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文檔簡介
電子儀器儀表設(shè)計(jì) 1 等精度頻率測量2 電氣參數(shù)測試3 示波器測試4 元器件參數(shù)測試5 幅頻 相頻測試 頻率 時(shí)間的應(yīng)用與人們?nèi)粘I钕⑾⑾嚓P(guān) 而在當(dāng)代高科技中顯得尤為重要 例如 郵電通訊 大地測量 地震預(yù)報(bào) 人造衛(wèi)星 宇宙飛船 航天飛機(jī)的導(dǎo)航定位控制等都與頻率 時(shí)間密切相關(guān) 因此準(zhǔn)確測量時(shí)間和頻率是十分重要的 第1章數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 頻率測量的方法 1 諧振法 利用LC回路的諧振特性進(jìn)行測頻 如諧振式波長表可測無源LC回路的固有諧振頻率 測頻范圍為0 5 1500MHz 2 外差法 改變標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率 使它與被測信號(hào)混合 取其差頻 當(dāng)差頻為零時(shí)讀取頻率 這種外差式頻率計(jì)可測高達(dá)3000MHz的微弱信號(hào)的頻率 測頻精確度為10 6左右 3 示波法 在示波器上根據(jù)李沙育圖形或信號(hào)波形的周期個(gè)數(shù)進(jìn)行測頻 這種方法的測量頻率范圍從音頻到高頻信號(hào)皆可 4 電子計(jì)數(shù)器法 直接計(jì)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)被測信號(hào)的脈沖數(shù) 然后以數(shù)字形式顯示頻率值 這種方法測量精確度高 快速 適合不同頻率 不同精確度測頻的需要 1 1頻率測量數(shù)字頻率計(jì)是用于測量信號(hào)頻率的電路 測量信號(hào)的頻率參數(shù)是最常用的測量方法之一 實(shí)現(xiàn)頻率測量的方法比較多 在此我們主要介紹三種常用的方法 時(shí)間門限測量法 標(biāo)準(zhǔn)頻率比較測量法 等精度測量法 1 1 1時(shí)間門限測量法 1 直接頻率測量在一定的時(shí)間門限T內(nèi) 如果測得輸入信號(hào)的脈沖數(shù)為N 設(shè)待測信號(hào)的頻率為fx 則該信號(hào)的頻率為 改變時(shí)間T 則可改變測量頻率范圍 例如 當(dāng)T 1s 則fx N Hz T 1ms 則fx N kHz 此方法的原理框圖如圖所示 時(shí)序波形圖如圖所示 測頻原理框圖 測頻時(shí)序波形圖 1 量化誤差 如圖所示 雖然閘門開啟時(shí)間都為T 但因?yàn)殚l門開啟時(shí)刻不一樣 計(jì)數(shù)值一個(gè)為9 另一個(gè)卻為8 兩個(gè)計(jì)數(shù)值相差1 量化誤差的相對(duì)誤差為 不管計(jì)數(shù)N是多少 N的最大值都為 1 因此 為了減少最大計(jì)數(shù)誤差對(duì)測量精度的影響 儀器使用中采取的技術(shù)措施是 盡量使計(jì)數(shù)值N大 使 N N誤差相應(yīng)減少 例如在測頻時(shí) 應(yīng)盡量選用大的閘門時(shí)間 2 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差在測頻時(shí)取決于閘門時(shí)間的準(zhǔn)確度 由于閘門時(shí)間和時(shí)標(biāo)均由晶體振蕩器多次倍頻或分頻獲得 因此 通用計(jì)數(shù)器有關(guān)功能的標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差就是指通用計(jì)數(shù)器內(nèi) 或外部接入 的晶體振蕩器的準(zhǔn)確度 f0 f0 通過上述分析 可得頻率測量誤差表達(dá)式如下 2 直接周期測量 當(dāng)被測信號(hào)的頻率較低時(shí) 采用直接測頻方法由量化誤差引起的測頻誤差太大 為提高測低頻時(shí)的準(zhǔn)確度 應(yīng)先測周期Tx 然后計(jì)算fx 1 Tx TX NT0 k 以上分析可見 頻率計(jì)測周期的基本原理正好與測頻相反 即被測信號(hào)用來控制閘電路的開通與關(guān)閉 