数字频率计电路原理图闸门控制电路优秀PPT.ppt

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1、电 子 测 量 技 术常州信息职业技术学院 第4章 电子计数器4.1 概述4.2 电子计数器测量频率4.3 电子计数器测量周期4.4 电子计数器测量时间间隔4.5 数字频率计模块4.6 其他频率测量方法习 题 4.1.1 电子计数器分类 4.1 概述（1）通用电子计数器 即多功能电子计数器。它一般具有测量频率、周期、时间间隔、频率比及累加计数等测试功能，通常还具有自检功能。（2）频率计数器 一般指特地用于测量高频和微波频率的电子计数器，通常只具有测频和计数功能，具有较宽的频率范围。（3）计算计数器 指的是一种带有微处理器、能进行数学运算、求解较困难方程等功能的电子计数器。（4）特种计数器 指具

2、有特殊功能的电子计数器。如可逆计数器、程序计数器和预置计数器等，它们主要用于工业生产自动化限制和自动测量方面。4.1.2 电子计数器主要技术指标1测试功能 仪器所具备的测试功能，一般包括测量频率、周期、时间间隔、频率比、累加计数和自检等功能。2测量范围 仪器的有效测量范围，例如：测量频率时指频率的上、下限(如0.1Hz100MHz)，测量周期时指周期的最小、最大值(如100ns10s)，测量频率比和累加计数时指计数器的最大计数容量（如1108-1）等。3输入特性 电子计数器一般有23个输入通道，需分别给出各个通道的特性，主要包括：（1）输入灵敏度：指仪器正常工作时所需输入的最小电压。（2）输入

3、耦合方式：有DC和AC两种方式，DC耦合即干脆耦合，被测信号干脆输入，在低频和脉冲信号输入时宜接受这种耦合；AC耦合时，被测信号经隔直电容输入，选择输入端沟通成分输入到电子计数器。（3）触发电平及其可调范围：用于限制门控电路的工作状态。只有被测信号达到所设置的触发电平常，门控电路的状态才能翻转。要求触发电平连续可调，并具有确定的可调范围。（4）最高输入电压：即允许输入的最大电压，若输入信号幅度太大有可能损坏仪器。（5）输入阻抗：包括输入电阻和输入电容，通常分为高阻抗（1M/25PF）和低阻抗（50）两种。对于低频测量，运用1M输入阻抗较为便利；测量高频信号时为满足阻抗匹配要求，则接受50输入阻

4、抗。4测量精确度 常用测量误差来表示，主要由时基误差和计数误差（量化误差）确定。关于电子计数器的测量误差将在本章后面探讨。5主门时间和时标 由机内时标信号源所能供应的时间标准信号确定。依据测频和测周的范围不同，可供应的主门时间和时标信号有多种选择，如常用的主门时间有10ms、100ms、1s、10s等。6显示及工作方式 包括显示位数、显示时间、显示方式和显示器件等。显示位数：可以显示的数字位数，如常见的8位。显示结果位数与主门时间的选择有关，较长的主门时间可以获得较多的测量结果位数，相应的测量精确度也就较高。显示时间：两次测量之间显示结果的持续时间，一般是可调的。显示方式：有记忆和不记忆两种显

5、示方式。记忆显示方式只显示最终计数结果，不显示正在计数的过程；不记忆显示方式时，还可显示正在计数的过程。多数计数器接受记忆显示方式。显示器件：用于显示测量结果或测量状态，小数点自动定位。常用的有数码管显示器和液晶显示器。7输出 包括仪器可输出的标准时间信号的种类、输出数据的编码方式及输出电同等。4.2 电子计数器测量频率1、电子计数器测频原理 若某一信号在T 秒时间内重复变更了N次，则依据频率的定义，可知该信号的频率fx通常T取1s或l0s，0.1s，0.01s等。计数式频率计测频的框图。它主要由下列三部分组成。(1)时间基准产生电路。这部分的作用就是供应精确的计数时间T。(2)计数脉冲形成电

