物理參量的數字化測量

物理參量的數字化測量第一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.1頻率、周期、脈寬、時間間隔和頻率比的測量

頻率的測量方法是準數字信號的典型代表，它是所有準數字信號測量的基礎，因此掌握頻率的測量方法對于測量準數字信號是至關重要的。第二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日1.頻率測量原理頻率是周期信號在1秒中內的重復次數，以赫茲為單位。頻率的測量原理就是根據其定義確定的。頻率測量的原理框圖見圖2.1.1。被測信號由放大整形電路整形成與被測信號頻率相等的方波信號加至控制門，時基電路產生一寬度為τ的周期性開門脈沖，使控制門間隔一定的周期在時間τ內打開，被整形后的被測信號方波通過控制門進入計數器計數。第三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.1.1頻率測量原理框圖放大整形時基電路控制門計數器鎖存器譯碼/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

測量過程是周期性自動進行的，每次測量的數據必須被鎖存后才能進行下一次測量，而在下一次測量開始前，計數器中上一次測量的數據必須被清除，以避免出現(xiàn)兩次測量的結果累加的情況。為此系統(tǒng)中設置了清零電路和選通電路。開門信號、選通信號和清零信號的時序關系見圖2.1.2。第五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.1.2測頻信號的時序關系

第六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日在一次測量完成后，鎖存選通電路發(fā)出數據選通信號（這里假設為上跳脈沖），使鎖存器鎖存計數器中的該次測量的結果，鎖存后清零電路發(fā)出清零脈沖（這里假設為負跳脈沖），將計數器清零，當計數器被清零后，即可進行下一次測量。設在開門時間τ內計數器共計數Nx，則被測信號頻率為第七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日頻率測量的誤差可在兩個環(huán)節(jié)產生，一個是時基電路，該電路產生基準開門時間τ，若τ有誤差，則測量必產生誤差；第二個環(huán)節(jié)是由于在計數過程中開門時刻與被測脈沖的同步不確定性引起的量化誤差。時基電路的頻率穩(wěn)定度是頻率測量精度的決定因素，只有確保了基準頻率的穩(wěn)定度，才能夠保證開門時間τ的準確性，從而減小該環(huán)節(jié)引起的測量誤差。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元件，其穩(wěn)定度可達10-8～10-10/年，在這樣的技術指標下頻率測量易于實現(xiàn)高精確度。量化誤差是開門信號前后沿的到來時刻與被計數脈沖出現(xiàn)時刻的隨機性導致的多計或漏計一個脈沖而引起的，其最大值為±1LSB。顯然它是固有的，減小的方法是加大開門時間或將被測信號的頻率倍頻若干倍，計數之后再減小相同的倍數。

第九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.周期、脈寬、時間間隔和頻率比的測量1）周期的測量周期是頻率的倒數，因此在測量方法上也與頻率相反，測頻系統(tǒng)中的開門信號是被測周期信號經轉換后的信號。而基準時鐘信號作為脈沖。第十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

Tx

放大整形時基電路控制門計數器鎖存器譯碼/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

整個周期測量系統(tǒng)由放大整形電路、10r分頻器、T’觸發(fā)器、時基電路、控制門、計數器、清零電路、鎖存器、鎖存器選通電路和譯碼顯示電路組成。被測信號由放大整形電路整形成與被測信號周期相等的標準方波信號，經10r分頻器后變換為周期為原信號周期10r倍的周期信號。第十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日該周期信號經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，該信號作為門控信號加至控制門，用于控制控制門的開啟與關閉。時基電路用于產生計數脈沖，在時間τ內通過控制門進入計數器計數。設計數值為Nx，時鐘基準頻率為fr，則被測周期為第十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日當fr=1Hz，并將小數點左移r位，即可實現(xiàn)周期的直讀。圖中的清零和選通環(huán)節(jié)的作用及信號時序與測量頻率電路一樣。同理，測量周期的精確度也取決于時鐘基準頻率的穩(wěn)定度和精度，也同樣存在因開門信號與計數時鐘信號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）脈沖寬度的測量脈沖寬度的測量與周期測量無本質區(qū)別，由于脈沖的寬度相當于周期信號的周期，且只需單次測量，因此將周期測量電路中的T’觸發(fā)器刪除即可測量脈沖寬度。

