電子計數(shù)器工作原理

　　由B通道輸入頻率為fB的經(jīng)整形的信號控制閘門電路，即以一個脈沖開門，以隨后的一個脈沖關(guān)門。兩脈沖的時間間隔（TB）為開門時間。由A通道輸入經(jīng)整形的頻率為fA的脈沖群在開門時間內(nèi)通過閘門，使計數(shù)器計數(shù)，所計之?dāng)?shù)N=fA·TB。

　　對A、B通道作某些選擇，電子計數(shù)器可具有以下三種基本功能。

　　①頻率測量：被測信號從A通道輸入，若TB為1秒，則讀數(shù)N即為以赫為單位的頻率fA。由晶體振蕩器輸出的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號經(jīng)時基電路適當(dāng)分頻后形成閘門時間信號而確定TB之值。

　　②周期或時間間隔測量：被測信號由B信道輸入，控制閘門電路，而A通路的輸入信號是由時基電路提供的時鐘脈沖信號。計數(shù)器計入之?dāng)?shù)為閘門開放時間，亦即被測信號的周期或時間間隔。

　　③累加計數(shù)：由人工觸發(fā)開放閘門，計數(shù)器對A通道信號進(jìn)行累加計數(shù)。

　　在這些功能的基礎(chǔ)上再增加某些輔助電路或裝置，計數(shù)器還可完成多周期平均、時間間隔平均、頻率比值和頻率擴(kuò)展等功能。電子計數(shù)器性能指標(biāo)主要包括：頻率、周期、時間間隔測量范圍、輸入特性（靈敏度、輸入阻抗和波形）、精度、分辨度和誤差（計數(shù)誤差、時基誤差和觸發(fā)誤差）等。

　　電子計數(shù)器的基本組成及各部分功能

　　電子計數(shù)器主要由輸入電路、比較電路、時間基準(zhǔn)電路、控制電路和計數(shù)顯示電路等部分組成。

　　（1）輸入電路 電子計數(shù)器的輸入電路主要有三個作用，一是阻抗變換，二是電壓放大，三是整形，所以它有三個組成部分，輸入電路作用示意圖如圖1所示。阻抗變換的目的是通過提高輸入端的阻抗來減小對被測信號源的分流，常用晶體管射極跟隨器或場效應(yīng)管源極跟隨器來實現(xiàn)。電壓放大采用輸入放大器，它們除需具有一定的放大倍數(shù)外，還需要有較寬的通頻帶，以保證電子計數(shù)器有一定的靈敏度和測量范圍。整形電路的作用是對被測量整形，使輸至比較電路入口的波形規(guī)整化，成為前、后沿較陡的矩形脈沖，以保證計數(shù)電路能被可靠地觸發(fā)，整形電路常用施密特觸發(fā)器來實現(xiàn)。

　　圖1 輸入電路作用示意圖

　　（2）比較電路 電子計數(shù)器的比較電路是由一個與門電路來實現(xiàn)被測信號（如頻率）與標(biāo)準(zhǔn)時間信號的比較的，頻率－數(shù)字轉(zhuǎn)換波形示意圖如圖2所示。若在圖中A端加上被測頻率Λ的信號，在B端加標(biāo)準(zhǔn)時間為t（又稱間門時間）的信號，則C端輸出的脈沖數(shù)為N

　　圖2 頻率－數(shù)字轉(zhuǎn)換波形示意圖

　　（5-7）與或（5-8）中±1是考慮到被測信號周期T與標(biāo)準(zhǔn)時間t在相位上可能會不同步的最壞情況下產(chǎn)生的誤工差。

　　由此，N反映了被測頻率fx，電路實現(xiàn)了頻率－數(shù)字轉(zhuǎn)換。例如，在t＝0.1s時間內(nèi)，計數(shù)器計下了1000個脈沖數(shù)，則

　　（3）時間基準(zhǔn)電路（時基電路） 電子計數(shù)器是用比較法進(jìn)行測量的，也就是將被測信號與一系列標(biāo)準(zhǔn)時間信號進(jìn)行比較。例如，測量頻率時用的標(biāo)準(zhǔn)時間信號（時標(biāo)信號）是一系列閘門時間，如1ms、10ms、100ms、1s、10s等。電子計數(shù)器能否正常工作以及測量精度的高低，與標(biāo)準(zhǔn)時間信號有著直接關(guān)系。所以，對標(biāo)準(zhǔn)時間信號的要求，一是要有高精度，二是能多組送出。要滿足這些要求，可采用高精度、置于恒溫槽中的石英晶體振蕩器來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時間信號，并采用倍頻或分頻器，將標(biāo)準(zhǔn)時間信號分成一系列的時基信號。例如，七級十分頻器能將1MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率分為100kHz、1OkHz、1kHz、10OHz、10Hz、1Hz和0.1Hz（相應(yīng)的閘門時間分別為10μs，100μs、100ms、1ms、10ms、10ms、1s、10s），然后，再根據(jù)需要通過選擇電路送出。

　　由上可知，時間基準(zhǔn)電路由石英晶體振蕩器、倍頻或分頻電路及閘門時間選擇電路組成。圖3是某電子計數(shù)器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時間信號的方框圖。顯然，石英晶體振蕩器是其核心部分，是總信號源。

　　圖3 某電子計數(shù)器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時間信號的方框圖

　　（4）控制電路 控制電路是電子計數(shù)器的指揮系統(tǒng)，在控制電路所送出的各種控制信號的指揮下，協(xié)調(diào)計數(shù)器各單元電路的工作。一般計數(shù)器每進(jìn)行一次測量總要經(jīng)過測量準(zhǔn)各、測量、顯示測量結(jié)果、復(fù)原等階段。通常，在測量準(zhǔn)各階段要使計數(shù)器復(fù)零，主閘門處于等待打開狀態(tài)。在測量階段，主閘門打開，計數(shù)器對被測信號進(jìn)行計數(shù)測量。主閘門關(guān)閉后，需要將測量結(jié)果以數(shù)字的形式顯示出來，并保持一定時間，供測量者觀察與記錄。一次測量完畢后還要為下一次測量做好準(zhǔn)各。所有上述動作都是在控制電路的統(tǒng)一指揮下進(jìn)行的。控制電路實際上是一個脈沖組合電路，由雙穩(wěn)電路、單穩(wěn)電路等構(gòu)成，與時基信號同步的各控制信號分別送往各受控單元。

　　（5）計數(shù)顯示電路 電子計數(shù)器的計數(shù)電路是對來自閘門的脈沖個數(shù)／N進(jìn)行計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果用數(shù)字顯示出來的儀器。為了提高計數(shù)器的測量速度，并使每一次測得的數(shù)據(jù)段相對穩(wěn)定地顯示出來，常在計數(shù)電路后加上寄存器，用來暫時寄存測量所得的數(shù)據(jù)。

　　（6）自校 自校是電子計數(shù)器對其內(nèi)部基準(zhǔn)信號源進(jìn)行測量的一種功能，可借以檢查自身的邏輯功能是否正常。自校和測頻率的原理相同，計數(shù)器的讀數(shù)即為頻率數(shù)。閘門時間可以采用不同值，只是被測信號不是外加的，而是取自計數(shù)器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)時間信號，即標(biāo)準(zhǔn)時間信號由石英晶體振蕩器經(jīng)分頻器或倍頻器提供。如取閘門時間為1s，而傳送的標(biāo)準(zhǔn)時間信號是周期為10s的信號，則自校的讀數(shù)為1000000，表示標(biāo)準(zhǔn)時間信號頻率為1MHz，自校原理方框圖如圖4所示。

　　圖4 自校原理方框圖