基于全數(shù)字式調(diào)頻計(jì)數(shù)測量法實(shí)現(xiàn)對脈沖占空比的測量

引 言

占空比是脈沖信號的一個(gè)基本參數(shù)，不論在脈沖電源設(shè)計(jì)中，還是在脈沖信號的應(yīng)用中，都需要知道脈沖的占空比。不同的應(yīng)用情況對脈沖占空比的要求也不相同，因此準(zhǔn)確快速地測量出脈沖占空比也就非常必要。測量占空比的方法主要有示波器比較法、單片機(jī)計(jì)算法、平均值轉(zhuǎn)換法等。示波器比較法簡單易行，但不能直接準(zhǔn)確快速地給出讀數(shù)；單片機(jī)計(jì)算法雖能直接準(zhǔn)確地顯示出數(shù)值，但需要軟硬件配合，設(shè)計(jì)比較麻煩；平均值轉(zhuǎn)換法電路簡單，但需要將脈沖信號轉(zhuǎn)換成平均值電壓再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。而其他的一些測量方法雖能克服上述方法的缺點(diǎn)，但具體測量應(yīng)用時(shí)卻受到一些限制。于是，本文提出了一種全數(shù)字式的調(diào)頻計(jì)數(shù)測量法。

1、 測量原理

對如圖1所示的脈沖信號uB，其占空比為：

為了避免通過電路進(jìn)行除法運(yùn)算，可使TA=100，測量出脈沖寬度TB，那么脈沖占空比：

據(jù)此提出以下的測量電路，如圖2所示。

先取出一路待測脈沖信號，經(jīng)觸發(fā)器變成寬度為TA的方波信號，通過調(diào)整振蕩器的頻率使顯示器顯示100，然后將待測信號直接輸入到時(shí)間門控電路，顯示器顯示的讀數(shù)就是待測脈沖信號的占空比。

2、 電路設(shè)計(jì)與調(diào)試

為了使經(jīng)觸發(fā)器的信號通過脈沖計(jì)數(shù)顯示100，振蕩器的頻率必須在較大的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，于是采用如圖3所示的頻率可調(diào)振蕩器，振蕩器由4個(gè)2輸入與非門74F00環(huán)形構(gòu)成，如果電阻R1選510 Ω，電容C選220 pF、2 200 pF、0.022μF三組不同的值，則振蕩器的頻率f0可在40 kHz～4 MHz的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

為了對計(jì)數(shù)器進(jìn)行邏輯控制，再用雙JK觸發(fā)器74LS73中的另一個(gè)和門電路形成的脈沖信號對計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制復(fù)零；時(shí)間閘門采用74S08與門作計(jì)數(shù)控制；采用2塊雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS390進(jìn)行計(jì)數(shù)，七段譯碼／驅(qū)動(dòng)器采用4塊74LS48完成，顯示采用4塊BS201數(shù)碼管構(gòu)成，小數(shù)點(diǎn)固定在十位。

測量時(shí)，先將開關(guān)S1撥到A，調(diào)節(jié)電阻R1，同時(shí)配合調(diào)節(jié)擋位開關(guān)S2改變電容C，使數(shù)碼管顯示100.0，即進(jìn)行測量前的計(jì)數(shù)校準(zhǔn)。然后，保持R1和S2不動(dòng)，將開關(guān)S1撥到B，則此時(shí)數(shù)碼管所顯示的數(shù)值就是被測脈沖信號占空比的百分?jǐn)?shù)。

3、 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

根據(jù)以上測量原理和設(shè)計(jì)方案，在電路仿真分析Multisim中完成了具體電路設(shè)計(jì)，經(jīng)仿真驗(yàn)證測量電路能夠按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方案對脈沖信號占空比進(jìn)行測量。由脈沖信號源輸出50 Hz～10 kHz，幅度5 V、脈沖上升時(shí)間和脈沖下降時(shí)間均為1 ns，占空比為20％～70％的典型脈沖信號。調(diào)節(jié)頻率可調(diào)振蕩器測量數(shù)據(jù)如表1所示。

測量數(shù)據(jù)表明測量電路基本能夠得到待測信號正確的占空比值，占空比誤差一般不超過2％。當(dāng)被測頻率較高，占空比較小時(shí)，誤差要較大一點(diǎn)。通過對電路和測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到測試誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：

（1） 給定的待測信號其占空比本身就存在一定誤差。

（2） 仿真時(shí)得到計(jì)數(shù)脈沖信號是由待測信號與測量用高頻脈沖信號通過與門進(jìn)行相與操作得到，有時(shí)會在計(jì)數(shù)脈沖序列兩端形成1個(gè)或2個(gè)附加的尖脈沖信號，使計(jì)數(shù)值稍有增大。

（3） 門電路的傳輸延時(shí)等所帶來的測量電路的固有誤差。

4、 結(jié)束語

這種基于調(diào)頻計(jì)數(shù)法測量脈沖信號占空比，方便直觀，準(zhǔn)確快捷，在50 Hz～10 kHz范圍內(nèi)有很好的可靠性。如果要提高測量信號的頻率上限，就要采用更高速的門電路和計(jì)數(shù)器，同時(shí)采用高頻振蕩器，或通過倍頻器進(jìn)行倍頻，否則，測量精度就會降低。

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