物理參量的數(shù)字化測(cè)量

物理參量的數(shù)字化測(cè)量第一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.1頻率、周期、脈寬、時(shí)間間隔和頻率比的測(cè)量

頻率的測(cè)量方法是準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)的典型代表，它是所有準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)測(cè)量的基礎(chǔ)，因此掌握頻率的測(cè)量方法對(duì)于測(cè)量準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)是至關(guān)重要的。第二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日1.頻率測(cè)量原理頻率是周期信號(hào)在1秒中內(nèi)的重復(fù)次數(shù)，以赫茲為單位。頻率的測(cè)量原理就是根據(jù)其定義確定的。頻率測(cè)量的原理框圖見圖2.1.1。被測(cè)信號(hào)由放大整形電路整形成與被測(cè)信號(hào)頻率相等的方波信號(hào)加至控制門，時(shí)基電路產(chǎn)生一寬度為τ的周期性開門脈沖，使控制門間隔一定的周期在時(shí)間τ內(nèi)打開，被整形后的被測(cè)信號(hào)方波通過控制門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。第三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.1.1頻率測(cè)量原理框圖放大整形時(shí)基電路控制門計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼/顯示清零τ選通

fx第四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

測(cè)量過程是周期性自動(dòng)進(jìn)行的，每次測(cè)量的數(shù)據(jù)必須被鎖存后才能進(jìn)行下一次測(cè)量，而在下一次測(cè)量開始前，計(jì)數(shù)器中上一次測(cè)量的數(shù)據(jù)必須被清除，以避免出現(xiàn)兩次測(cè)量的結(jié)果累加的情況。為此系統(tǒng)中設(shè)置了清零電路和選通電路。開門信號(hào)、選通信號(hào)和清零信號(hào)的時(shí)序關(guān)系見圖2.1.2。第五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.1.2測(cè)頻信號(hào)的時(shí)序關(guān)系

第六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日在一次測(cè)量完成后，鎖存選通電路發(fā)出數(shù)據(jù)選通信號(hào)（這里假設(shè)為上跳脈沖），使鎖存器鎖存計(jì)數(shù)器中的該次測(cè)量的結(jié)果，鎖存后清零電路發(fā)出清零脈沖（這里假設(shè)為負(fù)跳脈沖），將計(jì)數(shù)器清零，當(dāng)計(jì)數(shù)器被清零后，即可進(jìn)行下一次測(cè)量。設(shè)在開門時(shí)間τ內(nèi)計(jì)數(shù)器共計(jì)數(shù)Nx，則被測(cè)信號(hào)頻率為第七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日頻率測(cè)量的誤差可在兩個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生，一個(gè)是時(shí)基電路，該電路產(chǎn)生基準(zhǔn)開門時(shí)間τ，若τ有誤差，則測(cè)量必產(chǎn)生誤差；第二個(gè)環(huán)節(jié)是由于在計(jì)數(shù)過程中開門時(shí)刻與被測(cè)脈沖的同步不確定性引起的量化誤差。時(shí)基電路的頻率穩(wěn)定度是頻率測(cè)量精度的決定因素，只有確保了基準(zhǔn)頻率的穩(wěn)定度，才能夠保證開門時(shí)間τ的準(zhǔn)確性，從而減小該環(huán)節(jié)引起的測(cè)量誤差。第八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日目前普遍采用石英晶體振蕩器作為頻率基準(zhǔn)元件，其穩(wěn)定度可達(dá)10-8～10-10/年，在這樣的技術(shù)指標(biāo)下頻率測(cè)量易于實(shí)現(xiàn)高精確度。量化誤差是開門信號(hào)前后沿的到來時(shí)刻與被計(jì)數(shù)脈沖出現(xiàn)時(shí)刻的隨機(jī)性導(dǎo)致的多計(jì)或漏計(jì)一個(gè)脈沖而引起的，其最大值為±1LSB。顯然它是固有的，減小的方法是加大開門時(shí)間或?qū)⒈粶y(cè)信號(hào)的頻率倍頻若干倍，計(jì)數(shù)之后再減小相同的倍數(shù)。

第九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.周期、脈寬、時(shí)間間隔和頻率比的測(cè)量1）周期的測(cè)量周期是頻率的倒數(shù)，因此在測(cè)量方法上也與頻率相反，測(cè)頻系統(tǒng)中的開門信號(hào)是被測(cè)周期信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)。而基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)作為脈沖。第十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

Tx

放大整形時(shí)基電路控制門計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼/顯示清零τ選通T’觸發(fā)器10r分頻

圖2.1.3周期測(cè)量原理框圖第十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

整個(gè)周期測(cè)量系統(tǒng)由放大整形電路、10r分頻器、T’觸發(fā)器、時(shí)基電路、控制門、計(jì)數(shù)器、清零電路、鎖存器、鎖存器選通電路和譯碼顯示電路組成。被測(cè)信號(hào)由放大整形電路整形成與被測(cè)信號(hào)周期相等的標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，經(jīng)10r分頻器后變換為周期為原信號(hào)周期10r倍的周期信號(hào)。第十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日該周期信號(hào)經(jīng)T’觸發(fā)器二分頻后變換為占空比為50%的方波，其高低電平的寬度為τ=10rTx，該信號(hào)作為門控信號(hào)加至控制門，用于控制控制門的開啟與關(guān)閉。時(shí)基電路用于產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，在時(shí)間τ內(nèi)通過控制門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)數(shù)值為Nx，時(shí)鐘基準(zhǔn)頻率為fr，則被測(cè)周期為第十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)fr=1Hz，并將小數(shù)點(diǎn)左移r位，即可實(shí)現(xiàn)周期的直讀。圖中的清零和選通環(huán)節(jié)的作用及信號(hào)時(shí)序與測(cè)量頻率電路一樣。同理，測(cè)量周期的精確度也取決于時(shí)鐘基準(zhǔn)頻率的穩(wěn)定度和精度，也同樣存在因開門信號(hào)與計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)同步不確定性引起的±1LSB的量化誤差。第十四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2）脈沖寬度的測(cè)量脈沖寬度的測(cè)量與周期測(cè)量無本質(zhì)區(qū)別，由于脈沖的寬度相當(dāng)于周期信號(hào)的周期，且只需單次測(cè)量，因此將周期測(cè)量電路中的T’觸發(fā)器刪除即可測(cè)量脈沖寬度。

3）時(shí)間間隔的測(cè)量時(shí)間間隔測(cè)量的基本思想是：將兩路脈沖的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成脈寬，然后用測(cè)量脈寬的方法測(cè)量之。第十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.1.4時(shí)間間隔測(cè)量原理框圖放大整形放大整形或門CKQ