3）時間間隔的測量時間間隔測量的基本思想是：將兩路脈沖的時間間隔轉換成脈寬，然后用測量脈寬的方法測量之。第十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.1.4時間間隔測量原理框圖放大整形放大整形或門CKQ

JK

計數器鎖存器譯碼/顯示上電復位清零控制門5V時鐘基準

A

B

第十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖中J-K觸發(fā)器構成一T觸發(fā)器，兩路脈沖信號經放大整形后通過或門加至T觸發(fā)器的時鐘輸入端，T觸發(fā)器在上電時由上電復位電路自動復位使Q=“0”，當一路脈沖到來時T觸發(fā)器翻轉輸出高電平，之后另一路脈沖到來時，T觸發(fā)器再次翻轉，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間間隔相等的脈寬，之后問題就轉化為測量脈寬。第十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日設時鐘基準頻率為fr，計數值為Nx，則時間間隔為4）頻率比的測量頻率輸出的傳感器，其傳遞函數往往表現(xiàn)為輸出頻率與中心頻率（零輸入頻率）之比值與被測參數成線性或者確定的函數關系，因此測量頻率比有時可得到比頻率測量更直接的結果。第十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.1.5頻率比測量原理框圖

fA

fB

放大整形放大整形控制門計數器鎖存器譯碼/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

頻率比的測量原理與周期測量相似，只需將周期測量系統(tǒng)中的時鐘基準換為兩個頻率信號中的一個即可。電路的工作原理與測量周期完全相同。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多功能數字頻率計

目前，芯片制造商已經研制成功單片數字頻率計，并已形成商品，這給數字頻率計的設計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多功能頻率計數器，并應用該芯片設計數字多功能頻率計。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)模集成計數器，共有ICM7216A、ICM7216B、ICM7216C、ICM7216D四種型號，其中ICM7216B是多功能芯片，具有測量頻率、周期、時間間隔、頻率比及脈沖計數等多項功能，因而是設計多功能數字頻率計的可選芯片。第二十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日芯片的特點如下：①可構成DC～10MHz的數字頻率計，此時內部的門控時間分為0.01s、0.1s、1s和10s四擋，分別作為四個量程的計數窗口，也可用于測量周期、頻率比和時間間隔。②能直接驅動8位共陰極LED數碼管。③單電源供電，標稱值5V，允許波動范圍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（非零數字前的零或小數點之后非零數字之后的零）消隱以及溢出指示功能。⑤可采用強迫消隱方式，使功耗降至最低。⑥設置了Hold和Reset輸入，提高芯片應用的靈活性。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Hold=“1”時，強迫消隱；當Hold=“0”時，正常顯示。pin1－pin12(D8)顯示器測試，全部筆段及小數點亮。pin1－pin6(D2)選擇1MHz外接晶振，小數點右移一位，掃描頻率仍為500Hz。pin1－pin4(D1)外部時鐘輸入使能。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)：被測信號輸入端。要求輸入信號的峰-峰值應大于電源電壓的50%，當為TTL電平信號輸入時，應加上拉電阻，當輸入由高至低跳變時電路計數。需要注意的是，若電路設置前置放大電路，應確保放大后的輸入信號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)頻率測量pin3－pin12(D8)周期測量pin3－pin6(D2)頻率比測量pin3－pin9(D5)時間間隔測量pin3－pin7(D4)單位脈沖計數pin3－pin5(D3)振蕩器頻率自測試第二十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日不同功能的實現(xiàn)是通過將兩個輸入以不同的接法連接到兩個不同的計數器實現(xiàn)的。兩個計數器分別是主計數器和參考計數器，實現(xiàn)不同功能的內部簡化框圖如2.2.2圖所示。第二十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.2.2實現(xiàn)不同功能的內部簡化框圖第三十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

