電子設計信號頻率測量儀

1、信號頻率測量儀摘 要 在數(shù)字電路中，信號頻率測量儀屬于時序電路，它主要由具有記憶功能的觸發(fā)器構成。在計算機及各種數(shù)字儀表中，都得到了廣泛的應用。在cmos電路系列產(chǎn)品中，信號頻率測量儀是用量最大、品種很多的產(chǎn)品，是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領域不可缺少的測量儀器， 測量結果都有十分密切的關系，因此，頻率的測量就顯得更為重要。 本設計包括三個模塊：信號源、頻率測量儀和數(shù)字顯示。1簡 介1.1功能及特點 數(shù)字頻率計是直接用十進制數(shù)字來顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它不僅可以測量正弦波的頻率，還可以測量方波、三角波和尖脈沖信號的頻率。數(shù)字頻率計在測量其它物理量如轉(zhuǎn)速、振蕩頻率等方面獲得廣

2、泛應用。周期信號在單位時間（1s）里變化的次數(shù)即頻率。如果在一定時間間隔t內(nèi)測得的這個周期信號的重復變化次數(shù)n,則周期信號的頻率f=n/t。1.2 應用的意義由于數(shù)字頻率計的功能及作用，它被廣泛應用于航天、電子、測控等領域，在實際生產(chǎn)、生活及教學活動中起著非常重要的作用。2設計方案數(shù)字頻率計的硬件電路框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由輸入整形電路、晶體振蕩器、分頻器及量程選擇開關、門控電路、邏輯控制電路、閘門、計數(shù)譯碼顯示電路等組成。首先，把被測信號通過放大、整形電路將其轉(zhuǎn)換成同頻率的脈沖信號，然后將它加到閘門的一個輸入端。閘門的另一個輸入信號是門控電路發(fā)出的標準脈沖，只有在門控電路輸入高電平時，閘

3、門被打開，被測量的脈沖通過閘門進入到計數(shù)器進行計數(shù)。門控電路輸出高電平的時間t是非常精確的，它是由一個高穩(wěn)定的石英晶體振蕩器和一個多級分頻器及量程選擇開關共同決定。邏輯控制電路是控制計數(shù)器的工作順序的，使計數(shù)器按照一定的工作程序（準備、計數(shù)、顯示、清零、準備下一次測量）進行有條理的工作。放大整形電路技術、譯碼、顯示閘 門fx門控電路邏 輯 控 制量程選擇開關分 頻 器石 英 振 蕩 器圖1 數(shù)字頻率計的組成框圖2.1 設計指標數(shù)字頻率計的設計指標：1 數(shù)字頻率計可測量正弦波、三角波、方波、尖脈沖及其它各種周期性信號。2 顯示方式：具有十進制數(shù)字顯示功能。（依據(jù)測量范圍可變化）3 測量誤差： 1

4、%。(發(fā)揮部分：0.1%)4 測量范圍：1khz100khz（發(fā)揮部分：1hz1mhz）。2.2 方案論證方案一：測頻法（m法）對頻率為f的周期信號，測頻法的實現(xiàn)方法，是用以標準閘門信號對被測信號的重復周期數(shù)進行計數(shù)，當計數(shù)結果為n時，其頻率為：fs=n1/f測為標準閘門寬度，n1是計數(shù)器計出的脈沖個數(shù)，設在tg期間，計數(shù)器的精確計數(shù)值為n，根據(jù)計數(shù)器的技術特性可知，n1的絕對誤差是n1=n1, n1的相對誤差為： &n1=(n1-n)/n=(n1-n)/n=1/n由n1的相對誤差可知，n（或n1）的數(shù)值愈大，相對誤差愈小，成反比關系。因此，在f已確定的條件下，為減小n1的相對誤差，可通過增大