6、路。这部分电路的作用是将被测的周期信号转换为可计数的窄脉冲。(3)计数显示电路。这部分电路的作用，简洁地说，就是计数被测周期信号重复的次数，显示被测信号的频率。简化电路框图：计数器波形图1、电子计数器测频误差(T=NTx N=T/Tx=Tfx)依据公式：利用误差公式（1 1）11误差误差（2 2）闸门时间误差(标准时间误差)闸门时间不准，造成主门启闭时间或长或短，明显要产生测频误差。闸门信号T是由晶振信号分频而得。设晶振频率为fc。(周期为Tc)，分频系数为m，所以有（2）测频总误差计数器干脆测频的误差主要有两项：即1 误差和标准频率误差。一般，总误差可接受分项误差确定值合成测量低频时，由于1

7、 误差产生的测频误差大得惊人，例如，fx=10Hz,T=1s,1误差引起的测频误差可达成10%，所以，测量低频时不宜接受干脆测频方法。4.3 电子计数器测量周期将测频电路中晶振标准频率信号和输入被测信号的位置对调而构成的。1、电子计数器测周期原理当Tc为确定时，计数结果可干脆表示为Tx 值。例如Tc1s，N562时，则Tx=562s。2、测周期误差测周期公式：依据测周期公式，再利用误差合成公式，有：依据测周公式，N=1N=1K为分频系数，若k为倍频系数应放分母上。Tc为计数脉冲周期，Ts为晶振周期，k为分频系数4.4 电子计数器的测时间间隔1、测量原理它有两个独立的通道输入，即A通道与B通道。

8、一个通道产生打开时间闸门的触发脉冲，另一个通道产生关闭时间闸门的触发脉冲。对两个通道的斜率开关和触发电平作不同的选择和调整，就可测量一个波形中随意两点间的时间间隔。每个通道都有一个倍乘器或衰减器，触发电平调整和触发斜率选择的门电路。图中开关K用于选择二个通道输入信号的种类。K在“1”位置时，两个通道输入相同的信号，测量同一波形中两点间的时间间隔；K在“2”位置时，输入不同的波形，测量两个信号间的时间间隔。在开门期间，对频率为fc或nfc的时标脉冲计数。测量两信号间的时间间隔测量同一信号波形上的随意两点间的时间间隔例4.1 用电子计数器测量x=5kHz的信号频率，分别接受测频（主门时间为1s）和

9、测周（晶振频率s=10MHz）两种测量方法。试比较这两种方法由于量化误差引起的相对误差，并求出中界频率。解：（1）测频时，量化误差为：（2）测周时，量化误差为：k为分频系数（3）中界频率为：m为倍频系数 中界频率：被测信号频率X越高，用电子计数器测量频率的误差就越小，所以接受干脆测频法可以测量高频信号的频率；反之，被测信号频率X越低（即周期Tx越大），用电子计数器测量周期误差就越小，所以接受测周法测频可以测量低频信号的频率。但所谓的高频或低频，是相对于电子计数器的中界频率而言的。中界频率指的是：电子计数器测量某信号的频率，若接受干脆测频法和测周法的量化误差大小相等，则该信号的频率就称为中界频率

10、。4.5 数字频率计模块1.40MHz频率计芯片NB8216DNB8216D是宁波甬芯微电子公司(WWW.nbic )针对国外现有的同类频率测量芯片(例如ICM7216D等)存在的几方面缺点(干脆测量频率低、工作电压范围窄、整体功耗大、显示驱动实力弱)，以高速、低压、低功耗、增加驱动为探讨动身点，在保证高精度、高辨别率、高稳定性等良好性能的基础上，对芯片设计和制造工艺进行创新和全过程优化。其总体性能超过国外同类心芯片，最高测量频率是同类芯片的4倍，达40MHz，可削减分频级数，简化整机设计：工作电压范围拓宽到25V，可用于手持式设计;静态功耗大幅降低和驱动实力增加是提高性能和稳定精度的有力保证

11、。该芯片拥有完全自主学问产权并申报独创专利，能干脆代换同类芯片，明显提升总体性能和降低了成本，符合欧盟ROHS环保标准。特点1、全新设计的单片频率计芯片，全面取代MCU单片机测频方案。2、测量频率达40MHz，功能兼容ICM7216D，性能更优越，成本低。3、单电源低工作电压设计(2.05.OV)。4、先进低压、低功耗CMOS工艺，低静态电流(45mA)，抗静电实力强。5、接受1MHz或10MHz的晶体组成稳定的本地振荡器。6、驱动实力强，输出可干脆驱动8位LED的位与段显示。7、有0.01秒、0.1秒、1秒、10秒四档内部选通测量时间。8、标准DIP28或SOP28贴片式塑料封装。管脚排列及