兩個輸入在不同功能下的接法見下表功能主計數器參考計數器頻率測量(fA)InputA100Hz周期測量(tA)振蕩器InputA頻率比測量(fA/fB)InputAInputB時間間隔測量(A→B)振蕩器InputA，InputB單位脈沖計數(計數輸入)InputA無振蕩器頻率自測試(fOSC)振蕩器100Hz第三十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日主計數器的輸出作為測量結果被顯示，參考計數器將輸入其中的輸入信號分頻1，10，100，1000倍后分四路輸出，量程選擇器選擇其中一路信號輸出驅動主計數器的使能端，控制主計數器的計數起始時刻和計數的時間長度，每次計數結束后，主計數器的值作為測量結果被鎖存并顯示，之后計數器被清零并開始新一輪測量。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行的測量，但不改變顯示值，并出發(fā)一次新的測量。在所有情況下，計數或計時是在“1”→“0”跳變時發(fā)生。第三十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日①頻率測量：輸入選擇器選擇100Hz的時鐘基準輸入給參考計數器，另一個輸入選擇器選擇被測信號從InputA輸入至主計數器，在一個精確的時間段內計數，該時間段的長度由100Hz時基信號和量程決定，測量分辨力為100Hz，10Hz，1Hz和0.1Hz，顯示器小數點的位置是依據顯示kHz讀數確定。第三十四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日②周期測量：輸入選擇器選擇被測信號InputA輸入至參考計數器，信號周期被分別擴展1，10，100，1000周，經量程選擇器選擇后作為主計數器的計數窗口長度。另一個輸入選擇器選擇振蕩器信號輸入給主計數器，在窗口內計數，從而得到被測周期值。若振蕩器頻率為10MHz，則周期測量的分辨力為0.1μs，0.01μs，0.001μs和0.0001μs。注意：周期測量時，被測信號的最大頻率為2.5MHz。第三十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日③頻率比測量：信號A從InputA輸入至主計數器，信號B從InputB輸入至參考計數器，信號B的周期被分別擴展1，10，100，1000周，經量程選擇器選擇后作為主計數器的計數窗口長度，信號A在窗口內計數，從而得到被測頻率比值。這里信號A的頻率應大于信號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時間間隔測量：信號A和信號B經輸入控制邏輯變換成單路脈沖信號，信號的高電平寬度與兩個信號的間隔時間相等，上升沿由信號A產生，下降沿由信號B產生，該脈沖信號經參考計數器和量程選擇器后輸出作為主計數器的計數窗口長度。振蕩器信號在窗口內由主計數器計數，從而測得時間間隔。第三十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日⑤單位脈沖計數：在該模式下，信號A輸入至主計數器連續(xù)計數，結果也被連續(xù)顯示輸出。⑥振蕩器頻率自測：在該模式下，芯片測量時基信號的頻率，若頻率為10MHz，在不同的量程下，顯示結果分別為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，掃描順序為Digit8→Digit7→…→Digit1。（5）In（pin13）：復位輸入，低電平有效。該信號將復位主計數器，中止正在進行的任何測量，使能主計數器鎖存，導致全“0”輸出。由于在芯片內部該引腳經上拉電阻接至VDD。實際應用時，在該端對地（VSS）接一電容，可以保證上電時自動復位，并保證手動復位時的復位脈沖的寬度，確?？煽繌臀弧５谌彭?，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日（6）RangeIn（pin14）：量程選擇輸入。用于選擇測量周期時的被測信號被參考計數器分頻的倍數（即將被測信號周期擴展的倍數）或測量頻率時的計數窗口的長度，具體見后表。除了在單位脈沖計數模式外，該引腳信號的任何改變將終止正在進行的測量，但不改變顯示值，以避免在信號改變后首次讀數的讀數錯誤。在終止測量的同時觸發(fā)新一次測量。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度/被測信號周期的擴展倍數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）：筆段驅動信號輸出，用于驅動顯示器的筆段。