电子计数器及其作用分析

1.电子计数器的组成

电子计数器可具有多种互不相同的工作方式，如对输入事件数进行累计（计数），以及对频率，时间、时间间隔或脉宽进行测量。电子计数器通常包括的部件及其作用是：

（1）输入电路。把不同的波形、幅值的被测信号经整形、放大转换成标准信号，该标准信号与被测信号基波频率相同。

（2）石英晶体振荡器。它产生频率非常稳定的振荡，其振荡频率高，频率稳定性好。

（3）分频器。它能把输入信号分频，以得到具有不同宽度的时间基准或叫时标信号。

（4）控制门。又叫闸门，它有一个输出端和至少两个输入端。要计数的脉冲信号加到一个输入端，另外的输入端加上闸门信号（或称门控信号）。当闸门信号为高电平时，闸门打开，要计数的脉冲到达闸门输出端；当闸门信号为低电平时，闸门关闭，要计数的脉冲到不了闸门输出端。

（5）计数器。它将来自闸门的脉冲信号以二进制形式计数。计数后的脉冲数可经译码器译成十进制数，再在数码管或液晶显示器上显示出来。

电子计数器最简单的工作方式是对输入电信号进行累计或计数。其方法是输入信号经输入电路整形放大后经过手动控制启动和停止的闸门后进入计数器进行计数并在显示器上显示出来。

2.频率的测量

用电子计数器测量频率的方框图如图8-2所示。

图8-2　频率测量原理框图

被测信号经整形、放大送入主计数门，石英晶体振荡器输出标准频率，经分频后可得到周期为T的一系列标准信号。按设定的时间T控制被测信号进入计数器中的脉冲个数。若被测量的脉冲周期和频率为Tx＝1/fx，则在T这段时间内进入计数器的脉冲数N为

若T＝1s，则N＝fx，即计数器记录的数字量N即为被测信号的频率。标准信号的周期可以不是1s，也可以取0.1、0.01s甚至更小。

图8-3　±1计数误差的波形解释

由于门控信号的开始是随机的，它可能在被测脉冲的任一时刻出现，从图8-3可见，从t1时刻开启的门控信号，计数器计数是4，而从时刻开启的门控信号，计数器计数值是3。所以门控信号与被测信号不同步将产生±1的计数误差，这种误差称为量化误差，计做。另外，门控信号的宽度不准确也会产生误差，计做，它主要取决于石英晶体振荡器的准确度和稳定度，仪表给定之后，测量人员是无法改变的。因此，考虑到时测量频率的相对误差为

由上式可见，门控信号宽度T越大，测量后显示出的计数值N有效位数越多，则测量频率准确度越高，但要注意当显示位数固定时，计数值的最高位不应丢失，即显示不出来。

3.周期的测量

周期仍然可用电子计数器进行测量，不过接法不同。在这里，要用分频后的被测信号作为门控信号去控制主计数门的开闭；而石英晶体振荡器发出的周期为Ts的标准时钟脉冲作为计数脉冲或称填充脉冲。用电子计数器测量周期的原理框图如图8-4所示。

图8-4　周期测量原理框图(www.xing528.com)

若在Tx时间间隔里，计数器记录到N个以Ts为周期的标准时钟脉冲，则被测信号的周期为

若改变填充脉冲的频率fs，可以改变被测周期的量限。当被测量周期较小时，为了增加读数位数，提高测量准确度，可以把被测周期分频，也就是延长开门时间，这样可以扩展测量周期的量限。测量周期的波形图如图8-5所示。若将图8-4中开关S2由“1T”位置扳到“10T”位置，则分频后的被测周期＝10Tx，用给计数器开门，则计数器记得的数N为

即

图8-5　测量周期的波形图

图8-6　相位测量原理框图

图8-7　相位测量的波形图

4.相位的测量

相位是交流信号的一个重要参数，测量两相同频率交流信号的相位差方法很多。图8-6是由电子计数器构成的数字式相位计。设被测信号u1在相位上领先被测量信号u2，它们分别被送至零电平比较器1和2。当u1由负变为正通过零时，被相应的比较器检测出并发出一个脉冲，加到R-S触发器的S端，使Q端变成高电平，打开闸门，让标准频率为f0的时钟脉冲序列进入计数器计数。当u2由负经过零变为正的瞬间，比较器2也输出一个脉冲加到触发器R端，使R-S触发器的Q端恢复到低电平，从而关闭闸门，计数器停止计数。框图中各点的波形如图8-7所示。

由波形图可见，这种相位测量方法实际上是测量正弦波形对应点间的时间间隔。以N代表对应于相位差的脉冲数，T0为计数脉冲的周期，则两信号对应点间的时间间隔可表示为

由于相位差

将式（8-5）代入，得

式中　T——被测信号的周期；

T0——标准时钟脉冲的周期。这种方法测出T和N，再利用式（8-7）进行计算。这种方法的缺点是测量结果与被测量信号的周期（或频率）有关。

为了消除被测量的频率对测试结果的影响，使u4在经过一个闸门后进入计数器，该闸门的开门时间为T1，T1≫T0，T1是由晶振输出的频率f0分频而得。在T1时间内进入计数器的总脉冲个数为

将式（8-5）和式（8-6）代入上式得

令T1/（360°T0）＝10n，则

改变T1的值可以改变指数n，这样可以改变相位计的量限。计数器中记得的N1和被测相位成正比，而且与被测量的频率无关。