李享
【摘 要】本文主要設(shè)計(jì)一種具有對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)試的數(shù)字頻率計(jì),在數(shù)字頻率計(jì)的單元電路設(shè)計(jì)中主要包括整形電路、計(jì)數(shù)電路、顯示電路等當(dāng)面的設(shè)計(jì),上述電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)精確完美時(shí)能夠更好的保證頻率計(jì)的正常使用。
【關(guān)鍵詞】測(cè)頻;頻率計(jì);電路設(shè)計(jì)
1.相關(guān)理論概述
數(shù)字頻率計(jì)采用數(shù)字電路制作成以十進(jìn)制碼來現(xiàn)實(shí)被測(cè)信號(hào)頻率,對(duì)于周期性變化的信號(hào)頻率能夠?qū)崿F(xiàn)有效的測(cè)量的一種儀器。它是教學(xué)、科研等工作中的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器,在模擬電路和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中有著重要的作用,其能夠直接讀出信號(hào)源所產(chǎn)生的不同頻率范圍的信號(hào)將會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生很大的影響。頻率計(jì)主要用在正弦波、矩形波等周期性信號(hào)頻率值的測(cè)量等,它的拓展功能能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)周期及其脈沖寬度的測(cè)量,引起對(duì)信號(hào)源的接受敏捷度使得其稱為試驗(yàn)箱中的重要組成部分。
信號(hào)頻率測(cè)量方法按照工作原理可以分為無源測(cè)量、比較測(cè)量、示波測(cè)量及技術(shù)等測(cè)量方法。其中最常見的測(cè)量方法是電子計(jì)數(shù)器,在該種技術(shù)下,頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)脈沖數(shù)的直接計(jì)數(shù),并將其頻率值以數(shù)字的形式顯示。實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同頻率、精確度的測(cè)頻需求,保障了測(cè)量結(jié)果的精確度和速度。
2.整形電路的設(shè)計(jì)
整形電路就像把模擬的信號(hào)轉(zhuǎn)換成為二值信號(hào),也就是使其成為只有高電平和低電平的離散信號(hào)。在電路設(shè)計(jì)時(shí)我們可以將電壓比較器用作模擬電路及數(shù)字電路的接口電路,通過其把非矩形信號(hào)轉(zhuǎn)換成矩形信號(hào)。在選擇比較器時(shí),我們要充分考慮影響信號(hào)接收和轉(zhuǎn)換功能的各種因素。下圖為其整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖:
首先,是信號(hào)傳播可能存在的延遲及時(shí)時(shí)間。信號(hào)傳播的延遲時(shí)間是比較器選擇時(shí)所要考慮的重要參數(shù),這種時(shí)間的延遲有當(dāng)信號(hào)通過元器件時(shí)所產(chǎn)生的傳輸時(shí)間上的延遲和信號(hào)上升及下降的時(shí)間延遲,只有將延遲的時(shí)間降低到最小才能有效的縮短信號(hào)處理的時(shí)間。
其次,要充分考慮電源電壓對(duì)比較器的影響。就傳統(tǒng)而言,比較器一般需要正負(fù) 15 伏的雙電源來進(jìn)行供電或者需要達(dá)到36 伏的單電源進(jìn)行供電,這種傳統(tǒng)的比較器在一些工業(yè)控制中仍有使用的空間和發(fā)展前途但以不適應(yīng)發(fā)展的主流?,F(xiàn)在多數(shù)的比較器需要在限定的電壓條件下進(jìn)行工作,即在電池電壓所能夠運(yùn)行的單電源單位內(nèi)進(jìn)行工作,因此對(duì)其提出了低電流和小封裝等當(dāng)面的要求,并且在實(shí)際的應(yīng)用中比較器還應(yīng)該具備一定的關(guān)斷的功能。當(dāng)具備上述條件是,比較器才能夠在試驗(yàn)箱中得到有效的利用,保證頻率計(jì)在不同電源電壓條件下的正常工作。
再次,充分考慮功耗對(duì)比機(jī)器的影響。功耗的大小直接影響比較器使用壽命和工作效果,功耗越低時(shí)其比較器的耗損相對(duì)較低,使用使用壽命得到延長(zhǎng),然而功耗由于器件的運(yùn)作速度相關(guān),功耗降低的同時(shí)可能帶來運(yùn)作速度的降低,因此,在比較器選擇時(shí),充分考慮功耗與元器件壽命及其運(yùn)作速度的關(guān)系,尋得一種最優(yōu)組合。
最后,不可忽視門限電壓對(duì)比較器的影響。外圍器件的設(shè)置可以用來實(shí)現(xiàn)對(duì)門限電大的測(cè)量,門限電壓的大小與電路抗干擾能力呈現(xiàn)一種正比例的關(guān)系但與其敏感度成反比例關(guān)系。當(dāng)我們通過對(duì)門限電壓的測(cè)量并通過一定的公式計(jì)算,根據(jù)實(shí)際工作的需要來確定門限電壓的具體值。
當(dāng)我們充分考慮上述影響因素時(shí),便會(huì)有針對(duì)性的選擇相應(yīng)的新品用于單元電路的設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)在電路中的順利傳輸,避免芯片燒壞等現(xiàn)象的發(fā)生。
