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高精度频率计

高精度频率计设计原理

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发表时间:2020-06-28 17:57作者:同步天下来源:原创

频率计能快速精准的捕捉到被测信号频率的变化,因此广泛的应用在计量检测校准部门及科研院所等单位。本文将对高精度频率计设计的原理进行简单介绍。

1、频率计工作原理

数字频率计的基本电路由输入通道、时基产生与变化单元、主门、控制单元、计数及显示单元组成。高精度通用计数器对闸门时间内累计被测输入信号的振荡次数或在待测时间间隔捏累计标准时间信号的个数,进行频率、周期和时间间隔的测量。


在一个测量周期过程中,被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲,送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间,特定周期的窄脉冲才能通过主门,从而进入计数器进行计数,计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值,内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。

设在时间T内计数器累计的脉冲数为N,则频率为:fx=N/T

通常我们将T选为1毫秒,10毫秒,0.1秒,1秒,10秒等。

2、高精度频率计输入电路设计

输入电路是对输入信号进行放大或衰减,变成合适的电压范围,同时对输入信号进行隔离、比较、整形、处理成脉冲信号,再通过闸门电路,由基准脉冲选出计数脉冲进入计数器。

输入电路首先要隔离直流,然后对信号进行限幅和放大处理。放大电路可采用运算放大器构成。由于输出脉冲要求的幅度较大,要求能够驱动门电路,对运算放大器要求速度较高。

可采用高速COMS反相器74HC04构成放大电路的输入电路。该集成电路的平均传输延迟时间时间约9ns。采用三级串接,形成足够的放大倍数,放大电路的输出幅度发。输入端通过电容C隔离直流。二级管对输入信号进行限幅,使输入信号的电压范围变宽,满足设计要求。二级管最好选用结电容较小、开关速度较高的高频二极管,以免对高频信号造成损失。后两级形成施蜜特触发器对信号进行整形,同时也有一定的放大作用。调节RW可改变施蜜特触发器的阀值电压。

3、高精度频率计闸门电路

闸门电路用来控制计数时间,由一个与非门构成。与非门的一端由时基电路提供的秒脉冲输入,另一端由待测信号整形后输入。电路的工作原理为:时基电路提供的秒脉冲作为门控信号,当门控信号为高电平时,闸门开通,整形后的脉冲信号经过闸门进入分频电路;当门控信号为低电平时,闸门关闭,禁止脉冲信号通过。

闸门电路主要产生闸门脉冲,它的脉冲宽度控制每一次的测量时间如1s,0.1s等,由时基电路提供。

4、频率计数器时基电路

时基电路是用来产生一个标准的时间信号,这个标准的时间信号是控制计数器的计数标准时间,其精度在很大程度上决定了频率计的测量精度。例如:时基电路提供标准时间信号 T,其高电平持续时间为1s。当 1s 信号到来时,闸门打开,被测脉冲信号通过闸门时计数器启动计数,1s信号结束时闸门关闭,计数器结束计数,同时保持原有的状态不变。如果在闸门时间 1s 内计数器记录得的脉冲个数为 N,则被测信号频率 =NHz。逻辑控制电路的作用有二方面:

(1)产生锁存脉冲,使显示器上的数字稳定显示;

(2)产生清零脉冲,使计数器每次的测量从 0 开始计数。

5、信号放大、波形整形电路

为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率,必须对被测信号进行放大与整形处理,使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。信号放大可以采用一般的运算放大电路。

6、控制门

控制门用于控制输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号,一个输入端接被测脉冲。控制门可以用与门或或门来实现。当采用与门时,秒信号为正时进行计数,当采用或门时,秒信号为负时进行计数。

7、频率计的计数器和锁存器

计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求,如果最高测量频率为9999HZ,应采用4位十进制计数器。可以选用现成的10进制集成计数器。

锁存器的作用是通过触发脉冲控制,将测得的数据寄存起来,送显示译码器。锁存器是在确定的时间(1S)内计数器的计数结果(被测信号频率)必须经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器可以采用一般的8位并行输入寄存器,为使数据稳定,最好采用边沿触发方式的器件。

8、整机电路调试

控制电路主要产生闸门信号、计数器清零信号、锁存器的锁存信号等控制信号,主要由闸门电路、延时电路、整形电路组成。

整机电路调试,用导线接通所有的电路模块,再用万用表检测各模块之间是否连通,检测好后,从函数信号发生器上产生一个电压为2V频率为100Hz信号,连接到电路的输入端,给电路上电,观察是否正确显示频率的大小。再次在函数信号发生器上产生一个电压为2V频率为90Hz的信号。连接到电路,我们发现显示电路的百位七段数码显示0,十位七段数码显示9,说明显示成功。最后断开电源,整理好试验箱和导线,调试完成。

9、SYN5636型高精度频率计工作原理

SYN5636型高精度通用计数器是一款按照检定规程设计研发和生产的一款性价比很高的国产高精度频率测量仪器同时也可以测时间间间隔等功能。其工作原理是以适当的逻辑电路在特定的标准时间内累计待测输入信号的振荡次数,或者在待测时间间隔内累计标准时间信号的个数,进行频率周期和时间间隔的测量。

通常情况如果对频率值准确度要求比较高,建议需要将闸门时间加长,以此提高频率值的准确性。但是对应的每测一次频率的间隔就越长。相反闸门时间给的越短,在测量时频率值刷新的就越快,精度自然会受到影响。

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文章分类: 时频百科频率计
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