电子设计 信号频率测量仪

1信号频率测量仪摘要在数字电路中，信号频率测量仪属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。在CMOS电路系列产品中，信号频率测量仪是用量最大、品种很多的产品，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要本设计包括三个模块：信号源、频率测量仪和数字显示。关键词：施密特触发器、双十进制计数器CD4518、双JK触发器74LS107、74LS192、CD4511目录1简介............................................................021.1功能及特点....................................................021.1应用意义......................................................022设计方案.........................................................022.1设计指标......................................................032.2方案论证......................................................033电路分析及参数设计...............................................043.1信号源........................................................043.2放大整形电路..................................................063.3石英晶体振荡器................................................073.4分频器及量程选择..............................................083.5门控及逻辑控制电路............................................0923.6计数、译码、显示电路..........................................114结论.............................................................125附录.............................................................13附录1元器件列表................................................13附录2参考文献..................................................13附录3整机电路图1..............................................14整机电路图2..............................................15第一章简介1.1功能及特点数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波的频率，还可以测量方波、三角波和尖脉冲信号的频率。数字频率计在测量其它物理量如转速、振荡频率等方面获得广泛应用。周期信号在单位时间（1s）里变化的次数即频率。如果在一定时间间隔T内测得的这个周期信号的重复变化次数N,则周期信号的频率f=N/T。1.2应用的意义由于数字频率计的功能及作用，它被广泛应用于航天、电子、测控等领域，在实际生产、生活及教学活动中起着非常重要的作用。第二章设计方案数字频率计的硬件电路框图如图1所示，该系统主要由输入整形电路、晶体振荡器、分频器及量程选择开关、门控电路、逻辑控制电路、闸门、计数译码显示电路等组成。首先，把被测信号通过放大、整形电路将其转换成同频率的脉冲信号，然后将它加到闸门的一个输入端。闸门的另一个输入信号是门控电路发出的标准脉冲，只有在门控电路输入高电平时，闸门被打开，被测量的脉冲通过闸门进入到计数器进行计数。3门控电路输出高电平的时间T是非常精确的，它是由一个高稳定的石英晶体振荡器和一个多级分频器及量程选择开关共同决定。逻辑控制电路是控制计数器的工作顺序的，使计数器按照一定的工作程序（准备、计数、显示、清零、准备下一次测量）进行有条理的工作。fx图1数字频率计的组成框图2.1设计指标数字频率计的设计指标：1．数字频率计可测量正弦波、三角波、方波、尖脉冲及其它各种周期性信号。2．显示方式：具有十进制数字显示功能。（依据测量范围可变化）3．测量误差：≤1%。(发挥部分：≤0.1%)4．测量范围：1KHZ~100kHZ（发挥部分：1Hz~1MHz）。2.2方案论证方案一：测频法（M法）对频率为f的周期信号，测频法的实现方法，是用以标准闸门信号对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时，其频率为：fs=N1/f测为标准闸门宽度，N1是计数器计出的脉冲个数，设在TG期间，计数器的精确计数值为N，根据计数器的技术特性可知，N1的绝对误差是△N1=N±1,N1的相对误差为：&N1=(N1-N)/N=(N±1-N)/N=±1/N由N1的相对误差可知，N（或N1）的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f已确定的条件下，为减小N1的相对误差，可通过增大TG的方法来降低测量误差。但是，增大TG会使频率测量的响应时间长。当TG为确定值时(TG=1s)，则有f=N，固有f1的相对误差：&f1=(f1-f)/f=(f±1-f)/f=±1/f由上式可知，f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此，测频法适合于对高逻辑控制门控电路闸门技术、译码、显示放大整形电路石英振荡器分频器量程选择开关4频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。