2022-2023学年高二物理竞赛课件：电路的频率测量的工作原理

电路的频率测量的工作原理 第11章 数字系统设计实例 电路的频率测量的工作原理 数字频率计是用于测量信号频率的电路。测量信号的频率参数是最常用的测量方法之一。实现频率测量的方法比较多， 在此我们主要介绍三种常用的方法： 时间门限测量法、标准频率比较测量法、等精度测量法。 1) 时间门限测量法 在一定的时间门限T内，如果测得输入信号的脉冲数为N， 设待测信号的频率为fx，则该信号的频率为 第11章 数字系统设计实例 分的设置有两个过程：计数开始前为人工预置定时时间的分，此时S1=0，A13导通，A14断开，人工预置的时间分钟通过A13数据总线驱动器的D6~D0送入A9、 A10计数器的数据端。 计数开始时，S1=1, A13断开，人工预置的分钟数据就不能通过A13送入A9、A10分计数器的数据端。在减计数的过程中， 如果小时计数器A7、A8不为0，每当A7、 A8减 1 计数，分计数器就要从 59 减到 0。由于A14的使能端接A9的借位端， 当A9、 A10分计数器减到 0 时， A14导通使A9、 A10自动设置到 59。 第11章 数字系统设计实例 · 计数、 显示、 分频。 计数器是整个定时系统的主要部分。 由 6 块十进制加减计数器 74LS168构成减法计数器。 小时计数器的模值为 24，分和秒计数器的模值都是 60。计数器的输出通过数码管驱动译码器 A1~A6去驱动共阴极数码管显示时间，显示的时间值为时、 分、 秒。 计数器的计数时钟频率为 1 Hz， 由晶体振荡器产生的 32 768 Hz时钟， 经过A17、A18 两片计数器 215分频得到。 第11章 数字系统设计实例 · 定时启动和定时控制。设置好定时时间的时、分值后，拨动开关S1接地(S1=0)，D触发器(A15)的Q=1, 设置的时间值送入计数器并显示。 S1再拨到UCC时(S1=1)，减计数定时开始。 当时间值减到全 0 时，A15的CLK端产生上升沿，使Q=0，显示器全灭，发光二极管V1亮。该电路的定时结束指示电路也可以根据需要改成不同形式的控制方式，如控制继电器的通断、定时发声报警、定时产生启动信号等等。 该电路也可改成加法计数定时系统， 读者可根据要求设计出相应的定时电路。 第11章 数字系统设计实例 改变时间T，则可改变测量频率范围。例如，当T=1s, 则fx=N(Hz)；T=1ms，则fx=N(kHz)。此方法的原理框图如图 11-5 所示，时序波形图如图 11-6 所示。 图 11-5 测频原理框图 第11章 数字系统设计实例 图 11-6 测频时序波形图 第11章 数字系统设计实例 2) 标准频率比较测量法 用两组计数器在相同的时间门限内同时计数，测得待测信号的脉冲个数为N1、已知的标准频率信号的脉冲个数为N2，设待测信号的频率为fx, 已知的标准频率信号的频率为f0；由于测量时间相同，则可得到如下等式： 从上式可得出待测信号的频率公式为 第11章 数字系统设计实例 标准频率比较测量法对测量时产生的时间门限的精度要求不高，对标准频率信号的频率准确度和频率的稳定度要求较高，标准信号的频率越高，测量的精度就比较高。该方法的测量时间误差与时间门限测量法的相同，可能的最大误差为正负一个待测信号周期，即Δt=±1/fx。测量时可能产生的误差时序波形如图 11-7 所示。 第11章 数字系统设计实例 图 11-7 一般测量时可能产生的误差时序波形图 第11章 数字系统设计实例 3) 等精度测量法 等精度测量法的机理是在标准频率比较测量法的基础上改变计数器的计数开始和结束与闸门门限的上升沿和下降沿的严格关系。当闸门门限的上升沿到来时，如果待测量信号的上升沿未到时两组计数器也不计数，只有在待测量信号的上升沿到来时，两组计数器才开始计数；当闸门门限的下降沿到来时，如果待测量信号的一个周期未结束时两组计数器也不停止计数，只有在待测量信号的一个周期结束时两组计数器才停止计数。这样就克服了待测量信号的脉冲周期不完整的问题，其误差只由标准频率信号产生， 与待测量信号的频率无关。最大误差为正负一个标准频率周期，即Δt=±1/f0。由于一般标准信号频率都在几十兆赫兹以上，因此误差小于 10-6。 第11章 数字系统设计实例 图 11-8 等精度测量法的时序波形图 第11章 数字系统设计实例 $$