JK

計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼/顯示上電復(fù)位清零控制門5V時(shí)鐘基準(zhǔn)

A

B

第十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D中J-K觸發(fā)器構(gòu)成一T觸發(fā)器，兩路脈沖信號(hào)經(jīng)放大整形后通過或門加至T觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端，T觸發(fā)器在上電時(shí)由上電復(fù)位電路自動(dòng)復(fù)位使Q=“0”，當(dāng)一路脈沖到來時(shí)T觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)輸出高電平，之后另一路脈沖到來時(shí)，T觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，這樣T觸發(fā)器在兩路脈沖的作用下輸出與兩路脈沖時(shí)間間隔相等的脈寬，之后問題就轉(zhuǎn)化為測(cè)量脈寬。第十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日設(shè)時(shí)鐘基準(zhǔn)頻率為fr，計(jì)數(shù)值為Nx，則時(shí)間間隔為4）頻率比的測(cè)量頻率輸出的傳感器，其傳遞函數(shù)往往表現(xiàn)為輸出頻率與中心頻率（零輸入頻率）之比值與被測(cè)參數(shù)成線性或者確定的函數(shù)關(guān)系，因此測(cè)量頻率比有時(shí)可得到比頻率測(cè)量更直接的結(jié)果。第十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.1.5頻率比測(cè)量原理框圖

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放大整形放大整形控制門計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼/顯示清零τ選通T’觸發(fā)器10r分頻第十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

頻率比的測(cè)量原理與周期測(cè)量相似，只需將周期測(cè)量系統(tǒng)中的時(shí)鐘基準(zhǔn)換為兩個(gè)頻率信號(hào)中的一個(gè)即可。電路的工作原理與測(cè)量周期完全相同。頻率比為第二十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.2多功能數(shù)字頻率計(jì)

目前，芯片制造商已經(jīng)研制成功單片數(shù)字頻率計(jì)，并已形成商品，這給數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)制造帶來了極大的方便。這里介紹較為典型的ICM7216系列單片10MHz多功能頻率計(jì)數(shù)器，并應(yīng)用該芯片設(shè)計(jì)數(shù)字多功能頻率計(jì)。第二十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日1.ICM7216概述ICM7216系列是專用CMOS大規(guī)模集成計(jì)數(shù)器，共有ICM7216A、ICM7216B、ICM7216C、ICM7216D四種型號(hào)，其中ICM7216B是多功能芯片，具有測(cè)量頻率、周期、時(shí)間間隔、頻率比及脈沖計(jì)數(shù)等多項(xiàng)功能，因而是設(shè)計(jì)多功能數(shù)字頻率計(jì)的可選芯片。第二十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日芯片的特點(diǎn)如下：①可構(gòu)成DC～10MHz的數(shù)字頻率計(jì)，此時(shí)內(nèi)部的門控時(shí)間分為0.01s、0.1s、1s和10s四擋，分別作為四個(gè)量程的計(jì)數(shù)窗口，也可用于測(cè)量周期、頻率比和時(shí)間間隔。②能直接驅(qū)動(dòng)8位共陰極LED數(shù)碼管。③單電源供電，標(biāo)稱值5V，允許波動(dòng)范圍4.75～6.0V。第二十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日④具有位間消隱、無效零（非零數(shù)字前的零或小數(shù)點(diǎn)之后非零數(shù)字之后的零）消隱以及溢出指示功能。⑤可采用強(qiáng)迫消隱方式，使功耗降至最低。⑥設(shè)置了Hold和Reset輸入，提高芯片應(yīng)用的靈活性。第二十四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.ICM7216B功能及工作原理圖2.2.1ICM7216B的引腳圖第二十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日（1）ControlIn（pin1）：芯片控制功能輸入。共有四種控制功能，詳見下表芯片引腳連接控制功能pin1－pin7(D4)，Hold配合當(dāng)Hold=“1”時(shí)，強(qiáng)迫消隱；當(dāng)Hold=“0”時(shí)，正常顯示。pin1－pin12(D8)顯示器測(cè)試，全部筆段及小數(shù)點(diǎn)亮。pin1－pin6(D2)選擇1MHz外接晶振，小數(shù)點(diǎn)右移一位，掃描頻率仍為500Hz。pin1－pin4(D1)外部時(shí)鐘輸入使能。第二十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日（2）InputA、InputB(pin28、pin2)：被測(cè)信號(hào)輸入端。要求輸入信號(hào)的峰-峰值應(yīng)大于電源電壓的50%，當(dāng)為TTL電平信號(hào)輸入時(shí)，應(yīng)加上拉電阻，當(dāng)輸入由高至低跳變時(shí)電路計(jì)數(shù)。需要注意的是，若電路設(shè)置前置放大電路，應(yīng)確保放大后的輸入信號(hào)幅值不超過電源電壓0.3V(小于VDD+0.3V或VSS－0.3V)，否則芯片將損壞。第二十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日（3）FunctionIn(pin3)：芯片功能控制輸入。共有6種功能，見下表。芯片引腳連接功能pin3－pin4(D1)頻率測(cè)量pin3－pin12(D8)周期測(cè)量pin3－pin6(D2)頻率比測(cè)量pin3－pin9(D5)時(shí)間間隔測(cè)量pin3－pin7(D4)單位脈沖計(jì)數(shù)pin3－pin5(D3)振蕩器頻率自測(cè)試第二十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日不同功能的實(shí)現(xiàn)是通過將兩個(gè)輸入以不同的接法連接到兩個(gè)不同的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的。兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別是主計(jì)數(shù)器和參考計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)不同功能的內(nèi)部簡(jiǎn)化框圖如2.2.2圖所示。第二十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.2.2實(shí)現(xiàn)不同功能的內(nèi)部簡(jiǎn)化框圖第三十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