3.計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的整形后我們便要關(guān)注一些低頻信號(hào)由于其上升速度等原因可能產(chǎn)生的計(jì)數(shù)影響,因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)來完善計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)。低頻信號(hào)上升緩慢或者高頻信號(hào)疊加于其中時(shí)會(huì)使得計(jì)數(shù)電路將該種抖動(dòng)作為輸入脈沖予以計(jì)數(shù),從而產(chǎn)生計(jì)數(shù)上的誤差。避免該種現(xiàn)象的發(fā)生,我們可以通過低通濾波器的使用來處理低頻信號(hào)傳輸中可能產(chǎn)生的抖動(dòng),并經(jīng)過濾波器濾除疊加的高頻信號(hào)。而反相器的使用可以實(shí)現(xiàn)在濾波前把高頻信號(hào)和低頻信號(hào)予以分開,即僅使低頻信號(hào)經(jīng)過反相器實(shí)現(xiàn)濾波得到比較規(guī)則的矩形信號(hào)而高頻信號(hào)則不經(jīng)過該過程。經(jīng)濾波后的矩形信號(hào)輸入到單片機(jī)中,在單片機(jī)選擇時(shí),低電壓、高性能是我們考慮的重要方面,同時(shí)還要選擇體積較小功能相對(duì)較強(qiáng)的單片器,實(shí)現(xiàn)迅速有效的技術(shù)。單片機(jī)計(jì)數(shù)器的精確度和終端結(jié)構(gòu)的類型都會(huì)影響計(jì)數(shù)結(jié)果,通過精密比較器的植入和振蕩器電路的設(shè)置,實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)的精度和存儲(chǔ)等方面的要求。在單片機(jī)選擇時(shí)還應(yīng)該考慮技術(shù)進(jìn)步革新對(duì)于存儲(chǔ)器程序的選擇和更新的可能,并且考慮單片機(jī)大小對(duì)于整個(gè)電路系統(tǒng)的影響,保證程序?qū)懭氲谋憷?。下圖為其計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)圖:
此外,對(duì)于計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)還要考慮信號(hào)頻率高低的不同對(duì)計(jì)數(shù)器可能產(chǎn)生的影響,實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)不同信號(hào)頻率進(jìn)行分頻處理。經(jīng)過整形后的信號(hào)進(jìn)入選定規(guī)格的反相器后,對(duì)不同頻級(jí)的信號(hào)進(jìn)行分級(jí)處理,單片機(jī)頻率自動(dòng)分辨處理能力的選擇能夠有效的降低一些頻級(jí)信號(hào)的分辨和處理,保證計(jì)數(shù)器工作的效率和速度。同時(shí)計(jì)數(shù)器的顯示值的大小根據(jù)信號(hào)的頻值進(jìn)行實(shí)現(xiàn)隨機(jī)變動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)不分頻信號(hào)、高頻機(jī)低頻信號(hào)的有效計(jì)數(shù)。
4.顯示電路的設(shè)計(jì)
顯示電路是數(shù)字頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)的重要組成部分,它負(fù)責(zé)將整形電路及計(jì)數(shù)電路處理的數(shù)據(jù)顯示出來。在該電路設(shè)計(jì)時(shí)我們要考慮的因素便是顯示材料的選擇及數(shù)據(jù)顯示的方式。LED 數(shù)碼管的類型會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生一定的影響,而該種材質(zhì)的數(shù)據(jù)顯示方式又分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種。就兩種現(xiàn)實(shí)方式的優(yōu)缺點(diǎn)而言,靜態(tài)現(xiàn)實(shí)具備較高的亮度,為我們及時(shí)準(zhǔn)確的讀取數(shù)值提供了視覺便利,且其接口編程相對(duì)容易,但是該種顯示方式會(huì)占用較多的口線,顯示的位數(shù)直接關(guān)系到鎖存器的數(shù)量,這直接帶來所用器件數(shù)量繁多和連線的龐雜 ;而動(dòng)態(tài)顯示相交而言能夠避免上述一些缺點(diǎn)。在動(dòng)態(tài)顯示使用時(shí),先確定未選實(shí)現(xiàn)選定未選的段碼的顯示,經(jīng)過一定的延時(shí)再實(shí)現(xiàn)對(duì)下一選定為送段碼顯示,并依此循環(huán)。下圖為其顯示模塊圖:
其具體的工作流程可以解釋為,單片機(jī)中不同的構(gòu)建作為譯碼器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入,由譯碼器的輸出來確定數(shù)碼管的選擇位。將每個(gè)數(shù)碼管的公共端與一個(gè)接有高電平的 PNP 三極管的集電極相連,同時(shí)將三極管的基極和譯碼器的輸出端相連接,這樣可以通過對(duì)軟件編程來設(shè)置單片機(jī)中的不用位置構(gòu)建,從而設(shè)計(jì)譯碼器的輸入端,其輸出端設(shè)為低電平且只設(shè)一位,從而使與其連接的三界關(guān)處于一種飽和的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。實(shí)現(xiàn)顯示器電路中各元件的有機(jī)連接后,還要注重送段碼的相關(guān)問題,使得相應(yīng)位數(shù)的送段碼可以通過一定串行口在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示。
5.結(jié)束語
除上述電路設(shè)計(jì)外,電子頻率計(jì)的設(shè)計(jì)還要注重電源、濾波等電路的設(shè)計(jì),只有將各種影響其工作的單元電路的設(shè)計(jì)不斷的精細(xì)化和完善時(shí),才能有效的保證其工作的效率和在實(shí)驗(yàn)和工業(yè)中的使用效果。
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