fx为 10.00”kHz。 N=1000,则显示的fx为 “10.00”kHz。 的意义, 请注意:显示结果的有效数字末位的意义,它表示了频率测量的分辨力 请注意:显示结果的有效数字末位的意义 (应等于时基频率fs )。 应等于时基频率fs
显示器
LED、 LED、LCD 、荧光(VFD)等。 荧光(VFD)
显示电路:包括锁存、译码、驱动电路。 显示电路:包括锁存、译码、驱动电路。
如74LS47、CD4511等。 74LS47、CD4511等
专用计数与显示单元电路:如ICM7216D。 专用计数与显示单元电路:
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