兩個(gè)輸入在不同功能下的接法見下表功能主計(jì)數(shù)器參考計(jì)數(shù)器頻率測(cè)量(fA)InputA100Hz周期測(cè)量(tA)振蕩器InputA頻率比測(cè)量(fA/fB)InputAInputB時(shí)間間隔測(cè)量(A→B)振蕩器InputA，InputB單位脈沖計(jì)數(shù)(計(jì)數(shù)輸入)InputA無振蕩器頻率自測(cè)試(fOSC)振蕩器100Hz第三十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日主計(jì)數(shù)器的輸出作為測(cè)量結(jié)果被顯示，參考計(jì)數(shù)器將輸入其中的輸入信號(hào)分頻1，10，100，1000倍后分四路輸出，量程選擇器選擇其中一路信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)主計(jì)數(shù)器的使能端，控制主計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)起始時(shí)刻和計(jì)數(shù)的時(shí)間長(zhǎng)度，每次計(jì)數(shù)結(jié)束后，主計(jì)數(shù)器的值作為測(cè)量結(jié)果被鎖存并顯示，之后計(jì)數(shù)器被清零并開始新一輪測(cè)量。第三十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日在FuntionIn端輸入的任何變化將停止正在進(jìn)行的測(cè)量，但不改變顯示值，并出發(fā)一次新的測(cè)量。在所有情況下，計(jì)數(shù)或計(jì)時(shí)是在“1”→“0”跳變時(shí)發(fā)生。第三十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日①頻率測(cè)量：輸入選擇器選擇100Hz的時(shí)鐘基準(zhǔn)輸入給參考計(jì)數(shù)器，另一個(gè)輸入選擇器選擇被測(cè)信號(hào)從InputA輸入至主計(jì)數(shù)器，在一個(gè)精確的時(shí)間段內(nèi)計(jì)數(shù)，該時(shí)間段的長(zhǎng)度由100Hz時(shí)基信號(hào)和量程決定，測(cè)量分辨力為100Hz，10Hz，1Hz和0.1Hz，顯示器小數(shù)點(diǎn)的位置是依據(jù)顯示kHz讀數(shù)確定。第三十四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日②周期測(cè)量：輸入選擇器選擇被測(cè)信號(hào)InputA輸入至參考計(jì)數(shù)器，信號(hào)周期被分別擴(kuò)展1，10，100，1000周，經(jīng)量程選擇器選擇后作為主計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)窗口長(zhǎng)度。另一個(gè)輸入選擇器選擇振蕩器信號(hào)輸入給主計(jì)數(shù)器，在窗口內(nèi)計(jì)數(shù)，從而得到被測(cè)周期值。若振蕩器頻率為10MHz，則周期測(cè)量的分辨力為0.1μs，0.01μs，0.001μs和0.0001μs。注意：周期測(cè)量時(shí)，被測(cè)信號(hào)的最大頻率為2.5MHz。第三十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日③頻率比測(cè)量：信號(hào)A從InputA輸入至主計(jì)數(shù)器，信號(hào)B從InputB輸入至參考計(jì)數(shù)器，信號(hào)B的周期被分別擴(kuò)展1，10，100，1000周，經(jīng)量程選擇器選擇后作為主計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)窗口長(zhǎng)度，信號(hào)A在窗口內(nèi)計(jì)數(shù)，從而得到被測(cè)頻率比值。這里信號(hào)A的頻率應(yīng)大于信號(hào)B的頻率。第三十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日④時(shí)間間隔測(cè)量：信號(hào)A和信號(hào)B經(jīng)輸入控制邏輯變換成單路脈沖信號(hào)，信號(hào)的高電平寬度與兩個(gè)信號(hào)的間隔時(shí)間相等，上升沿由信號(hào)A產(chǎn)生，下降沿由信號(hào)B產(chǎn)生，該脈沖信號(hào)經(jīng)參考計(jì)數(shù)器和量程選擇器后輸出作為主計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)窗口長(zhǎng)度。振蕩器信號(hào)在窗口內(nèi)由主計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，從而測(cè)得時(shí)間間隔。第三十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日⑤單位脈沖計(jì)數(shù)：在該模式下，信號(hào)A輸入至主計(jì)數(shù)器連續(xù)計(jì)數(shù)，結(jié)果也被連續(xù)顯示輸出。⑥振蕩器頻率自測(cè)：在該模式下，芯片測(cè)量時(shí)基信號(hào)的頻率，若頻率為10MHz，在不同的量程下，顯示結(jié)果分別為10000.0，10000.00，10000.000和溢出。第三十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日（4）Digit1Out～Digit8Out（pin4～pin5，pin9～pin12）：顯示位選通端。掃描輸出，掃描順序?yàn)镈igit8→Digit7→…→Digit1。（5）In（pin13）：復(fù)位輸入，低電平有效。該信號(hào)將復(fù)位主計(jì)數(shù)器，中止正在進(jìn)行的任何測(cè)量，使能主計(jì)數(shù)器鎖存，導(dǎo)致全“0”輸出。由于在芯片內(nèi)部該引腳經(jīng)上拉電阻接至VDD。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在該端對(duì)地（VSS）接一電容，可以保證上電時(shí)自動(dòng)復(fù)位，并保證手動(dòng)復(fù)位時(shí)的復(fù)位脈沖的寬度，確保可靠復(fù)位。第三十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日（6）RangeIn（pin14）：量程選擇輸入。用于選擇測(cè)量周期時(shí)的被測(cè)信號(hào)被參考計(jì)數(shù)器分頻的倍數(shù)（即將被測(cè)信號(hào)周期擴(kuò)展的倍數(shù)）或測(cè)量頻率時(shí)的計(jì)數(shù)窗口的長(zhǎng)度，具體見后表。除了在單位脈沖計(jì)數(shù)模式外，該引腳信號(hào)的任何改變將終止正在進(jìn)行的測(cè)量，但不改變顯示值，以避免在信號(hào)改變后首次讀數(shù)的讀數(shù)錯(cuò)誤。在終止測(cè)量的同時(shí)觸發(fā)新一次測(cè)量。第四十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日芯片引腳連接窗口長(zhǎng)度/被測(cè)信號(hào)周期的擴(kuò)展倍數(shù)pin14－pin4(D1)0.01s/1周pin14－pin6(D2)0.1s/10周pin14－pin5(D3)1s/100周pin14－pin7(D4)10s/1000周第四十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日（7）SEGaOut～SEGgOut（pin15～pin17，pin19～pin22）：筆段驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，用于驅(qū)動(dòng)顯示器的筆段。（8）DecimalPointOut（pin23）：小數(shù)點(diǎn)輸出，高電平有效。它與Digit1Out～Digit8Out的位掃描信號(hào)同步輸出，能自動(dòng)指示小數(shù)點(diǎn)的位置，使用時(shí)應(yīng)將第1～第7位LED數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)均接該輸出。具體顯示位置與量程及工作模式有關(guān)，在10MHz時(shí)基頻率下小數(shù)點(diǎn)的位置見表。第四十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日量程頻率測(cè)量周期測(cè)量頻率比測(cè)量時(shí)間間隔測(cè)量單位脈沖計(jì)數(shù)振蕩器頻率自測(cè)0.01s/1周D2D2D1D2D1D20.1s/10周D3D3D2D3D1D31s/100周D4D4D3D4D1D410s/1000周D5D5D4D5D1D5第四十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日（9）ExtOscIn（pin24）：外部時(shí)鐘輸入端。當(dāng)外部振蕩器使能時(shí)（pin1與Digit1Out相連），從該引腳輸入的外部時(shí)鐘取代由OscIn與OscOut之間連接的晶體振蕩器建立的時(shí)鐘作為時(shí)基信號(hào)。（10）OscIn（pin25）：振蕩器輸入端。接晶體振蕩器的一端。（11）OscOut（pin26）：振蕩器輸出端。接晶體振蕩器的另一端。第四十四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日（12）HoldIn（pin27）：保持信號(hào)輸入端。在除了單位脈沖計(jì)數(shù)模式的其它模式中，當(dāng)HoldIn輸入高電位（VDD）時(shí)，任何正在進(jìn)行的測(cè)量將終止，主計(jì)數(shù)器被復(fù)位，芯片處于準(zhǔn)備狀態(tài)，一旦HoldIn變低即開始新的測(cè)量。測(cè)量終止時(shí)，保持有主計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)的鎖存器不被更新，前一次完整測(cè)量的結(jié)果將被顯示。第四十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日在單位脈沖計(jì)數(shù)模式下，當(dāng)HoldIn輸入高電位（VDD）時(shí)，主計(jì)數(shù)器不被停止或復(fù)位，但顯示被凍結(jié)在輸入高電位時(shí)的瞬時(shí)值，當(dāng)HoldIn變低后主計(jì)數(shù)器繼續(xù)從新的計(jì)數(shù)值開始計(jì)數(shù)。當(dāng)被測(cè)量過量程時(shí)，電路會(huì)給出溢出指示。指示標(biāo)志是第8位LED顯示管的小數(shù)點(diǎn)，當(dāng)該位小數(shù)點(diǎn)亮?xí)r表示此次測(cè)量過量程。第四十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日3.多功能數(shù)字頻率計(jì)根據(jù)上面的介紹，可以設(shè)計(jì)出基于ICM7216B的具有測(cè)量頻率、周期、頻率比和時(shí)間間隔等功能的多功能數(shù)字頻率計(jì)，圖2.2.3即是電路原理圖。第四十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.2.3多功能數(shù)字頻率計(jì)原理圖第四十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D中輸入為A、B兩路，B路僅在頻率比測(cè)量和時(shí)間間隔測(cè)量時(shí)使用。芯片要求兩路輸入均為脈沖方波，因此一般情況下需要增設(shè)前置預(yù)處理電路，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖、放大、遲滯或電平移動(dòng)等預(yù)處理。芯片要求輸入信號(hào)的高電平寬度不小于50ns，如果小于50ns應(yīng)采用單穩(wěn)態(tài)電路將其拉寬。第四十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日電路的時(shí)基信號(hào)是10MHz，由pin25和pin26之間的10MHz晶體振蕩器產(chǎn)生。開關(guān)S1是功能選擇器，用于選擇頻率、周期、頻率比、時(shí)間間隔、單位脈沖計(jì)數(shù)和基準(zhǔn)頻率自測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)參數(shù)的數(shù)字化測(cè)量。開關(guān)S2為量程選擇開關(guān)，用于選擇需要的量程。第五十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日8位LED數(shù)碼管為共陰極數(shù)碼管，顯示測(cè)量結(jié)果，發(fā)光二極管用于指示測(cè)量溢出，其陰極接Digit8Out（pin12），陽極接小數(shù)點(diǎn)輸出（pin23），正常測(cè)量時(shí)該二極管不亮，當(dāng)發(fā)生溢出時(shí)該二極管點(diǎn)亮。按鈕用于復(fù)位芯片，按下即復(fù)位，圖中在該引腳和Vss之間接入1個(gè)0.1μF的電容，目的有兩個(gè)，一是電路通電時(shí)自動(dòng)復(fù)位，二是提高手動(dòng)復(fù)位的可靠性。第五十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日“保持”按鈕有兩方面的作用，一是按下該按鈕終止任何正在進(jìn)行的測(cè)量，復(fù)位主計(jì)數(shù)器；二是控制顯示器消隱，當(dāng)ControlIn與Digit4Out相連時(shí)（顯示消隱開關(guān)S3閉合），按下該按鈕使顯示器被強(qiáng)迫消隱。此時(shí)顯示器可被用作其它系統(tǒng)的顯示器。第五十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)顯示測(cè)試開關(guān)S4閉合而顯示消隱開關(guān)S3斷開時(shí)，顯示器全部點(diǎn)亮用于測(cè)試顯示器的好壞。當(dāng)外部時(shí)鐘使能開關(guān)S5閉合時(shí)，時(shí)基信號(hào)由外部時(shí)鐘代替。與控制開關(guān)串聯(lián)的二極管起信號(hào)隔離的作用。第五十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.3相位差的測(cè)量