5、tg的方法來降低測量誤差。但是，增大tg會使頻率測量的響應時間長。當tg為確定值時(tg=1s)，則有f=n，固有f1的相對誤差：&f1=(f1-f)/f=(f1-f)/f=1/f由上式可知，f1的相對誤差與f成反比關系，即信號頻率越高，誤差越?。欢盘栴l率越低，則測量誤差越大。因此，測頻法適合于對高頻信號的測量，頻率越高，測量精度也越高。方案二：測周期法（t法）首先把被測信號通過二分頻，獲得一個高電頻時間和低電平時間都是一個信號周期t的方波信號；然后用一個已知周期的高頻方波信號作為計數(shù)脈沖，在一個信號周期t的時間內(nèi)對此高頻信號進行計數(shù)。若在t時間內(nèi)的計數(shù)值為n2,則有t2=n2toscf2=

6、1/t2=1/n2tosc=fobs/n2n2的絕對誤差為n=1，n2的相對誤差為&n2=(n2-n)/n=(n1-n)/n=1/n從t2的相對誤差可以看出，周期測量的誤差與信號頻率成正比，而與高頻你標準計數(shù)信號的頻率成反比。當fosc為常數(shù)時，被測信號頻率越低，誤差越小，測量精度也就越高。方案三：t/m法t/m法測量是采用兩個計數(shù)器，分別對被測信號f和高頻信號進行計數(shù)，t/m法的測量在確定的檢測時間內(nèi)，若對被測信號f的計數(shù)值為n1，而對高頻信號fosc的計數(shù)值為n2.但對fosc信號的計數(shù)，必須直到f信號在第一個計數(shù)器停止計數(shù)后的一個完整的f信號周期。 由此可得，n1個f信號周期的時間為t2

7、=n2tosc，故每個f信號周期的時間為t3=n2tosc/n1則有 f3=1/t=n1/n2tosc=n1fosc/n2由t3的相對誤差可知，t/m發(fā)測量的誤差與信號頻率成正比，與高頻標準信號的頻率成反比，但隨f的增大，n1也在增大（在一定的檢測時間內(nèi)）。由上式還可以看出，t3的相對誤差實際上是由m法誤差f/fosc兩部分組成。直接測頻法和間接測頻法分別適用于高頻和低頻信號的頻率測量，為了提高頻率計的量程，本設計采用直接測頻法。且所設計的頻率計具有精確高、測量迅速，耗能少，使用方便等優(yōu)點。電路分析及參數(shù)設計3.1 信號源用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號，然后用過零比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)過積分電路產(chǎn)

8、生三角波，其電路框圖如下圖所示。 正弦波：直流電源就是震蕩能源，在電路中存在噪聲當w=w0=1/rc這一頻率成分經(jīng)過放大。通過選頻網(wǎng)絡最后輸出正弦波。 rw r2r4 c 15v + _v0 r3 cr1 -15v 調(diào)整電阻rw （即改變了反饋rf ），使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負反饋太強，應適當加大rf ，如波形失真嚴重，則應適當減少rf。 改變選頻網(wǎng)絡的參數(shù)c 或r，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容c 作頻率量程切換（粗調(diào)），而調(diào)節(jié)r作量程內(nèi)的頻率細調(diào)。方波：vt1=vref+voh vt2=vref+vol 本電路中vref=0，所以 vt1=voh vt2=vol

9、令初始時間t=0,兩個時刻t1,t2。假設t=0時，vi vol，輸出v0,當vi voh，輸出從v0變?yōu)?v0，之后vi在大于v內(nèi)變化時，保持-v0不變。當t=t2時，vi vol，輸出又從-v0變?yōu)関0。之后不斷的重復，形成方波。 15vvi r3 _ r4 v0 + r1 -15vr2三角波：積分電路u0=-+u0(t1)當輸入為方波時，利用積分電路，可以輸出三角波。 15v vi _ v0 + -15v直流電源：先將220v交流電通過變壓器變小，再通過整流，最后輸出直流電給運算放大器供電。+_3.2 放大整形電路由于輸入信號的幅度比較小，要測量其頻率大小，首先要進行放大整形，將正弦波、

