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数字系统设计部分 第二讲 信号数字化测量 频率测量 频率计设计 一个简单的问题： 如何测量一个TTL信号周期信号的频率 假定有一个0或5V的TTL信号需要测得其频率，我们将如何用电路来自动测量 根据频率的定义（每秒波形的脉冲个数）直接可以用下列方法测得频率 方法一：在一个高电平时间为1s的门控信号控制下，用计数器计脉冲个数 方法一 对脉冲计数 使用计数器，每隔1s重新计数 或者 f＝n/T 使用单片机系统 中小规模数字逻辑芯片 74系列 7400、7404 TTL双极型 淘汰 74LS系列 74LS04、74LS74 低功耗肖特基 74HC系列 CMOS工艺 TTL兼容 74LVC LVTTL 74ALS…… 4000/4500系列 CD4069、CD4011…… 54系列 军工级 中小规模逻辑器件 器件等级（按工作温度） 商业级（民用级） 0～70℃ 工业级 -40～+85℃ 军工级（航空、航天级） -55～+125℃ 汽车级 工作温度范围大于工业级，小于军用级 用74HCxx构成计数电路 计数值得到了，怎么计算？显示？ 需要一个运算单元 需要一个显示器 需要一个显示驱动逻辑 计算控制单元 MCU 微控制器 就是一个CPU＋存储器＋外设＋I/O 单片解决，俗称：单片机 显示单元 LED 数码管（由LED构成） LCD（液晶显示器） 针对具体要求设计 被测信号fx，是TTL数字信号，频率范围 0.1Hz～1MHz，要求设计一个数字频率计，测量范围0.1Hz～1MHz，误差≤0.1% 分析： 对于方法一，T=10s，测频误差（一个脉冲）： 1MHz时，误差0.0000001 1kHz时，误差0.0001 0.1Hz时，误差1,即100%（低频段误差太大） 方法二 测量周期Tx，然后计算： Fx＝1/Tx Fs是一个标准信号 分析 如果fs＝10MHz，误差一个fs脉冲 1MHz时，误差0. 1 1kHz时，误差0.00001 0.1Hz时，误差0 高频段误差较大 把两者结合起来 频率测量 等精度频率计 方法三：等精度测频 原理说明 原理波形说明 分析 门控信号的边沿与fx的上升沿严格对准 Fs越高，相对误差越小 误差几乎与fx无关 相位测量 数字鉴相器 相位测量 电平鉴相 异或鉴相 XOR 边沿鉴相 测量对象 同频率 有相位差 数字信号 异或鉴相 边沿鉴相 数字锁相环器件——74HC297 异或鉴相与边沿鉴相 周期测量与脉宽测量 周期、脉宽测量 脉宽测量： 用标准频率脉冲计数 提高测量精度可以 多个脉冲求平均 周期测量 方法一：2分频测脉宽 方法二：测频率，求T=1/f 测量模拟信号的时间参数 信号预处理 对模拟信号进行测频 模拟比较器 相关性能： 速度 灵敏度 压摆率 用普通运放搭建的比较器？ CMOS反相器 CD4069 适用范围： 低速 简单整形 单门限 施密特触发器 74HC14 迟滞比较器 输入为模拟信号的频率计 怎么提高频率计的性能？ 采用高速比较器 提高信噪比 提高标准信号fs的频率 提高fs带来的影响 分立的74系列芯片的板级连线延迟与干扰 74系列的速度不够 逻辑更为复杂 PLD可编程逻辑器件 主要有两类： CPLD复杂可编程逻辑器件 FPGA现场可编程门阵列 转速测量 转速传感器 转速测量 机械开关 光电器件 霍尔元件 转速：每分钟转过的圈数 转速测量事实上和频率测量是一回事 机械开关测量的等效电路原理 光电器件 红外反射式光耦 红外发射接收对管 霍尔元件—基于霍尔效应 霍尔效应 利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为 　　UH=RHIB/d 　　RH=1/nq（金属） 　　式中 RH——霍尔系数： 　　n——单位体积内载流子或自由电子的个数 　　q——电子电量； 　　I——通过的电流； 　　B——垂直于I的磁感应强度； 　　d——导体的厚度。 霍尔元件在电机转速测量中使用 霍尔开关元件应用电路示例 V/F转换 一种电压测量方法 用测频率来测量电压 V-F 压频转换 Voltage-to-Frequency Converter 举例：AD654 VCO：压控振荡器 AD654的内部结构 电子网站参考 ForumBBS: 网上论坛 设计的好帮手 联系方式： 黄继业 Mobile:E-Mail: hjynet@163.com 校内ftp： /software/edasoft/ 个人课程网站: / 信号整形： 模拟比较器 CMOS反相器 施密特触发器 怎么解决？ 在被测电机转轴上安装机械接触开关 从Output端上得到对应转动圈数的脉冲波形 所谓霍尔