12、功能管脚排列如图1所示，功能如表1所示，其内部框图如图2所示。性能参数NB8216DNB8216D的极限参数：最大电源电源电压为5.50V;最大位输出电流为1 DOmA：最大段输出电流为60mA;最大工作温度范围为-20+85：最大存放温度范围为-55+125;任一输入端或输出端电压为V+0.3VV_-O.3V。电气参数如表2所示。备注：因NB8216D的频率响应较国外芯片高很多，且工作电压范围较国外宽，为避开芯片总电流过大和适应不同品质的数码管，建议用户将芯片的工作电压降为4.3V更为牢靠(只需在原5V电源回路中串入一只1N4001二极管即可)。NB8216DNB8216D的应用电路如图3所

13、示。2.SC3610D数字频率计模块3 3 简易数字频率计简易数字频率计（1）性能指标测量范围：1Hz99.999kHz辨别率:1 Hz输入灵敏度：30mV输入阻抗：1M输入电容：15pF输入波形：正弦波、方波、三角波等最高输入电压：50V显示方式：5位LED数码管显示（2 2）工作原理工作原理 数字频率计方框图见图数字频率计方框图见图5.38 5.38，电路原理图见图，电路原理图见图5.395.39。被测信号经放大、整形后，送入闸门电路，。被测信号经放大、整形后，送入闸门电路，由时基脉冲产生器产生的时基信号经门控电路形成由时基脉冲产生器产生的时基信号经门控电路形成限制方波，在方波期间开启闸门

14、，计数器进行计数限制方波，在方波期间开启闸门，计数器进行计数，并以十进制的方式显示结果。，并以十进制的方式显示结果。1 1）被测信号处理电路）被测信号处理电路被测信号处理电路由被测信号处理电路由VT3VT3、VT4VT4、VD3VD3、VD4VD4、D5D5、D6D6及及外围元件组成，对输入信号进行放大、整形处理。输外围元件组成，对输入信号进行放大、整形处理。输入信号由入信号由“IN”“IN”输入，输入，VT3VT3、VT4VT4组成宽频带放大器，组成宽频带放大器，VT3VT3为场效应管，用于提高输入阻抗。为场效应管，用于提高输入阻抗。CMOSCMOS反相器反相器D5D5、D6D6和电阻和电阻

15、R14R14、R15R15构成施密特触发器，将模拟信号变构成施密特触发器，将模拟信号变换成边沿陡直的方波脉冲送入计数器。换成边沿陡直的方波脉冲送入计数器。VD3VD3、VD4VD4为爱为爱护二极管。护二极管。数字频率计原理框图数字频率计原理框图 2 2）五位计数显示电路）五位计数显示电路电路接受电路接受5 5片片CD4026CD4026（IC3IC7IC3IC7）和）和5 5个个LEDLED数码管组数码管组成成5 5位十进制计数显示器。位十进制计数显示器。CD4026CD4026内部包括十进制计内部包括十进制计数器和数器和7 7段译码器两部分，译码输出可以干脆驱动段译码器两部分，译码输出可以干

16、脆驱动LEDLED数码管。数码管。R R为清零端，当为清零端，当R=1R=1时，计数器干脆清零。时，计数器干脆清零。INHINH端接闸门限制信号，当端接闸门限制信号，当INH=0INH=0时，计数器起先计时，计数器起先计数，当数，当INH=1INH=1时，停止计数，但显示的结果被保留。时，停止计数，但显示的结果被保留。电路接受电路接受12V12V供电，以满足干脆驱动供电，以满足干脆驱动LEDLED的要求。的要求。数字频率计电路原理图数字频率计电路原理图3.3.闸门限制电路闸门限制电路闸门限制电路由闸门限制电路由IC1IC1、IC2IC2、D1D1、D2D2、D3D3、D4D4、VT1VT1、V