方案二：测周期法（T法）首先把被测信号通过二分频，获得一个高电频时间和低电平时间都是一个信号周期T的方波信号；然后用一个已知周期的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对此高频信号进行计数。若在T时间内的计数值为N2,则有T2=N2×Toscf2=1/T2=1/N2×Tosc=fobs/N2N2的绝对误差为△N=±1，N2的相对误差为&N2=(N2-N)/N=(N±1-N)/N=±1/N从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频你标准计数信号的频率成反比。当fosc为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。方案三：T/M法T/M法测量是采用两个计数器，分别对被测信号f和高频信号进行计数，T/M法的测量在确定的检测时间内，若对被测信号f的计数值为N1，而对高频信号fosc的计数值为N2.但对fosc信号的计数，必须直到f信号在第一个计数器停止计数后的一个完整的f信号周期。由此可得，N1个f信号周期的时间为T2=N2×Tosc，故每个f信号周期的时间为T3=N2×Tosc/N1则有f3=1/T=N1/N2×Tosc=N1×fosc/N2由T3的相对误差可知，T/M发测量的误差与信号频率成正比，与高频标准信号的频率成反比，但随f的增大，N1也在增大（在一定的检测时间内）。由上式还可以看出，T3的相对误差实际上是由M法误差±f/fosc两部分组成。直接测频法和间接测频法分别适用于高频和低频信号的频率测量，为了提高频率计的量程，本设计采用直接测频法。且所设计的频率计具有精确高、测量迅速，耗能少，使用方便等优点。第三章电路分析及参数设计3.1信号源用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，其电路框图如下图所示。正弦波发生器方波三角波正弦波过零比较器积分器5正弦波：直流电源就是震荡能源，在电路中存在噪声当w=w0=1/RC这一频率成分经过放大。通过选频网络最后输出正弦波。RwR2R4C15V+_V0R3CR1-15V调整电阻RW（即改变了反馈Rf），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf，如波形失真严重，则应适当减少Rf。改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程切换（粗调），而调节R作量程内的频率细调。方波：VT1=R2R1R1VREF+2R1R2RVOHVT2=R2R1R1VREF+2R1R2RVOL本电路中VREF=0，所以VT1=2R1R2RVOHVT2=2R1R2RVOL令初始时间t=0,两个时刻t1,t2。假设t=0时，ViVOL，输出V0,当ViVOL时保持V0不变。当t=t1,ViVOH，输出从V0变为-V0，之后Vi在大于V内变化时，保持-V0不变。当t=t2时，ViVOL，输出又从-V0变为V0。之后不断的重复，形成方波。15VViR3_R4V06+R1-15VR2三角波：积分电路U0=-21)(RC1ttdttu+u0(t1)当输入为方波时，利用积分电路，可以输出三角波。15VVi_V0+-15V直流电源：先将220V交流电通过变压器变小，再通过整流，最后输出直流电给运算放大器供电。+7_3.2放大整形电路由于输入信号的幅度比较小，要测量其频率大小，首先要进行放大整形，将正弦波、三角波、方波、尖脉冲及其它各种周期性信号变换成同频方波信号。实现此功能的电路图如图2所示。信号首先经过两只二极管D1、D2进行输入嵌位限幅，然后通过两级三极管组成的共射级放大器进行放大，然后将放大后的信号送入CD4093施密特触发器（CD4093由四个2输入端施密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入端具有斯密特触发功能的2输入与非门。每个门在信号的上升和下降沿的不同点开、关。上升电压(VP)T和下降电压(VN)之差定义为滞后电压(△VT)。）整形，从而得到上、下沿非常陡峭的方波信号。图2输入信号放大电路3.3石英晶体振荡器为了得到高精度、高稳定度的时基信号，需要有一个高稳定度的高频信号源。产生此时基信号的电路图如图3所示。图中Rf为反馈电阻，为门电路提供合适的工作点，使其工作在线性状态。电容C是耦合电容，石英晶体选用10MHz晶体，该电路的振荡频率为10MHz。CS10MHZ80.047UFf0C74LS04RfRf500500图3石英晶体振荡器3.4分频器及量程选择分频器是由多级计数器构成，目的是得到不同标准的时基信号。采用4片双十进制计数器CD4518级联10Hz、1Hz的标准信号。电路图如图4所示。至于量程的选择，主要是根据输入信号频率的大小，选择不同的时基信号。对于1KHzf10KHz的输入信号，量程选择开关可打在×1的位置上；对于10KHzf1MHz的输入信号，量程选择开关可打在×10的在电路处理上，将单位时间缩小为0.1s,测量值为数显值×10；即选用×1、×10三档作为脉冲输入的门控时间，可完成设计指标中基本测量量程和发挥部分量程的选择。CD4518功能表输入输出功能CPCREN↑LH加记数LL↓加记数↓LX保持XL↑↑LLHL↓XHX全部为LG1G2G39图4分频器及量程选择电路3.5门控及逻辑控制电路门控及逻辑控制电路的功能是：在时标脉冲的作用下，首先输出一个标准时间（如1s），在这个时间内，计数器记录下输入脉冲的个数；然后逻辑控制电路发出一锁存保持信号，使记录下的脉冲个数被显示一段时间，以便观察者看清并记录下来；接下来逻辑控制电路输出一清零脉冲，使计数器的原记录数据被清零，准备下次计数。如图5所示电路可实现上述功能。Q0－稳态输入建立前Q的电平/Q0－稳态输入建立前/Q的电平10在图5所示电路中，双JK触发器74LS107中的F1触发器用来计