電子計(jì)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(hào)控制閘門(mén)電路，即以一個(gè)脈沖開(kāi)門(mén)，以隨后的一個(gè)脈沖關(guān)門(mén)。兩脈沖的時(shí)間間隔（TB）為開(kāi)門(mén)時(shí)間。由A通道輸入經(jīng)整形的頻率為fA的脈沖群在開(kāi)門(mén)時(shí)間內(nèi)通過(guò)閘門(mén)，使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，所計(jì)之?dāng)?shù)N=fA·TB。

　　對(duì)A、B通道作某些選擇，電子計(jì)數(shù)器可具有以下三種基本功能。

　?、兕l率測(cè)量：被測(cè)信號(hào)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(hào)經(jīng)時(shí)基電路適當(dāng)分頻后形成閘門(mén)時(shí)間信號(hào)而確定TB之值。

　?、谥芷诨驎r(shí)間間隔測(cè)量：被測(cè)信號(hào)由B信道輸入，控制閘門(mén)電路，而A通路的輸入信號(hào)是由時(shí)基電路提供的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。計(jì)數(shù)器計(jì)入之?dāng)?shù)為閘門(mén)開(kāi)放時(shí)間，亦即被測(cè)信號(hào)的周期或時(shí)間間隔。

　?、劾奂佑?jì)數(shù)：由人工觸發(fā)開(kāi)放閘門(mén)，計(jì)數(shù)器對(duì)A通道信號(hào)進(jìn)行累加計(jì)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(jì)數(shù)器還可完成多周期平均、時(shí)間間隔平均、頻率比值和頻率擴(kuò)展等功能。電子計(jì)數(shù)器性能指標(biāo)主要包括：頻率、周期、時(shí)間間隔測(cè)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(jì)數(shù)誤差、時(shí)基誤差和觸發(fā)誤差）等。

　　電子計(jì)數(shù)器的基本組成及各部分功能

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

　?。?）輸入電路 電子計(jì)數(shù)器的輸入電路主要有三個(gè)作用，一是阻抗變換，二是電壓放大，三是整形，所以它有三個(gè)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(guò)提高輸入端的阻抗來(lái)減小對(duì)被測(cè)信號(hào)源的分流，常用晶體管射極跟隨器或場(chǎng)效應(yīng)管源極跟隨器來(lái)實(shí)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(jì)數(shù)器有一定的靈敏度和測(cè)量范圍。整形電路的作用是對(duì)被測(cè)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(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　圖1 輸入電路作用示意圖

　　（2）比較電路 電子計(jì)數(shù)器的比較電路是由一個(gè)與門(mén)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)（如頻率）與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)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(cè)頻率Λ的信號(hào)，在B端加標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為t（又稱間門(mén)時(shí)間）的信號(hào)，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(cè)信號(hào)周期T與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間t在相位上可能會(huì)不同步的最壞情況下產(chǎn)生的誤工差。

　　由此，N反映了被測(cè)頻率fx，電路實(shí)現(xiàn)了頻率－數(shù)字轉(zhuǎn)換。例如，在t＝0.1s時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器計(jì)下了1000個(gè)脈沖數(shù)，則

　　（3）時(shí)間基準(zhǔn)電路（時(shí)基電路） 電子計(jì)數(shù)器是用比較法進(jìn)行測(cè)量的，也就是將被測(cè)信號(hào)與一系列標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行比較。例如，測(cè)量頻率時(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)（時(shí)標(biāo)信號(hào)）是一系列閘門(mén)時(shí)間，如1ms、10ms、100ms、1s、10s等。電子計(jì)數(shù)器能否正常工作以及測(cè)量精度的高低，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)有著直接關(guān)系。所以，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)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(lái)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，并采用倍頻或分頻器，將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)分成一系列的時(shí)基信號(hào)。例如，七級(jí)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(mén)時(shí)間分別為10μs，100μs、100ms、1ms、10ms、10ms、1s、10s），然后，再根據(jù)需要通過(guò)選擇電路送出。

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

　　圖3 某電子計(jì)數(shù)器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的方框圖

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

　?。?）計(jì)數(shù)顯示電路 電子計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)電路是對(duì)來(lái)自閘門(mén)的脈沖個(gè)數(shù)／N進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果用數(shù)字顯示出來(lái)的儀器。為了提高計(jì)數(shù)器的測(cè)量速度，并使每一次測(cè)得的數(shù)據(jù)段相對(duì)穩(wěn)定地顯示出來(lái)，常在計(jì)數(shù)電路后加上寄存器，用來(lái)暫時(shí)寄存測(cè)量所得的數(shù)據(jù)。

　?。?）自校 自校是電子計(jì)數(shù)器對(duì)其內(nèi)部基準(zhǔn)信號(hào)源進(jìn)行測(cè)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(cè)頻率的原理相同，計(jì)數(shù)器的讀數(shù)即為頻率數(shù)。閘門(mén)時(shí)間可以采用不同值，只是被測(cè)信號(hào)不是外加的，而是取自計(jì)數(shù)器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，即標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)由石英晶體振蕩器經(jīng)分頻器或倍頻器提供。如取閘門(mén)時(shí)間為1s，而傳送的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)是周期為10s的信號(hào)，則自校的讀數(shù)為1000000，表示標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)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