10、三角波、方波、尖脈沖及其它各種周期性信號變換成同頻方波信號。實現(xiàn)此功能的電路圖如圖2所示。信號首先經(jīng)過兩只二極管d1、d2進行輸入嵌位限幅，然后通過兩級三極管組成的共射級放大器進行放大，然后將放大后的信號送入cd4093施密特觸發(fā)器（cd4093由四個2輸入端施密特觸發(fā)器電路組成。每個電路均為在兩輸入端具有斯密特觸發(fā)功能的2輸入與非門。每個門在信號的上升和下降沿的不同點開、關。上升電壓(v p)t和下降電壓(v n)之差定義為滯后電壓(v t)。）整形，從而得到上、下沿非常陡峭的方波信號。圖 2 輸入信號放大電路3.3石英晶體振蕩器為了得到高精度、高穩(wěn)定度的時基信號，需要有一個高穩(wěn)定度的高頻信

11、號源。產(chǎn)生此時基信號的電路圖如圖3所示。圖中rf為反饋電阻，為門電路提供合適的工作點，使其工作在線性狀態(tài)。電容c是耦合電容，石英晶體選用10mhz晶體，該電路的振蕩頻率為10mhz。 cs 10mhz 0.047uf f0 g3g1g2 c 74ls04 rf rf 500 500 圖 3 石英晶體振蕩器3.4分頻器及量程選擇分頻器是由多級計數(shù)器構成，目的是得到不同標準的時基信號。采用4片雙十進制計數(shù)器cd4518級聯(lián)10hz、1hz的標準信號。電路圖如圖4所示。至于量程的選擇，主要是根據(jù)輸入信號頻率的大小，選擇不同的時基信號。對于1khzf10khz的輸入信號，量程選擇開關可打在1的位置上；

12、對于10khzf1mhz的輸入信號，量程選擇開關可打在10的在電路處理上，將單位時間縮小為0.1s,測量值為數(shù)顯值10；即選用1、10三檔作為脈沖輸入的門控時間，可完成設計指標中基本測量量程和發(fā)揮部分量程的選擇。cd4518功能表輸 入輸出功能cpcrenlh加記數(shù)ll加記數(shù)lx保持xlllhlxhx全部為l圖 4 分頻器及量程選擇電路3.5門控及邏輯控制電路門控及邏輯控制電路的功能是：在時標脈沖的作用下，首先輸出一個標準時間（如1s），在這個時間內(nèi)，計數(shù)器記錄下輸入脈沖的個數(shù)；然后邏輯控制電路發(fā)出一鎖存保持信號，使記錄下的脈沖個數(shù)被顯示一段時間，以便觀察者看清并記錄下來；接下來邏輯控制電路輸

13、出一清零脈沖，使計數(shù)器的原記錄數(shù)據(jù)被清零，準備下次計數(shù)。如圖5所示電路可實現(xiàn)上述功能。q0穩(wěn)態(tài)輸入建立前 q 的電平 /q0穩(wěn)態(tài)輸入建立前/q 的電平在圖5所示電路中，雙jk觸發(fā)器74ls107中的f1觸發(fā)器用來計數(shù)門控脈沖，當q1為高電平時被測量的脈沖就通過閘門g送入計數(shù)器。若f1的時鐘cp選用周期為1s的時基信號，q1輸出門控信號的高電平寬度為1s，這時計數(shù)器記錄的即是1s內(nèi)的輸入脈沖個數(shù)，即輸入信號的頻率。f2是閉鎖觸發(fā)器，它保證在f1形成一次門控信號后，需要間隔顯示和清零兩段時間后，才能再形成下一次門控信號。電路中三個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器ic1、ic2、ic3分別決定了顯示、清零及等待三階段的

