电子设计_信号频率测量仪[1].doc

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，
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。

1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。

2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。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。
放大整形电路
技术、译码、显示
闸 门

fx

门控电路
逻 辑 控 制

量程选择开关
分 频 器
石 英 振 荡 器

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×Tosc
f2=1/T2=1/N2×Tosc=fobs/N2
N2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。

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：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。

Rw
R2 R4
C 15V
+
_ V0
R3 C R1
-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=VREF+VOH

VT2=VREF+VOL

本电路中VREF=0，所以
VT1=VOH
VT2=VOL
令初始时间t=0,两个时刻t1,t2。假设t=0时，Vi< VOL，输出V0,当Vi< VOL时保持V0不变。当t=t1, Vi> VOH，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，Vi< VOL，输出又从-V0变为V0。之后不断的重复，形成方波。
15V
Vi R3 _
R4 V0
+
R1
-15V
R2

三角波：积分电路U0=-+u0(t1)
当输入为方波时，利用积分电路，可以输出三角波。

15V
Vi _
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。
+

_
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(V P)T和下降电压(V N)之差定义为滞后电压(△V T)。）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。
CS 10MHZ

0.047UF f0
G3
G1
G2

C 74LS04
Rf Rf

500 500

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1KHzz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

在图5所示电路中，双JK触发器74LS107中的F1触发器用来计数门控脉冲，当Q1为高电平时被测量的脉冲就通过闸门G送入计数器。若F1的时钟CP选用周期为1s的时基信号，Q1输出门控信号的高电平宽度为1s，这时计数器记录的即是1s内的输入脉冲个数，即输入信号的频率。F2是闭锁触发器，它保证在F1形成一次门控信号后，需要间隔显示和清零两段时间后，才能再形成下一次门控信号。电路中三个单稳态触发器IC1、IC2、IC3分别决定了显示、清零及等待三阶段的时间。其中显示单稳IC1暂稳态时间的长短一般由观察者选定，本设计选在1s左右。清零单稳IC2的输出脉冲较窄，一般选择0.1s左右，供多位十进制计数器清零之用。等待单稳IC3的输出脉冲更窄，选择0.05s，它的作用是解除F2的闭锁作用，以便使F1形成新的门控信号。时基信号、门控信号及显示、清零、等待信号的时序关系图如图6所示。

3.6计数、译码、显示电路
频率计的计数、译码、显示电路如图7所示。根据设计指标要求最大输入信号频率为1MHz，最大量程扩展×10，选用6位LED数码管。计数器采用74LS192组成6位十进制计数器，BCD码显示译码器选用CD4511。CD4511译码器用于驱动共阴极LED数码管，它是将锁存、译码、驱动三种功能集于一身的电路。锁存器的作用是避免在计数过程中出现跳数现象，便于观察和记录。其中LE端是锁存控制端，LE=0时选通，LE=1时锁存，故用显示单稳态触发器IC1的输出控制显示译码器CD4511的LE端，可实现正常的显示。清零单稳态触发器IC2的输出连到6位十进制计数器的清零端。图中连接在LED数码管公共端对地的电阻是限流电阻。4.结论
完成情况、未完成的原因、心得体会、存在的问题、进一步努力的方向。
完成情况：本设计完成了所要求的设计指标并有所发挥。其中信号源可以输出频率范围为1KHZ~100KHZ；频率计测量范围为1KHZ~1MHZ，测量误差≤1%，具有可调量程、周期测量、十进制数字显示等功能。
心得体会：在这次信号频率测量仪的设计过程中，通过到图书馆和上网查找资料使我们小队成员收获颇多，懂得了很多集成块芯片的功能与应用，同时也锻炼了查找资料的能力。通过上网查找资料，发现了很多对我大有裨益的电子教育教学网站和一些有关电子的论坛，增长了见识。我们觉得做设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识偏向理论，纯理论性的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，在这次设计过程中，我了解了许多元件的功能，并且对于其在电路中的应用有了更多新的认识。这次信号频率测量仪的设计还让我知道了做一项工程的步骤，即确定项目、查资料、选方案、设计电路、撰写设计报告、答辩，理论联系实际，培养和提高创新能力，为后续课程的学习，毕业设计、毕业后的工作打下坚实的基础。
存在的问题：由于时间有限，信号源部分参数未计算，只设计出了基本原理。可改进的地方很多。例如，正弦波发生电路中，为了使振荡幅度稳定，可以在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。即在电阻R4两端并联两个二极管D1、D2（互相反接）。当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R3、RW及R4决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。频率测量仪部分，还可以增加其他有益附加功能，如增加部分电路，使其可以测量转速等物理量。
改进的方向：可以在提高信号源输出频率范围上、信号频率测量仪测量误差、提高信号频率仪的使用寿命以及信号频率仪在使用过程中减少发热量，提高电能利用率，有利于节能减排等。

参考文献
1． 康光华等编.《电子技术基础 模拟部分（第五版）》.北京：高等教育出版社2006
2． 胡烨等编著.《Protel 99SE电路设计与仿真教程》.北京.机械工业出版社2005.4
3． 蒋焕文.《电子测量技术》第三版.中国质检出版(3)方昌林 徐刚.电子测量仪器[M].北京：化学工业出版社，2006
4. 林占江 《电子测量技术》（第二版）北京：电子工业出版社

电子测量原理

信号频率测量仪设计

班级：电子信息工程1班
学号：20114075135
姓名：高雪
日期：2014.4.13