17、T2VT2组组成。成。IC1IC1为石英钟集成电路为石英钟集成电路SM5544,SM5544,该集成电路内包含该集成电路内包含3232768 kHz768 kHz晶振、多级分频、放大驱动等电路，晶振、多级分频、放大驱动等电路，OSC1OSC1、OSC2OSC2外接外接3232。768KHZ768KHZ晶振，晶振，VD1VD1、VD2VD2、R1R1为其供应为其供应1 1。5V5V电源电压。电源电压。OUT1OUT1、OUT2OUT2两个引脚交替输出窄脉冲信号，脉两个引脚交替输出窄脉冲信号，脉宽宽3131。5ms5ms，周期，周期2s2s，OUT1OUT1与与OUT2OUT2输出脉冲时差输出脉冲

18、时差1s,1s,由于由于石英钟电路工作电压为石英钟电路工作电压为1 15V5V，而整个系统工作电压为，而整个系统工作电压为12V12V，因而用，因而用VT1VT1、VT2VT2进行逻辑电平转换，反相输出后再进行逻辑电平转换，反相输出后再通过与非门通过与非门D1D1输出周期输出周期1s1s的窄脉冲串，如图的窄脉冲串，如图5.405.40（a a）所）所示。八进制计数示。八进制计数/安排器安排器IC2IC2和与非门和与非门D2D2、D3D3、D4D4对秒脉冲对秒脉冲信号进行处理，形成清零信号信号进行处理，形成清零信号R R和闸门限制信号和闸门限制信号INHINH，使计，使计数器按数器按“清零（清零

19、（31315ms5ms）计数（计数（1s1s）显示显示（6 696875s96875s）清零清零”的模式循环工作，的模式循环工作，其时间关系如图5.40 所示。在一个循环中，清零和计数的时间一共只有1s多，而显示时间将近7s，可以便利的读取数据。门控电路输出波形门控电路输出波形1.频域方法(1)频域方法是建立在离散傅里叶变换（DFT）基础之上的，为测得信号频率值，先接受离散傅里叶变换（DFT）或快速傅里叶变换（FFT）将离散时间信号转换为离散频率信号，然后依据峰值谱线的位置确定频率。(2)频率辨别率若信号频率f=50Hz，每周期采10个样本，共采10个周期，频率辨别率为：f=500Hz/100

20、=5Hz.明显，辨别率太低。在采样频率确定后，要想减小f，必定要增加采样点数，由于受信号处理芯片的限制，采样点数不行能很大。(3)频率泄漏及截断误差 在数据采集环境下，采集电路和被测信号一般不具备同步关系，因此，会产生频率泄漏及截断误差。(4)能量矩平衡法校正原理 在进行离散傅里叶变换时通常需加一个时间窗。以Hanning窗为例，将其主瓣函数乘以信号幅值A后平移到X=X0处，其离散频谱函数为：谱线分布如下图 假设第i条谱线对原点形成了一个转矩（称之为能量矩），其大小为PiXi,对于全部条谱线，总能量矩为：Y0为最大值谱线，与包络中心仍存在误差(X-X0)现在的目的是找到包络中心值X0。其能量重

21、心在X0处。假设在X0处以相反的方向施加全部信号能量P0，则X轴上能量据可以平衡，即：将X0乘以频率间隔df=fs/N，可得到校正后的频率f0 习题：1、电子计数器通常由哪几部分组成？各部分的作用是什么？2、电子计数器测量频率与测量周期有什么区分和联系？3、运用电子计数器测量频率时，如何选择主门时间？主门时间与测量结果位数间是怎样的关系？4、运用电子计数器测量两个信号的相位差和测量脉冲上升时间时，应如何选择触发极性和触发电平？5、电子计数器测量频率时存在哪些误差？如何减小这些误差？6、电子计数器测量周期时存在哪些主要误差？如何减小这些误差？7、用一台7位电子计数器测量x=2MHz的信号频率，当主门时间分别为1s、100ms、10ms时，仪器正常工作时显示的频率值分别是多少？测频量化误差又分别是多少？8、欲用电子计数器测量x=200Hz的信号频率，分别接受测频（选主门时间为1s）和测周（选时标为0.1s）两种测量方法。试比较这两种方法由1引起的测量误差，并求出中界频率。9、设计并画出利用电子计数器测量两个信号频率比A/B的原理框图，并简述其测量原理。10、用电子计数器多周期测量法测量周期。已知被测信号重复周期为50s，计数值为100000，内部时标信号频率为1MHz。保持电子计数器状态不变，测量另一个未知信号，测得计数值为15000，求未知信号的周期是多少？