相位差是指兩個(gè)同頻周期信號(hào)參考點(diǎn)（通常為過零點(diǎn)）之間的時(shí)間間隔，其測(cè)量方法有多種，這里介紹采用準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的方法測(cè)量相位差。其基本思想是利用鑒相器將相位差轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的脈沖寬度，然后采用測(cè)量脈寬的方法測(cè)量脈寬，從而測(cè)得相位差。

第五十四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日1.鑒相器鑒相器是將相位差轉(zhuǎn)換為脈寬的電路。常用的鑒相器有兩種，即電平式鑒相器和邊沿觸發(fā)式鑒相器。1）電平式鑒相器最簡(jiǎn)單常用的電平式鑒相器是異或門，兩路信號(hào)經(jīng)異或門鑒相的工作波形如圖2.3.1所示。第五十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.3.1異或門鑒相器工作波形

第五十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D中A、B為兩路被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后的波形，P為經(jīng)鑒相后兩路信號(hào)的相位差。這種鑒相器在每一個(gè)周期中出現(xiàn)兩個(gè)相位差脈寬，由于當(dāng)A、B的相位差大于180°時(shí)，P只能輸出對(duì)應(yīng)180°的脈寬，因此異或門鑒相器的鑒相范圍為0°～180°，而且無法分辨相位的超前或滯后。第五十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

又由于若兩路信號(hào)經(jīng)整形后的方波占空比不為50%，或雖為50%，但兩方波不等寬時(shí)均將產(chǎn)生測(cè)量誤差，因此異或門鑒相器要求兩路信號(hào)經(jīng)整形后的波形應(yīng)為占空比50%且等寬的方波。2）邊沿觸發(fā)式鑒相器邊沿觸發(fā)式鑒相器有許多種，這里介紹由J-K觸發(fā)器構(gòu)成的鑒相器。電路如圖2.3.2。第五十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.3.2J-K觸發(fā)器構(gòu)成的鑒相器