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖 數(shù)字頻率計(jì)測周期的原理框圖如圖所示 被測信號(hào)經(jīng)放大整形電路變成方波 加到門控電路產(chǎn)生閘門信號(hào) 如Tx 10ms 則閘門打開的時(shí)間也為10ms 在此期間內(nèi) 周期為Ts的標(biāo)準(zhǔn)脈沖通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù) 若TS 1uS 則計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖N TX TS 10000個(gè) 若以毫秒 ms 為單位 則顯示器上的讀數(shù)為10 000 測周誤差 測周誤差包括測周量化誤差和觸發(fā)誤差 1 測周量化誤差 測周量化誤差為 2 觸發(fā)誤差 當(dāng)進(jìn)行周期等功能的測量時(shí) 門控雙穩(wěn)的門控信號(hào)由通過B通道的被測信號(hào)所控制 當(dāng)無噪聲干擾時(shí) 主門開啟時(shí)間剛好等于一個(gè)被測信號(hào)的周期Tx 如果被測信號(hào)受到干擾 當(dāng)信號(hào)通過B通道時(shí) 將會(huì)使整形電路 施密特觸發(fā)器 出現(xiàn)超前或滯后觸發(fā) 致使整形后波形的周期與實(shí)際被測信號(hào)的周期發(fā)生偏離 Tx 引起所謂的觸發(fā)誤差 或轉(zhuǎn)換誤差 經(jīng)推導(dǎo) 觸發(fā)誤差 Tx Tx的大小為 周期測量誤差表達(dá)式如下 3 中界頻率 測頻誤差及測周誤差與被測信號(hào)頻率的關(guān)系如圖示 圖中測頻和測周兩條誤差曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率稱中界頻率fxm 但是 還存在兩個(gè)問題 該方法不能直接讀出被測信號(hào)的頻率值或周期值 在中界頻率附近 仍不能達(dá)到較高的測量精度 若采用多周期同步測量方法 便可解決上述問題 很顯然 當(dāng)被測信號(hào)頻率fx fxm時(shí) 宜采用測頻的方法 當(dāng)被測信號(hào)的頻率fx fxm時(shí) 宜采用測周的方法 1 1 2標(biāo)準(zhǔn)頻率比較測量法 用兩組計(jì)數(shù)器在相同的時(shí)間門限內(nèi)同時(shí)計(jì)數(shù) 測得待測信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)為N1 已知的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)為N2 設(shè)待測信號(hào)的頻率為fx 已知的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率為f0 由于測量時(shí)間相同 則可得到如下等式 從上式可得出待測信號(hào)的頻率公式為 標(biāo)準(zhǔn)頻率比較測量法對(duì)測量時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間門限的精度要求不高 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度和頻率的穩(wěn)定度要求較高 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率越高 測量的精度就比較高 該方法的測量時(shí)間誤差與時(shí)間門限測量法的相同 可能的最大誤差為正負(fù)一個(gè)待測信號(hào)周期 即 t 1 fx 測量時(shí)可能產(chǎn)生的誤差時(shí)序波形如圖所示 一般測量時(shí)可能產(chǎn)生的誤差時(shí)序波形圖 等精度測量法的機(jī)理是在標(biāo)準(zhǔn)頻率比較測量法的基礎(chǔ)上改變計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)開始和結(jié)束與閘門門限的上升沿和下降沿的嚴(yán)格關(guān)系 當(dāng)閘門門限的上升沿到來時(shí) 如果待測量信號(hào)的上升沿未到時(shí)兩組計(jì)數(shù)器也不計(jì)數(shù) 