（8）DecimalPointOut（pin23）：小數點輸出，高電平有效。它與Digit1Out～Digit8Out的位掃描信號同步輸出，能自動指示小數點的位置，使用時應將第1～第7位LED數碼管的小數點均接該輸出。具體顯示位置與量程及工作模式有關，在10MHz時基頻率下小數點的位置見表。第四十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日量程頻率測量周期測量頻率比測量時間間隔測量單位脈沖計數振蕩器頻率自測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）：外部時鐘輸入端。當外部振蕩器使能時（pin1與Digit1Out相連），從該引腳輸入的外部時鐘取代由OscIn與OscOut之間連接的晶體振蕩器建立的時鐘作為時基信號。（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）：保持信號輸入端。在除了單位脈沖計數模式的其它模式中，當HoldIn輸入高電位（VDD）時，任何正在進行的測量將終止，主計數器被復位，芯片處于準備狀態(tài)，一旦HoldIn變低即開始新的測量。測量終止時，保持有主計數器數據的鎖存器不被更新，前一次完整測量的結果將被顯示。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數模式下，當HoldIn輸入高電位（VDD）時，主計數器不被停止或復位，但顯示被凍結在輸入高電位時的瞬時值，當HoldIn變低后主計數器繼續(xù)從新的計數值開始計數。當被測量過量程時，電路會給出溢出指示。指示標志是第8位LED顯示管的小數點，當該位小數點亮時表示此次測量過量程。第四十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日3.多功能數字頻率計根據上面的介紹，可以設計出基于ICM7216B的具有測量頻率、周期、頻率比和時間間隔等功能的多功能數字頻率計，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，星期日圖2.2.3多功能數字頻率計原理圖第四十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖中輸入為A、B兩路，B路僅在頻率比測量和時間間隔測量時使用。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前置預處理電路，對輸入信號進行緩沖、放大、遲滯或電平移動等預處理。芯片要求輸入信號的高電平寬度不小于50ns，如果小于50ns應采用單穩(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，星期日電路的時基信號是10MHz，由pin25和pin26之間的10MHz晶體振蕩器產生。開關S1是功能選擇器，用于選擇頻率、周期、頻率比、時間間隔、單位脈沖計數和基準頻率自測功能，實現(xiàn)對應參數的數字化測量。開關S2為量程選擇開關，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數碼管為共陰極數碼管，顯示測量結果，發(fā)光二極管用于指示測量溢出，其陰極接Digit8Out（pin12），陽極接小數點輸出（pin23），正常測量時該二極管不亮，當發(fā)生溢出時該二極管點亮。按鈕用于復位芯片，按下即復位，圖中在該引腳和Vss之間接入1個0.1μF的電容，目的有兩個，一是電路通電時自動復位，二是提高手動復位的可靠性。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行的測量，復位主計數器；二是控制顯示器消隱，當ControlIn與Digit4Out相連時（顯示消隱開關S3閉合），按下該按鈕使顯示器被強迫消隱。此時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，星期日當顯示測試開關S4閉合而顯示消隱開關S3斷開時，顯示器全部點亮用于測試顯示器的好壞。當外部時鐘使能開關S5閉合時，時基信號由外部時鐘代替。與控制開關串聯(lián)的二極管起信號隔離的作用。第五十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.3相位差的測量