第五十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D中的連接方式為U1的J、K端分別與U2的和Q連接，U2的J、K端分別與U1的Q和連接，根據(jù)J-K觸發(fā)器的特性，當(dāng)A的下降沿到來觸發(fā)后，U1的狀態(tài)與U2相反，當(dāng)B的下降沿到來觸發(fā)后，U2的狀態(tài)與U1相同，由此可得到該鑒相器的波形圖如圖2.3.3。第六十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.3.3J-K觸發(fā)器式鑒相器波形圖

第六十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D中P的波形即對(duì)應(yīng)A、B兩信號(hào)的相位差，由于是邊沿觸發(fā)式，該鑒相器的鑒相范圍是0°～360°，且不要求占空比為50%，兩路信號(hào)經(jīng)整形后的方波脈寬也不要求相等，因此這種鑒相器的性能及應(yīng)用范圍均優(yōu)于異或門鑒相器。第六十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.相位差的準(zhǔn)數(shù)字化測(cè)量法圖2.3.4相位差的準(zhǔn)數(shù)字化測(cè)量原理框圖

放大整形放大整形控制門計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼/顯示清零選通鑒相器時(shí)基電路AB第六十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日兩路信號(hào)經(jīng)放大整形后進(jìn)入鑒相器，輸出與相位差成正比的脈寬信號(hào)，該信號(hào)作為控制門的開門信號(hào)，時(shí)鐘在該脈寬內(nèi)通過控制門由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，設(shè)脈寬為Tφ

，時(shí)鐘頻率為fr，計(jì)數(shù)值為Nx，則有第六十四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日上式說明，欲測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)的相位差，必須知道被測(cè)信號(hào)的頻率。一般情況下被測(cè)信號(hào)的頻率是未知的，這就要求在測(cè)量相位差之前先測(cè)量信號(hào)的頻率，然后才能測(cè)量出兩個(gè)信號(hào)的相位差，這導(dǎo)致測(cè)量過程很繁瑣。解決這一問題的方法是設(shè)法使時(shí)基電路產(chǎn)生的信號(hào)頻率fr為被測(cè)信號(hào)頻率的整數(shù)倍，這樣即可抵消被測(cè)信號(hào)的頻率，從而使測(cè)量過程大大簡(jiǎn)化。第六十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想的方法是采用鎖相環(huán)倍頻跟蹤技術(shù)，使時(shí)基電路頻率自動(dòng)跟蹤被測(cè)信號(hào)的頻率且成整數(shù)倍關(guān)系。第六十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.3.5非測(cè)頻相位差測(cè)量原理電路框圖放大整形放大整形控制門計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼/顯示清零選通鑒相器36·10r倍鎖相倍頻電路AB第六十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

圖中用36×10r倍鎖相倍頻電路將輸入信號(hào)中的一路倍頻36×10r倍，作為時(shí)鐘基準(zhǔn)只要將計(jì)數(shù)值顯示并將小數(shù)點(diǎn)左移r-1位即可測(cè)量并直接顯示相位差。注意：運(yùn)用該法測(cè)量相位差時(shí)，被測(cè)信號(hào)的頻率上限受到鎖相環(huán)的最高工作頻率及倍頻倍數(shù)的限制。第六十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日如采用CD4046芯片構(gòu)成36倍倍頻電路，被測(cè)信號(hào)的上限頻率為1.2MHz/36≈33.34kHz。如采用74HC4046芯片構(gòu)成36倍倍頻電路，被測(cè)信號(hào)的上限頻率為12MHz/36≈333.4kHz。第六十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日另一方面該法測(cè)量相位差時(shí)，在信號(hào)頻率滿足上限頻率限制的條件下，測(cè)量分辨力受到倍頻倍數(shù)的限制。當(dāng)36倍頻時(shí)，測(cè)量分辨力為10°；360倍時(shí)，測(cè)量分辨力為1°；3600倍時(shí)，測(cè)量分辨力為0.1°。顯然要求的測(cè)量分辨力越高，倍頻的倍數(shù)也越高，同時(shí)限制被測(cè)信號(hào)的頻率越低，它們之間成反比關(guān)系。第七十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日例如在3600倍時(shí)如采用CD4046芯片構(gòu)成3600倍倍頻電路，被測(cè)信號(hào)的上限頻率為1.2MHz/3600≈333.4Hz如采用74HC4046芯片構(gòu)成3600倍倍頻電路，被測(cè)信號(hào)的上限頻率為12MHz/3600≈3.3kHz。第七十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

欲突破這種限制，在相同的倍頻條件下提高分辨力，可以采用平均值的測(cè)量方法。思路是將上述測(cè)量方法中的在一個(gè)相位差脈寬內(nèi)計(jì)數(shù)擴(kuò)展為在若干個(gè)脈寬內(nèi)計(jì)數(shù)。第七十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.3.6平均值測(cè)量相位原理第七十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日在控制門的輸入增加一個(gè)門控信號(hào)，其寬度為Ts，且Ts=nT。設(shè)在Ts時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為Nx，計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期為Tck，則有第七十四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日與前相同仍使fck=36×10rf則有顯然分辨力較之瞬時(shí)值測(cè)量提高了n倍。實(shí)現(xiàn)這一思路的關(guān)鍵是，設(shè)計(jì)的電路必須確保鑒相信號(hào)Tx、附加門控信號(hào)Ts和時(shí)鐘信號(hào)Tck之間保持嚴(yán)格的同步和倍數(shù)關(guān)系。第七十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.3.7平均值測(cè)量相位差原理框圖鑒相器放大整形

放大整形控制門計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼/顯示清零選通36·10r倍鎖相倍頻電路