只有在待測量信號(hào)的上升沿到來時(shí) 兩組計(jì)數(shù)器才開始計(jì)數(shù) 當(dāng)閘門門限的下降沿到來時(shí) 如果待測量信號(hào)的一個(gè)周期未結(jié)束時(shí)兩組計(jì)數(shù)器也不停止計(jì)數(shù) 只有在待測量信號(hào)的一個(gè)周期結(jié)束時(shí)兩組計(jì)數(shù)器才停止計(jì)數(shù) 這樣就克服了待測量信號(hào)的脈沖周期不完整的問題 其誤差只由標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)產(chǎn)生 與待測量信號(hào)的頻率無關(guān) 最大誤差為正負(fù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率周期 即 t 1 f0 由于一般標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率都在幾十兆赫茲以上 因此誤差小于10 6 1 1 3等精度測頻法 等精度測量法的時(shí)序波形圖 預(yù)置閘門時(shí)間產(chǎn)生電路產(chǎn)生預(yù)置的閘門時(shí)間TP TP經(jīng)同步電路產(chǎn)生與被測信號(hào) fx 同步的實(shí)際閘門時(shí)間T 主門 與主門 在時(shí)間T內(nèi)被同時(shí)打開 于是計(jì)數(shù)器 和計(jì)數(shù)器 便分別對(duì)被測信號(hào) fx 和時(shí)鐘信號(hào) f0 的周期數(shù)進(jìn)行累計(jì) 在T內(nèi) 計(jì)數(shù)器 的累計(jì)數(shù)NA fx T 計(jì)數(shù)器 的累計(jì)數(shù)NB f0 T 再由運(yùn)算部件計(jì)算得出即為被測頻率 計(jì)數(shù)器 記錄了被測信號(hào)的周期數(shù) 所以通常稱事件計(jì)數(shù)器 由于閘門的開和關(guān)與被測信號(hào)同步 因而實(shí)際的閘門時(shí)間T已不等于預(yù)置的閘門時(shí)間TP 且大小也不是固定的 為此設(shè)置了計(jì)數(shù)器 用以在T內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)來確定實(shí)際開門的閘門時(shí)間T的大小 所以計(jì)數(shù)器 通常稱為時(shí)間計(jì)數(shù)器 由圖 b 所示的工作波形圖中可以看出 由于D觸發(fā)器的同步作用 計(jì)數(shù)器 所記錄的NA值已不存在 1誤差的影響 由于時(shí)鐘信號(hào)與閘門的開和關(guān)無確定的相位關(guān)系 計(jì)數(shù)器 所記錄的NB的值仍存在 1誤差的影響 但是 由于時(shí)鐘頻率f0很高 1誤差的影響很小 且在全頻段的測量精度是均衡的 測量精度已與被測信號(hào)的頻率無關(guān) 等精度頻率計(jì)的設(shè)計(jì)實(shí)例 該等精度頻率計(jì)主要由五部分組成 單片機(jī)控制部分 通道部分 同步電路部分 計(jì)數(shù)器部分 鍵盤與顯示部分 一 等精度頻率計(jì)的組成 任務(wù) 通過P1口與P3口進(jìn)行整機(jī)測量過程的控制 故障的自動(dòng)檢測以及測量結(jié)果的處理與顯示等 P1 0 作預(yù)置閘門時(shí)間控制線 P1 1作同步門控制電路的復(fù)位信號(hào)線 1 8031單片機(jī)及其接口部分 P1 2作查詢實(shí)際閘門時(shí)間的狀態(tài)線 P1 3作計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)線 P1 4 P1 7 用做控制儀器鍵盤燈 P3 0 P3 1作為通道部分的控制線 8031單片機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)16位定時(shí) 計(jì)數(shù)器作兩個(gè)主計(jì)數(shù)器的一部分 并通過T0 T1分別與外部的事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端相接 外部的事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器的測量結(jié)果分別通過擴(kuò)展輸入口與P 