相位差是指兩個同頻周期信號參考點（通常為過零點）之間的時間間隔，其測量方法有多種，這里介紹采用準數字信號轉換的方法測量相位差。其基本思想是利用鑒相器將相位差轉換為對應的脈沖寬度，然后采用測量脈寬的方法測量脈寬，從而測得相位差。

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）電平式鑒相器最簡單常用的電平式鑒相器是異或門，兩路信號經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，星期日圖2.3.1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，星期日圖中A、B為兩路被測信號經整形后的波形，P為經鑒相后兩路信號的相位差。這種鑒相器在每一個周期中出現(xiàn)兩個相位差脈寬，由于當A、B的相位差大于180°時，P只能輸出對應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

又由于若兩路信號經整形后的方波占空比不為50%，或雖為50%，但兩方波不等寬時均將產生測量誤差，因此異或門鑒相器要求兩路信號經整形后的波形應為占空比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，星期日圖2.3.2J-K觸發(fā)器構成的鑒相器

第五十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖中的連接方式為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J-K觸發(fā)器的特性，當A的下降沿到來觸發(fā)后，U1的狀態(tài)與U2相反，當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，星期日圖2.3.3J-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，星期日圖中P的波形即對應A、B兩信號的相位差，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%，兩路信號經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.相位差的準數字化測量法圖2.3.4相位差的準數字化測量原理框圖

放大整形放大整形控制門計數器鎖存器譯碼/顯示清零選通鑒相器時基電路AB第六十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日兩路信號經放大整形后進入鑒相器，輸出與相位差成正比的脈寬信號，該信號作為控制門的開門信號，時鐘在該脈寬內通過控制門由計數器計數，設脈寬為Tφ

，時鐘頻率為fr，計數值為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，欲測量兩個信號的相位差，必須知道被測信號的頻率。一般情況下被測信號的頻率是未知的，這就要求在測量相位差之前先測量信號的頻率，然后才能測量出兩個信號的相位差，這導致測量過程很繁瑣。解決這一問題的方法是設法使時基電路產生的信號頻率fr為被測信號頻率的整數倍，這樣即可抵消被測信號的頻率，從而使測量過程大大簡化。第六十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日

實現(xiàn)這一設想的方法是采用鎖相環(huán)倍頻跟蹤技術，使時基電路頻率自動跟蹤被測信號的頻率且成整數倍關系。第六十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.3.5非測頻相位差測量原理電路框圖放大整形放大整形控制門計數器鎖存器譯碼/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中的一路倍頻36×10r倍，作為時鐘基準只要將計數值顯示并將小數點左移r-1位即可測量并直接顯示相位差。注意：運用該法測量相位差時，被測信號的頻率上限受到鎖相環(huán)的最高工作頻率及倍頻倍數的限制。第六十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日如采用CD4046芯片構成36倍倍頻電路，被測信號的上限頻率為1.2MHz/36≈33.34kHz。如采用74HC4046芯片構成36倍倍頻電路，被測信號的上限頻率為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量相位差時，在信號頻率滿足上限頻率限制的條件下，測量分辨力受到倍頻倍數的限制。當36倍頻時，測量分辨力為10°；360倍時，測量分辨力為1°；3600倍時，測量分辨力為0.1°。顯然要求的測量分辨力越高，倍頻的倍數也越高，同時限制被測信號的頻率越低，它們之間成反比關系。第七十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日例如在3600倍時如采用CD4046芯片構成3600倍倍頻電路，被測信號的上限頻率為1.2MHz/3600≈333.4Hz如采用74HC4046芯片構成3600倍倍頻電路，被測信號的上限頻率為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量方法。思路是將上述測量方法中的在一個相位差脈寬內計數擴展為在若干個脈寬內計數。第七十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.3.6平均值測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門控信號，其寬度為Ts，且Ts=nT。設在Ts時間間隔內計數器計數值為Nx，計數時鐘周期為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值測量提高了n倍。實現(xiàn)這一思路的關鍵是，設計的電路必須確保鑒相信號Tx、附加門控信號Ts和時鐘信號Tck之間保持嚴格的同步和倍數關系。第七十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.3.7平均值測量相位差原理框圖鑒相器放大整形

放大整形控制門計數器鎖存器譯碼/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，星期日時鐘信號由輸入信號中的一路經放大整形后倍頻36×10r倍得到，即fck=36×10rf；鑒相器輸出信號經n分頻后得到周期為nT的方波信號，再經二分頻后得到寬度為nT的附加開門信號Ts。其后的測量原理與瞬時測量時相同。綜上所述，采用平均值測量的方法可提高測量的分辨力，或者在相同的分辨力條件下，平均值測量法可提高被測信號的頻率上限。第七十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日3.相位差準數字化測量的誤差分析相位差準數字化測量的誤差產生在前端的放大整形電路和鑒相器兩個環(huán)節(jié)。1）鑒相器環(huán)節(jié)當采用異或門作為鑒相器時，由于沒有附加的相位差產生，因此該環(huán)節(jié)不產生測量誤差。當采用邊沿觸發(fā)式鑒相器時，兩路觸發(fā)器的傳輸時間不一致會導致兩路信號的附加相移差，從而產生測量誤差。第七十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日設兩路觸發(fā)器的傳輸時間相差Δt則對應的附加相移為該附加相移一方面直接造成測量誤差，另一方面將限制測量分辨力。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。兩個部分的非理想性均將產生測量誤差。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信號輸入幅度不同的影響設兩路為正弦信號幅值不同，兩路放大器放大倍數相同，則放大后兩信號的斜率不同，若后續(xù)電平比較電路的翻轉電平相同為Vc，則兩路信號的幅度差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，星期日圖2.3.8信號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角度很小時，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，要做到這兩點應加大放大倍數，因此前置放大器應設計成高增益。②放大器固定延時和附加相移的影響放大器存在固定相移，當兩通道放大器的固定相移一致時不產生附加相移，不一致時產生附加相移，從而導致測量誤差，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可分解為各次諧波，電路對各諧波相移不同，使得輸出和輸入波形間產生相移，而且諧波使信號波形正負半周不對稱，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