A

Bn分頻2分頻

TsTr第七十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日時(shí)鐘信號(hào)由輸入信號(hào)中的一路經(jīng)放大整形后倍頻36×10r倍得到，即fck=36×10rf；鑒相器輸出信號(hào)經(jīng)n分頻后得到周期為nT的方波信號(hào)，再經(jīng)二分頻后得到寬度為nT的附加開門信號(hào)Ts。其后的測(cè)量原理與瞬時(shí)測(cè)量時(shí)相同。綜上所述，采用平均值測(cè)量的方法可提高測(cè)量的分辨力，或者在相同的分辨力條件下，平均值測(cè)量法可提高被測(cè)信號(hào)的頻率上限。第七十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日3.相位差準(zhǔn)數(shù)字化測(cè)量的誤差分析相位差準(zhǔn)數(shù)字化測(cè)量的誤差產(chǎn)生在前端的放大整形電路和鑒相器兩個(gè)環(huán)節(jié)。1）鑒相器環(huán)節(jié)當(dāng)采用異或門作為鑒相器時(shí)，由于沒有附加的相位差產(chǎn)生，因此該環(huán)節(jié)不產(chǎn)生測(cè)量誤差。當(dāng)采用邊沿觸發(fā)式鑒相器時(shí)，兩路觸發(fā)器的傳輸時(shí)間不一致會(huì)導(dǎo)致兩路信號(hào)的附加相移差，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。第七十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日設(shè)兩路觸發(fā)器的傳輸時(shí)間相差Δt則對(duì)應(yīng)的附加相移為該附加相移一方面直接造成測(cè)量誤差，另一方面將限制測(cè)量分辨力。2）放大整形環(huán)節(jié)放大整形環(huán)節(jié)由前置高增益放大器和電平比較電路組成。兩個(gè)部分的非理想性均將產(chǎn)生測(cè)量誤差。第七十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日（1）放大器引起的誤差①信號(hào)輸入幅度不同的影響設(shè)兩路為正弦信號(hào)幅值不同，兩路放大器放大倍數(shù)相同，則放大后兩信號(hào)的斜率不同，若后續(xù)電平比較電路的翻轉(zhuǎn)電平相同為Vc，則兩路信號(hào)的幅度差ΔE將引起相位差Δφ，見圖

第八十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.3.8信號(hào)幅度不同造成的誤差第八十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日由圖可得故有當(dāng)角度很小時(shí)，sinα≈α，則得第八十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日由此可見：兩信號(hào)幅值差越大，相位誤差也越大；增大幅值Vm可減小相位誤差，減小α1也可減小相位誤差，要做到這兩點(diǎn)應(yīng)加大放大倍數(shù)，因此前置放大器應(yīng)設(shè)計(jì)成高增益。②放大器固定延時(shí)和附加相移的影響放大器存在固定相移，當(dāng)兩通道放大器的固定相移一致時(shí)不產(chǎn)生附加相移，不一致時(shí)產(chǎn)生附加相移，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差，因此要求兩通道放大器的頻率特性一致。第八十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日③輸入波形的影響非正弦信號(hào)可分解為各次諧波，電路對(duì)各諧波相移不同，使得輸出和輸入波形間產(chǎn)生相移，而且諧波使信號(hào)波形正負(fù)半周不對(duì)稱，整形后的方波占空比不為50%，易引起誤差。加大增益，波形變陡，該影響減小。第八十四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

對(duì)于以上三個(gè)誤差因素，解決的方法統(tǒng)一為設(shè)計(jì)高增益放大器，所用的集成運(yùn)算放大器應(yīng)選用高擺率，兩個(gè)通道的放大器特性要一致，一致性尤其重要，只要一致，即使指標(biāo)不理想，也不會(huì)產(chǎn)生附加相移。第八十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日（2）比較電路引起的誤差兩路比較器比較電平不一致將引起附加相移，一般情況下經(jīng)前置放大器放大的信號(hào)為斜波，這里為便于分析設(shè)除比較電平外的其它條件均為理想，即兩路信號(hào)等幅，前置放大器特性一致，這樣可得后圖。第八十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.3.9觸發(fā)電平不同造成的影響第八十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日由圖可知第八十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日由此可知欲使附加相移減小，信號(hào)的幅度要大，θ值要小，比較電平的差別要小。前兩點(diǎn)歸結(jié)為前置放大器的增益要大，運(yùn)放的上升速率要高。后一點(diǎn)歸結(jié)為兩個(gè)電平比較器的特性應(yīng)一致。第八十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日3.結(jié)論

準(zhǔn)數(shù)字法測(cè)量相位產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)是前置放大整形和鑒相器，鑒相器產(chǎn)生誤差的原因是兩路觸發(fā)電路的不對(duì)稱性，這可由集成工藝解決，因此它不是主要誤差產(chǎn)生環(huán)節(jié)，主要環(huán)節(jié)是前置放大整形，產(chǎn)生誤差的原因是電路的不對(duì)稱及被測(cè)信號(hào)的不對(duì)稱。第九十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日解決的手段有：1）在保持放大器穩(wěn)定的前提下盡可能提高前置放大器的閉環(huán)增益；2）前置放大器的運(yùn)算放大器采用高速運(yùn)放，且兩路運(yùn)算放大器應(yīng)選用特性一致的運(yùn)放；3）兩路電壓比較器的比較電平應(yīng)相等。第九十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.4轉(zhuǎn)速的測(cè)量與控制1.轉(zhuǎn)速的測(cè)量

機(jī)械轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的設(shè)計(jì)、安全提供了重要數(shù)據(jù)，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、離心壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，都需要進(jìn)行精確測(cè)量。測(cè)量轉(zhuǎn)速行之有效的方法是用測(cè)試轉(zhuǎn)盤法或光電轉(zhuǎn)換法。第九十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日測(cè)試轉(zhuǎn)盤法是將有60個(gè)齒的鐵磁圓盤固定在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，磁電式傳感器（或渦流傳感器、霍爾傳感器等）固定在測(cè)盤的外緣，當(dāng)鐵磁圓盤跟隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰波，通過測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率就可以測(cè)量轉(zhuǎn)速。第九十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日光電轉(zhuǎn)換法是在轉(zhuǎn)軸上面畫60個(gè)白條或在轉(zhuǎn)軸的測(cè)盤上由圓心畫出60條白色的半徑，將光源發(fā)出的光照射到條紋上，用光敏元件接收由條紋反射的反射光并轉(zhuǎn)換電脈沖，通過測(cè)量電脈沖的頻率就可以測(cè)量轉(zhuǎn)速。第九十四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.4.1磁電式轉(zhuǎn)速傳感器示意圖第九十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日測(cè)量系統(tǒng)由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、前置放大整形電路、頻率測(cè)量電路組成。傳感器是由安裝在機(jī)軸上的60個(gè)齒的齒輪和安放在齒緣的鐵心線圈組成，鐵心由永磁材料制成。鐵心線圈的永久磁體應(yīng)盡量與齒輪靠近。當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)靠近永久磁體的齒被磁化，使固定的線圈相對(duì)切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與永久磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度，線圈的匝數(shù)，永久磁體靠近齒的距離和轉(zhuǎn)速有關(guān)。第九十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)放大整形后成為同頻率的方波脈沖，由頻率計(jì)測(cè)量其頻率。設(shè)齒數(shù)為z，被測(cè)量轉(zhuǎn)速為n（周/分），則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率為由于z=60，故被測(cè)轉(zhuǎn)速為因此只要測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率f，就可以測(cè)量得到轉(zhuǎn)速。第九十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.4.2基于ICM7216B芯片的轉(zhuǎn)速測(cè)量電路