口相連 8155作為8031的擴(kuò)展I 0口 用來與鍵盤和顯示電路接口 其內(nèi)部的14位計(jì)數(shù)器被用來作為本機(jī)預(yù)置閘門時(shí)間的定時(shí)器 定時(shí)器的輸入信號(hào)取自8031的ALE端 定時(shí)器的輸出與8031的INT1端相接 作為中斷申請信號(hào) 主要由放大 整形和一個(gè)十分頻的預(yù)分頻電路組成 本機(jī)設(shè)計(jì)測頻范圍為 20Hz 100MHz 當(dāng)被測頻率大于10MHz時(shí) 需先經(jīng)預(yù)分頻電路分頻后再送入計(jì)數(shù)器電路 2 通道部分 由主門 及同步控制電路組成 主門 控制被測信號(hào)fx的通過 主門 控制時(shí)鐘信號(hào) fO的通過 兩門的啟閉都由同步控制電路控制 3 同步電路 計(jì)數(shù)器包括事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器兩組完全相同的計(jì)數(shù)電路 分別由前后兩級(jí)組成 前級(jí)電路由高速的TTL計(jì)數(shù)器74LS393構(gòu)成八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 電路如圖7 26示 計(jì)數(shù)前由P1 3發(fā)計(jì)數(shù)器清零信號(hào) 計(jì)數(shù)后通過4LS244緩沖器將測量結(jié)果讀入內(nèi)存 后級(jí)由8031單片機(jī)內(nèi)的定時(shí) 計(jì)數(shù)定數(shù)器構(gòu)成 4 計(jì)數(shù)器電路 鍵盤與顯示部分的電路如圖所示 這是一個(gè)較為典型的采用8155并行口組成的鍵盤顯示電路 七位LED顯示采用了動(dòng)態(tài)顯示軟件譯碼工作方式 段碼由8155的PB口提供 位選碼由PA口提供 鍵盤共設(shè)置了4個(gè)按鍵 采用逐列掃描查詢工作方式 其列輸出由PA口提供 列輸入 由PC口提供 由于鍵盤與顯示做成一個(gè)接口電路 因此軟件中合并考慮鍵盤查詢與動(dòng)態(tài)顯示 為了使顯示器的動(dòng)態(tài)掃描不出現(xiàn)斷續(xù) 鍵盤防抖的延時(shí)子程序用顯示子程序替代 5 鍵盤與顯示部分 1 測量準(zhǔn)備 P1 3發(fā)出復(fù)位信號(hào) 使計(jì)數(shù)器清零 同時(shí)P1 1也發(fā)復(fù)位信號(hào) 使同步D觸發(fā)器的Q端為低電平 則主門 和主門 關(guān)閉 這時(shí)P1 0的初狀態(tài)為 1 使D觸發(fā)器的D端為高電平 同步門可靠關(guān)閉 2 測量開始 P1 0從高電平跳到低電平 使D觸發(fā)器的D端為 0 這時(shí)被測信號(hào)一旦到達(dá)CK端 觸發(fā)器Q立即由 0 1 同步門被打開 被測信號(hào)和時(shí)間信號(hào)分別進(jìn)入相應(yīng)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù) 的P1 0從高電平跳到低電平的同時(shí) 也啟動(dòng)了計(jì)時(shí)系統(tǒng)開始計(jì)量閘門時(shí)間 3 測量結(jié)束 當(dāng)預(yù)定的測量時(shí)間 1s或0 1s 結(jié)束時(shí) INT1端便測到時(shí)間信號(hào) 此時(shí)令P1 0從低電平恢復(fù)到高電平 隨后緊跟而來的被測信號(hào)再次觸發(fā)D觸發(fā)器 使之翻轉(zhuǎn) Q端由高電平轉(zhuǎn)為低電平 使同步門關(guān)閉 計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù) 4 數(shù)據(jù)處理 當(dāng)查詢到P1 2的狀態(tài)為低電平時(shí) 單片機(jī)就進(jìn)行讀數(shù) 運(yùn)算 數(shù)據(jù)處理等工作 并將結(jié)果輸出顯示 然后又重復(fù)上述過程進(jìn)行下一次測量 二 等精度頻率計(jì)的測
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