對于以上三個誤差因素，解決的方法統(tǒng)一為設計高增益放大器，所用的集成運算放大器應選用高擺率，兩個通道的放大器特性要一致，一致性尤其重要，只要一致，即使指標不理想，也不會產生附加相移。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，一般情況下經前置放大器放大的信號為斜波，這里為便于分析設除比較電平外的其它條件均為理想，即兩路信號等幅，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，星期日圖2.3.9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，信號的幅度要大，θ值要小，比較電平的差別要小。前兩點歸結為前置放大器的增益要大，運放的上升速率要高。后一點歸結為兩個電平比較器的特性應一致。第八十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日3.結論

準數字法測量相位產生誤差的環(huán)節(jié)是前置放大整形和鑒相器，鑒相器產生誤差的原因是兩路觸發(fā)電路的不對稱性，這可由集成工藝解決，因此它不是主要誤差產生環(huán)節(jié)，主要環(huán)節(jié)是前置放大整形，產生誤差的原因是電路的不對稱及被測信號的不對稱。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）前置放大器的運算放大器采用高速運放，且兩路運算放大器應選用特性一致的運放；3）兩路電壓比較器的比較電平應相等。第九十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.4轉速的測量與控制1.轉速的測量

機械轉軸轉速的測量對轉動機械的設計、安全提供了重要數據，如航空發(fā)動機、離心壓縮機、鼓風機、電動機等轉軸的轉速，都需要進行精確測量。測量轉速行之有效的方法是用測試轉盤法或光電轉換法。第九十二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日測試轉盤法是將有60個齒的鐵磁圓盤固定在被測轉軸上，磁電式傳感器（或渦流傳感器、霍爾傳感器等）固定在測盤的外緣，當鐵磁圓盤跟隨轉軸轉動時，傳感器的線圈產生感應電動勢，每轉過一個齒產生一個感應電動勢的峰波，通過測量感應電動勢的頻率就可以測量轉速。第九十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日光電轉換法是在轉軸上面畫60個白條或在轉軸的測盤上由圓心畫出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換電脈沖，通過測量電脈沖的頻率就可以測量轉速。第九十四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.4.1磁電式轉速傳感器示意圖第九十五頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日測量系統(tǒng)由磁電式轉速傳感器、前置放大整形電路、頻率測量電路組成。傳感器是由安裝在機軸上的60個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盡量與齒輪靠近。當齒輪旋轉時靠近永久磁體的齒被磁化，使固定的線圈相對切割磁力線而產生感應電動勢，感應電動勢的大小與永久磁體的磁感應強度，線圈的匝數，永久磁體靠近齒的距離和轉速有關。第九十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日感應電動勢經放大整形后成為同頻率的方波脈沖，由頻率計測量其頻率。設齒數為z，被測量轉速為n（周/分），則感應電動勢頻率為由于z=60，故被測轉速為因此只要測量感應電動勢的頻率f，就可以測量得到轉速。第九十七頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.4.2基于ICM7216B芯片的轉速測量電路