第九十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D中A1構(gòu)成隔直放大電路，A2為比較器用于將放大后的脈動(dòng)波形整形成標(biāo)準(zhǔn)電平的方波。ICM7216B構(gòu)成頻率測(cè)量電路。自轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈動(dòng)信號(hào)，由電容C1隔離掉脈動(dòng)信號(hào)中的直流分量，并輸至運(yùn)算放大器的同相輸入端，放大1+R2/R1倍后輸至過零比較器A2的同相輸入端，比較器的輸出即為TTL電平或5VCMOS電平的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，其頻率與轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖的頻率相同。第九十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日ICM7216B的pin4與pin3相連，芯片功能被設(shè)置成頻率測(cè)量，pin5與pin14相連，將計(jì)數(shù)的時(shí)間窗口時(shí)間設(shè)置成1s，這樣所測(cè)量出的脈沖信號(hào)頻率值就是所測(cè)量的轉(zhuǎn)速。第一百頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.電機(jī)穩(wěn)速伺服控制利用鎖相環(huán)技術(shù)可以方便地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使之滿足需要的精度。圖2.4.3給出了心電圖機(jī)走紙裝置電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路。晶振產(chǎn)生的32768Hz高穩(wěn)定度基準(zhǔn)頻率經(jīng)14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器CD4020分頻后，分別在Q6、Q7端得到512Hz及256Hz的基準(zhǔn)頻率信號(hào)。

第一百零一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.4.3心電圖走紙裝置電機(jī)穩(wěn)速控制電路第一百零二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日兩個(gè)基準(zhǔn)頻率在25或50mm/s紙速控制電路控制下，送到CD4046的輸入端（14腳），電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)轉(zhuǎn)速傳感器和放大整形電路變換后得到與轉(zhuǎn)速成正比的方波信號(hào)，該信號(hào)輸入CD4046的相位比較器Ⅱ的輸入端（3腳），與基準(zhǔn)頻率信號(hào)比較，若兩者存在頻率差，相位比較器Ⅱ便會(huì)輸出一誤差電壓，經(jīng)低通濾波器濾波，功率放大后，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速直至環(huán)路鎖定在規(guī)定的頻率上，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定的轉(zhuǎn)速上。第一百零三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)走紙速度為50mm/s時(shí)，25/50控制信號(hào)為“1”，基準(zhǔn)頻率為512Hz；當(dāng)走紙速度為25mm/s時(shí)，25/50控制信號(hào)為“0”，基準(zhǔn)頻率為256Hz。第一百零四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.5流量的測(cè)量

在工業(yè)生產(chǎn)過程和人們的日常生活中經(jīng)常會(huì)接觸到多種流體，包括氣體、液體、粉末或固體顆粒等，相應(yīng)地在許多場(chǎng)合需要測(cè)量流過流體的總量或瞬時(shí)流量。例如家庭生活中自來水和煤氣（或天然氣）用量的計(jì)量，駕駛?cè)藛T給汽車加油的計(jì)量等都是人們熟知的流量測(cè)量的例子。第一百零五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

流量是指流體在單位時(shí)間內(nèi)流過管道或明渠中某截面的體積或質(zhì)量，前者稱為體積流量，后者稱為質(zhì)量流量。流量測(cè)量的原理有多種，相應(yīng)地也制造出了多種流量傳感器，其中電磁式流量傳感器、渦流流量傳感器和渦輪式流量傳感器的輸出是脈沖信號(hào)，其頻率與被測(cè)流量成正比，因此基于這些類型流量傳感器測(cè)量流量的問題就轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)的頻率測(cè)量。第一百零六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

渦輪式流量傳感器是利用放在流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行流量測(cè)量的一種傳感器。當(dāng)葉輪置于流體中時(shí)，由于漿葉的迎流面和背流面流速不同，因此在流向方向形成壓差，所產(chǎn)生的推力使旋漿轉(zhuǎn)動(dòng)。如果選擇摩擦力小的軸承來支撐葉輪，且葉輪采用輕型材料制作，那么可使流速和轉(zhuǎn)速的關(guān)系接近線性，只要測(cè)得葉輪的轉(zhuǎn)速，便可測(cè)量流體的流速，從而測(cè)量流量。第一百零七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日葉輪的葉片可以用導(dǎo)磁材料制作，然后由永久磁鐵、鐵芯及線圈與葉片形成磁路。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁阻將發(fā)生周期性的變化，從而使線圈感應(yīng)出脈沖電壓，此脈沖電壓的頻率f即與葉片轉(zhuǎn)速或流過管道的瞬時(shí)流量Q成正比，瞬時(shí)流量Q的單位是升/秒（L/s），于是有關(guān)系式f=KQ，即第一百零八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日式中，K是渦輪式流量傳感器的流量系數(shù)，其單位是脈沖數(shù)/升。K值一般為小數(shù)點(diǎn)后帶兩位小數(shù)的4位數(shù)，在一定的流量范圍、黏度、溫度和壓力下，每個(gè)傳感器的K值為一常數(shù)，由廠家標(biāo)定后向用戶提供。第一百零九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日單位時(shí)間內(nèi)傳感器輸出的電脈沖數(shù)中含有的K值數(shù)，就是所測(cè)量的流量。由于K為具有小數(shù)位的實(shí)數(shù)，如果直接采用分頻器實(shí)現(xiàn)除K運(yùn)算，只能先對(duì)K取整（小數(shù)點(diǎn)以下四舍五入），然后再進(jìn)行除法，這樣將會(huì)引起較大測(cè)量誤差，且分辨力僅為1L/s。第一百一十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

