数字频率计的输入电路

3万 · 2007-7-12 01:14

数字频率计的输入电路
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3万 · 2007-7-12 01:17

数字频率计的输入电路
测量频率有多种方法，例如谐振法、用示波器的李沙育图形法等。
数字式频率计一般是用电压比较器将被测信号整形成方波，然后在单位时间内对脉冲计数从而得到频率值，或是以脉冲做门控对已知频率计数得到脉冲周期，间接计算出频率。
频率计的输入信号，最小可以是几十mV，最大可以是几十甚至上百V输入电压在这个范围内都必须能得到正确结果。频率范围则一般从几Hz到几MHz。
几mV的信号对电压比较器显然太小了，所以频率计一般都需要将信号先放大。几十甚至上百V对电压比较器又太大了，应该先加以衰减。先放大还是先衰减，可以手动开关分档控制，也可以由显示测量结果的单片机分档控制。这个控制并不要求很准确，因为电压比较器可以在相当大的输入电压范围内工作。
如果被测信号是很干净的正弦波，整形是很容易的事情。例如下面图1的正弦波，输入为正时比较器输出高电平，输入为负时比较器输出低电平，就成了很规矩的方波。我们测量单位时间内脉冲个数或测量两个箭头所指过零之间的时间，都可以测得频率。

3万 · 2007-7-12 01:18

但被测信号并不总是那么理想，整形之后就会出现各种各样的问题，往往输入信号的波形是千奇百怪。例如图2所示是含有大量五次谐波成份的正弦波，显然不能用上述过零翻转的方法测量频率。

3万 · 2007-7-12 01:20

不过我们可以移动发生翻转的电平，使电压比较器在一个特定的电平翻转，就有可能测出正确的频率值。如果我们移动翻转电平，使得只有最高的那个峰才可以使电压比较器翻转，就能够进行测量。

3万 · 2007-7-12 01:22

如图3，这样的波形如果还是过零翻转，显然会产生图3下面那样的方波，使测量结果是正确值的3倍。

但我们只要将翻转电平升高，如图4中下面一条虚线，就可以得到正确的结果，产生的方波如图中下面的波形。
但改变翻转电平并不能随意改变，翻转电平如果升高得太多，如图4中上面一条虚线，将产生图4中间波形，仍然是不正确的结果。再升高一些翻转电平，将电压比较器根本得不到翻转，也就不能测量出频率。
所以，对不同的被测波形，必须能够改变翻转电平，才可以得到正确的结果。而要确定什么翻转电平合适，没有看到波形之前，并不容易决定。

3万 · 2007-7-12 01:23

改变翻转电平并不总是有效，图5上面这样的波形就很难用改变翻转电平的方法测量出正确的结果，这时可以用施密特触发器。
施密特触发器实际上是加了正反馈的电压比较器。其特点是输出一旦为高电平，输入必须比现在翻转的电平更低才能够使输出变成低电平。同样输出如果是低电平，那就要更高的输入才能够使输出变高。两个产生翻转的输入电平之差称回滞电压。
图5中，当输入信号达到上面一条线所表示的电平时，在箭头所指处发生翻转，施密特比较器输出高电平。一旦输出高电平，输入即使变低输出也不会变低，而要输入变得比下面那条线表示的电平更低输出才变成低电平，如第二个箭头所指处。同样输出翻转成低电平后，即使输入变高，输出也不会变高，要到输入比上面那条线表示的电平更高输出才会翻转成高电平。可见施密特触发器能够极大地抑制输入信号上的干扰。
很显然，对不同的输入信号，施密特触发器的两个翻转电平必须能够改变，才可以得到正确的结果。

3万 · 2007-7-12 01:28

对图6那样的波形，如果需要测量脉冲组的重复频率，施密特触发器也无能为力。这时就需要用滤波的方法。
从图6中我们可以直观地判断：信号频谱中有脉冲组重复频率的基频和高次谐波，还有脉冲频率的基频和高次谐波，而脉冲的频率比脉冲组的频率高得多。利用这一差别，可以用低通滤波器将脉冲频率成份滤掉相当大的一部分，滤掉之后就比较容易测量了。
但这种方法也有很大局限性。低通滤波器的转折频率必须比待测频率高一些而比要滤除的频率低，而待测频率我们可能根本不知道。而且设计制作转折频率可变的低通滤波器相当困难，一般是准备多个不同转折频率的滤波器，测量时根据输入信号换接。

3万 · 2007-7-12 01:29

图7就是图6的信号经二阶低通滤波后的波形。我们看到，脉冲频率成份已经滤掉大部分。现在只要调整比较器的翻转电平如图中水平线所示，就可以测量脉冲组的重复频率。

3万 · 2007-7-12 01:31

总结：
1、    根据输入信号波形，改变比较器的翻转电平。
2、    根据输入信号，改变施密特比较器的触发电平。
3、    根据输入信号，采用低通滤波。
当然，三种方法中两种联合使用或三种一起用，可以取得更好的结果。例如图7中可以加入少量的回滞电压，抗干扰性会更好一些。

最后再说一句：计数方法测量频率，结果与波形关系非常大，最好是先用示波器看看输入信号的波形，再采取对策。