第九十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖中A1構成隔直放大電路，A2為比較器用于將放大后的脈動波形整形成標準電平的方波。ICM7216B構成頻率測量電路。自轉速傳感器輸出的脈動信號，由電容C1隔離掉脈動信號中的直流分量，并輸至運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電平的標準脈沖信號，其頻率與轉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，芯片功能被設置成頻率測量，pin5與pin14相連，將計數的時間窗口時間設置成1s，這樣所測量出的脈沖信號頻率值就是所測量的轉速。第一百頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.電機穩(wěn)速伺服控制利用鎖相環(huán)技術可以方便地控制電機轉速，使之滿足需要的精度。圖2.4.3給出了心電圖機走紙裝置電機轉速控制電路。晶振產生的32768Hz高穩(wěn)定度基準頻率經14級二進制串行計數器CD4020分頻后，分別在Q6、Q7端得到512Hz及256Hz的基準頻率信號。

第一百零一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.4.3心電圖走紙裝置電機穩(wěn)速控制電路第一百零二頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日兩個基準頻率在25或50mm/s紙速控制電路控制下，送到CD4046的輸入端（14腳），電機轉速經轉速傳感器和放大整形電路變換后得到與轉速成正比的方波信號，該信號輸入CD4046的相位比較器Ⅱ的輸入端（3腳），與基準頻率信號比較，若兩者存在頻率差，相位比較器Ⅱ便會輸出一誤差電壓，經低通濾波器濾波，功率放大后，調節(jié)電機的轉速直至環(huán)路鎖定在規(guī)定的頻率上，此時電機的轉速穩(wěn)定在設定的轉速上。第一百零三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日當走紙速度為50mm/s時，25/50控制信號為“1”，基準頻率為512Hz；當走紙速度為25mm/s時，25/50控制信號為“0”，基準頻率為256Hz。第一百零四頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.5流量的測量

在工業(yè)生產過程和人們的日常生活中經常會接觸到多種流體，包括氣體、液體、粉末或固體顆粒等，相應地在許多場合需要測量流過流體的總量或瞬時流量。例如家庭生活中自來水和煤氣（或天然氣）用量的計量，駕駛人員給汽車加油的計量等都是人們熟知的流量測量的例子。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間內流過管道或明渠中某截面的體積或質量，前者稱為體積流量，后者稱為質量流量。流量測量的原理有多種，相應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，其頻率與被測流量成正比，因此基于這些類型流量傳感器測量流量的問題就轉化為脈沖信號的頻率測量。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速度進行流量測量的一種傳感器。當葉輪置于流體中時，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，所產生的推力使旋漿轉動。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，那么可使流速和轉速的關系接近線性，只要測得葉輪的轉速，便可測量流體的流速，從而測量流量。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。當葉片旋轉時，磁阻將發(fā)生周期性的變化，從而使線圈感應出脈沖電壓，此脈沖電壓的頻率f即與葉片轉速或流過管道的瞬時流量Q成正比，瞬時流量Q的單位是升/秒（L/s），于是有關系式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，其單位是脈沖數/升。K值一般為小數點后帶兩位小數的4位數，在一定的流量范圍、黏度、溫度和壓力下，每個傳感器的K值為一常數，由廠家標定后向用戶提供。第一百零九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日單位時間內傳感器輸出的電脈沖數中含有的K值數，就是所測量的流量。由于K為具有小數位的實數，如果直接采用分頻器實現(xiàn)除K運算，只能先對K取整（小數點以下四舍五入），然后再進行除法，這樣將會引起較大測量誤差，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