為了實(shí)現(xiàn)小數(shù)除法，可以將計(jì)數(shù)的電脈沖值輸出給微處理器，由微處理器進(jìn)行軟件除法，從而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。此法可以在一定程度上提高測(cè)量測(cè)量精度，但是，由于計(jì)數(shù)器無法實(shí)現(xiàn)小數(shù)計(jì)數(shù)，因此計(jì)數(shù)過程舍去的小數(shù)脈沖，并不能由微處理器補(bǔ)償，所以測(cè)量精度不能從本質(zhì)上得到提高；另一方面，測(cè)量分辨力也無法提高。第一百一十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日解決上述問題的方法是，先根據(jù)流量系數(shù)K小數(shù)點(diǎn)以下的數(shù)據(jù)位數(shù)n，對(duì)傳感器輸出的電脈沖進(jìn)行10n倍頻，然后再由計(jì)數(shù)器對(duì)倍頻后的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其結(jié)果等效為實(shí)現(xiàn)了小數(shù)計(jì)數(shù)。第一百一十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日綜上所述，基于渦輪式流量傳感器精確測(cè)量流量的方法是，首先將傳感器輸出的電脈沖倍頻10n倍（n是流量系數(shù)K小數(shù)點(diǎn)以下的數(shù)據(jù)位數(shù)，一般取n=2），然后由計(jì)數(shù)器在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)倍頻后的電脈沖，得到原脈沖頻率100倍的頻率值，將該值除以100K即可得到所測(cè)流量。第一百一十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.5.1基于渦輪式流量傳感器的流量測(cè)量原理框圖第一百一十四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日流量傳感器輸出的電脈沖信號(hào)首先需要進(jìn)行放大整形，變換成標(biāo)準(zhǔn)電平的方波信號(hào)，該信號(hào)的頻率與流量傳感器的輸出電脈沖的頻率相等。整形后的信號(hào)由后續(xù)的100倍頻電路倍頻100倍（這里假設(shè)傳感器的流量系數(shù)具有兩位小數(shù)），并輸出至控制與門。第一百一十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日時(shí)基電路為由晶體振蕩器構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器，其輸出占空比50%的方波，周期為2s，高低電平的寬度均為1s，該信號(hào)一方面經(jīng)由R1、C1和與門構(gòu)成的移相電路移相后作為控制與門的門控信號(hào)；另一方面經(jīng)由R2、C2和與門組成的上升沿提取電路提取出上升沿，利用該上升沿作為輸出鎖存器的選通信號(hào)，同時(shí)該信號(hào)作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，通知計(jì)算機(jī)本次測(cè)量完成可以取走測(cè)量結(jié)果。第一百一十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日計(jì)算機(jī)接收到中斷請(qǐng)求信號(hào)后，通過接口電路獲取測(cè)量計(jì)數(shù)值，將計(jì)數(shù)值除以100K便得到所測(cè)量的流量值，單位取決于流量系數(shù)K的單位，如果流量系數(shù)的單位是脈沖數(shù)/L，則測(cè)得的流量單位是L/s。而如果流量系數(shù)的單位是脈沖數(shù)/mL，則測(cè)得的流量單位是mL/s。第一百一十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.6轉(zhuǎn)角的測(cè)量

轉(zhuǎn)角通常采用轉(zhuǎn)角編碼器進(jìn)行測(cè)量，其基本原理是將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成光脈沖或電脈沖，通過對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角測(cè)量。轉(zhuǎn)角編碼器又稱碼盤，是一種分辨力與精度都較高的測(cè)角傳感器。轉(zhuǎn)角編碼器有兩種類型：一是絕對(duì)式編碼器，另一種為增量式編碼器。

第一百一十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日增量式編碼器則是一種轉(zhuǎn)角/脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出的脈沖可由計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并可根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向輸出方向信息，因此它可以在測(cè)量轉(zhuǎn)角的同時(shí)，確定轉(zhuǎn)向，據(jù)此可以測(cè)量相對(duì)角度。

增量式轉(zhuǎn)角編碼器包括：一個(gè)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的光脈沖調(diào)制盤，光脈沖讀出裝置（光電轉(zhuǎn)換裝置）以及一組邏輯與計(jì)數(shù)電路，測(cè)量原理框圖如圖2.6.1。第一百一十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.6.1增量式轉(zhuǎn)角編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)角原理框圖第一百二十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日光脈沖調(diào)制盤的原理圖如圖2.6.2所示。它由三個(gè)圓環(huán)組成。兩個(gè)外圓環(huán)上均勻分布著相同數(shù)量的透光與不透光的柵格，并在空間上錯(cuò)開半格。其中一個(gè)圓環(huán)用來產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，另一個(gè)圓環(huán)產(chǎn)生辯向脈沖。因?yàn)橄到y(tǒng)的最小計(jì)數(shù)單位是一個(gè)脈沖，所以柵格的總數(shù)決定轉(zhuǎn)角測(cè)量的分辨力。第三個(gè)圓環(huán)上只有一條透光的狹縫，由它產(chǎn)生調(diào)制盤的參考點(diǎn)位置（轉(zhuǎn)角的測(cè)量零點(diǎn)）。第一百二十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.6.2光脈沖調(diào)制盤的原理圖第一百二十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日如果將調(diào)制盤作正向或反向旋轉(zhuǎn)，光脈沖讀出裝置（光電轉(zhuǎn)換裝置）可產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖輸出。正轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖波形滯后90°于辯向脈沖波形；反轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖波形超前90°于辯向脈沖波形。調(diào)制盤轉(zhuǎn)過的角度大小與計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)向的辨別則要靠相位上超前還是滯后的區(qū)別。辨向邏輯與計(jì)數(shù)電路如圖2.6.3所示。第一百二十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.6.3辨向邏輯與計(jì)數(shù)電路第一百二十四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日光敏元件輸出的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)和辯向脈沖信號(hào)經(jīng)放大整形后變成了方波脈沖Pl和P2，兩者相位上的關(guān)系與轉(zhuǎn)向有關(guān)，如圖2.6.4(a)、(b)所示。第一百二十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日(a)(b)圖2.6.4計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)和辯向脈沖信號(hào)(a)正轉(zhuǎn)時(shí)；(b)反轉(zhuǎn)時(shí)第一百二十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.7占空比的數(shù)字測(cè)量測(cè)量電路如圖2.7.1所示。輸入方信號(hào)Vin經(jīng)兩級(jí)非門整形后，得到一幅度為Va=2.8V的信號(hào)，Va經(jīng)R2和RP分壓后，得到一Vb=100mV的電壓，Vb作為ICL7106的輸入電壓，由于VREF=100mV，故量程為200mV。由于Vb經(jīng)低通濾波后加至ICL7106的輸入端，因此實(shí)際上ICL7106的輸入是Vb的平均值。第一百二十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.7.1占空比測(cè)量電路第一百二十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日根據(jù)定義，設(shè)Vin的周期為T，高電平的寬度為T1，則：依據(jù)7106的測(cè)量原理有只要將小數(shù)點(diǎn)設(shè)置在十位，即可實(shí)現(xiàn)占空比的直讀。第一百二十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日數(shù)字溫度計(jì)電路見圖2.8.1，圖中溫度傳感器是接成二極管形式的硅三極管MPS3704，它具有負(fù)的溫度系數(shù)–2mV/℃，其PN結(jié)電阻值隨溫度的升高下降。2.8溫度的數(shù)字測(cè)量第一百三十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2.8.1數(shù)字溫度計(jì)電路第一百三十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

R1與RP1的上半部分，RP1的下半部分，T2和T1與R5構(gòu)成電橋的四個(gè)橋臂，電橋由Ep與AGND之間的+2.8V電壓供電，電橋的輸出作為ICL7106的輸入接IN+