14、時間。其中顯示單穩(wěn)ic1暫穩(wěn)態(tài)時間的長短一般由觀察者選定，本設計選在1s左右。清零單穩(wěn)ic2的輸出脈沖較窄，一般選擇0.1s左右，供多位十進制計數(shù)器清零之用。等待單穩(wěn)ic3的輸出脈沖更窄，選擇0.05s，它的作用是解除f2的閉鎖作用，以便使f1形成新的門控信號。時基信號、門控信號及顯示、清零、等待信號的時序關系圖如圖6所示。3.6計數(shù)、譯碼、顯示電路頻率計的計數(shù)、譯碼、顯示電路如圖7所示。根據(jù)設計指標要求最大輸入信號頻率為1mhz，最大量程擴展10，選用6位led數(shù)碼管。計數(shù)器采用74ls192組成6位十進制計數(shù)器，bcd碼顯示譯碼器選用cd4511。cd4511譯碼器用于驅(qū)動共陰極led數(shù)碼

15、管，它是將鎖存、譯碼、驅(qū)動三種功能集于一身的電路。鎖存器的作用是避免在計數(shù)過程中出現(xiàn)跳數(shù)現(xiàn)象，便于觀察和記錄。其中l(wèi)e端是鎖存控制端，le=0時選通，le=1時鎖存，故用顯示單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器ic1的輸出控制顯示譯碼器cd4511的le端，可實現(xiàn)正常的顯示。清零單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器ic2的輸出連到6位十進制計數(shù)器的清零端。圖中連接在led數(shù)碼管公共端對地的電阻是限流電阻。4.結論完成情況、未完成的原因、心得體會、存在的問題、進一步努力的方向。完成情況：本設計完成了所要求的設計指標并有所發(fā)揮。其中信號源可以輸出頻率范圍為1khz100khz；頻率計測量范圍為1khz1mhz，測量誤差1%，具有可調(diào)量程、周期測

16、量、十進制數(shù)字顯示等功能。心得體會：在這次信號頻率測量儀的設計過程中，通過到圖書館和上網(wǎng)查找資料使我們小隊成員收獲頗多，懂得了很多集成塊芯片的功能與應用，同時也鍛煉了查找資料的能力。通過上網(wǎng)查找資料，發(fā)現(xiàn)了很多對我大有裨益的電子教育教學網(wǎng)站和一些有關電子的論壇，增長了見識。我們覺得做設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識偏向理論，純理論性的學習并不能很好的理解和運用各個元件的功能，在這次設計過程中，我了解了許多元件的功能，并且對于其在電路中的應用有了更多新的認識。這次信號頻率測量儀的設計還讓我知道了做一項工程的步驟，即確定項目、查資料、選方案、設計電路、撰寫設計報告、答辯，理論聯(lián)

17、系實際，培養(yǎng)和提高創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學習，畢業(yè)設計、畢業(yè)后的工作打下堅實的基礎。存在的問題：由于時間有限，信號源部分參數(shù)未計算，只設計出了基本原理?？筛倪M的地方很多。例如，正弦波發(fā)生電路中，為了使振蕩幅度穩(wěn)定，可以在放大電路的負反饋回路里加入非線性元件來自動調(diào)整負反饋放大電路的增益，從而維持輸出電壓幅度的穩(wěn)定。即在電阻r4兩端并聯(lián)兩個二極管d1、d2（互相反接）。當輸出電壓的幅度較小時，電阻r4兩端的電壓低，二極管d1、d2截止，負反饋系數(shù)由r3、rw及r4決定；當輸出電壓的幅度增加到一定程度時，二極管d1、d2在正負半周輪流工作，其動態(tài)電阻與r4并聯(lián)，使負反饋系數(shù)加大，電壓增益下降。輸出電壓的幅度越大，二極管的動態(tài)電阻越小，電壓增益也越小，輸出電壓的幅度保持基本穩(wěn)定。頻率測量儀部分，還可以增加其他有益附加功能，如增加部分電路，使其可以測量轉(zhuǎn)速等物理量。改進的方向：可以在提高信號源輸出頻率范圍上、信號頻率測量儀測量誤差、提高信號頻率