為了實現(xiàn)小數除法，可以將計數的電脈沖值輸出給微處理器，由微處理器進行軟件除法，從而實現(xiàn)流量測量。此法可以在一定程度上提高測量測量精度，但是，由于計數器無法實現(xiàn)小數計數，因此計數過程舍去的小數脈沖，并不能由微處理器補償，所以測量精度不能從本質上得到提高；另一方面，測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，先根據流量系數K小數點以下的數據位數n，對傳感器輸出的電脈沖進行10n倍頻，然后再由計數器對倍頻后的脈沖進行計數，其結果等效為實現(xiàn)了小數計數。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K小數點以下的數據位數，一般取n=2），然后由計數器在單位時間內計數倍頻后的電脈沖，得到原脈沖頻率100倍的頻率值，將該值除以100K即可得到所測流量。第一百一十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.5.1基于渦輪式流量傳感器的流量測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首先需要進行放大整形，變換成標準電平的方波信號，該信號的頻率與流量傳感器的輸出電脈沖的頻率相等。整形后的信號由后續(xù)的100倍頻電路倍頻100倍（這里假設傳感器的流量系數具有兩位小數），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，星期日時基電路為由晶體振蕩器構成的秒脈沖發(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，該信號一方面經由R1、C1和與門構成的移相電路移相后作為控制與門的門控信號；另一方面經由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，同時該信號作為中斷請求信號，通知計算機本次測量完成可以取走測量結果。第一百一十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日計算機接收到中斷請求信號后，通過接口電路獲取測量計數值，將計數值除以100K便得到所測量的流量值，單位取決于流量系數K的單位，如果流量系數的單位是脈沖數/L，則測得的流量單位是L/s。而如果流量系數的單位是脈沖數/mL，則測得的流量單位是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轉角的測量

轉角通常采用轉角編碼器進行測量，其基本原理是將轉角轉換成光脈沖或電脈沖，通過對脈沖進行計數實現(xiàn)轉角測量。轉角編碼器又稱碼盤，是一種分辨力與精度都較高的測角傳感器。轉角編碼器有兩種類型：一是絕對式編碼器，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角/脈沖數轉換器，輸出的脈沖可由計數器進行計數，并可根據轉動的方向輸出方向信息，因此它可以在測量轉角的同時，確定轉向，據此可以測量相對角度。

增量式轉角編碼器包括：一個結構較為簡單的光脈沖調制盤，光脈沖讀出裝置（光電轉換裝置）以及一組邏輯與計數電路，測量原理框圖如圖2.6.1。第一百一十九頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.6.1增量式轉角編碼器測量轉角原理框圖第一百二十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日光脈沖調制盤的原理圖如圖2.6.2所示。它由三個圓環(huán)組成。兩個外圓環(huán)上均勻分布著相同數量的透光與不透光的柵格，并在空間上錯開半格。其中一個圓環(huán)用來產生計數脈沖，另一個圓環(huán)產生辯向脈沖。因為系統(tǒng)的最小計數單位是一個脈沖，所以柵格的總數決定轉角測量的分辨力。第三個圓環(huán)上只有一條透光的狹縫，由它產生調制盤的參考點位置（轉角的測量零點）。第一百二十一頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.6.2光脈沖調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，星期日如果將調制盤作正向或反向旋轉，光脈沖讀出裝置（光電轉換裝置）可產生相應的脈沖輸出。正轉時，計數脈沖波形滯后90°于辯向脈沖波形；反轉時，計數脈沖波形超前90°于辯向脈沖波形。調制盤轉過的角度大小與計數脈沖的個數成正比，轉向的辨別則要靠相位上超前還是滯后的區(qū)別。辨向邏輯與計數電路如圖2.6.3所示。第一百二十三頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.6.3辨向邏輯與計數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數脈沖信號和辯向脈沖信號經放大整形后變成了方波脈沖Pl和P2，兩者相位上的關系與轉向有關，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計數脈沖信號和辯向脈沖信號(a)正轉時；(b)反轉時第一百二十六頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日2.7占空比的數字測量測量電路如圖2.7.1所示。輸入方信號Vin經兩級非門整形后，得到一幅度為Va=2.8V的信號，Va經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經低通濾波后加至ICL7106的輸入端，因此實際上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，星期日圖2.7.1占空比測量電路第一百二十八頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日根據定義，設Vin的周期為T，高電平的寬度為T1，則：依據7106的測量原理有只要將小數點設置在十位，即可實現(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，星期日數字溫度計電路見圖2.8.1，圖中溫度傳感器是接成二極管形式的硅三極管MPS3704，它具有負的溫度系數–2mV/℃，其PN結電阻值隨溫度的升高下降。2.8溫度的數字測量第一百三十頁，共一百四十七頁，編輯于2023年，星期日圖2.8.1數字溫度計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構成電橋的四個橋臂，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+