關(guān)于調(diào)頻信號(hào)測(cè)試的數(shù)字頻率計(jì)的單元電路設(shè)計(jì)

張子硯

（貴陽(yáng)學(xué)院電子信息與通信學(xué)院 550005）

1 數(shù)字頻率計(jì)及其相關(guān)理論

數(shù)字頻率計(jì)采用數(shù)字電路制作成以十進(jìn)制碼來(lái)現(xiàn)實(shí)被測(cè)信號(hào)頻率，對(duì)于周期性變化的信號(hào)頻率能夠?qū)崿F(xiàn)有效的測(cè)量的一種儀器。它是教學(xué)、科研等工作中的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，在模擬電路和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中有著重要的作用，其能夠直接讀出信號(hào)源所產(chǎn)生的不同頻率范圍的信號(hào)將會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生很大的影響。頻率計(jì)主要用在正弦波、矩形波等周期性信號(hào)頻率值的測(cè)量等，它的拓展功能能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)周期及其脈沖寬度的測(cè)量，引起對(duì)信號(hào)源的接受敏捷度使得其稱為試驗(yàn)箱中的重要組成部分。

信號(hào)頻率測(cè)量方法按照工作原理可以分為無(wú)源測(cè)量、比較測(cè)量、示波測(cè)量及技術(shù)等測(cè)量方法。其中最常見(jiàn)的測(cè)量方法是電子計(jì)數(shù)器，在該種技術(shù)下，頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)脈沖數(shù)的直接計(jì)數(shù)，并將其頻率值以數(shù)字的形式顯示。實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同頻率、精確度的測(cè)頻需求，保障了測(cè)量結(jié)果的精確度和速度。

2 調(diào)頻信號(hào)測(cè)試的數(shù)字頻率計(jì)的單元電路設(shè)計(jì)

由于實(shí)驗(yàn)需求的不同及數(shù)字頻率計(jì)的成本較高等，使得在試驗(yàn)中對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和改良成為一種必然。在試驗(yàn)中所使用的信號(hào)的頻率不同對(duì)頻率計(jì)的要求也會(huì)有所不同，為實(shí)現(xiàn)其精確度在我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)便要充分考慮試驗(yàn)中的信號(hào)頻率計(jì)的計(jì)量范圍，及信號(hào)傳播過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題，盡可能的提高頻率計(jì)的精確度和運(yùn)作速度。在數(shù)字頻率計(jì)的單元電路設(shè)計(jì)中主要包括整形電路、計(jì)數(shù)電路、顯示電路等當(dāng)面的設(shè)計(jì)，上述電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)精確完美時(shí)能夠更好的保證頻率計(jì)的正常使用。

1.整形電路的設(shè)計(jì)。整形電路就像把模擬的信號(hào)轉(zhuǎn)換成為二值信號(hào)，也就是使其成為只有高電平和低電平的離散信號(hào)。在電路設(shè)計(jì)時(shí)我們可以將電壓比較器用作模擬電路及數(shù)字電路的接口電路，通過(guò)其把非矩形信號(hào)轉(zhuǎn)換成矩形信號(hào)。在選擇比較器時(shí)，我們要充分考慮影響信號(hào)接收和轉(zhuǎn)換功能的各種因素。

首先，是信號(hào)傳播可能存在的延遲及時(shí)時(shí)間。信號(hào)傳播的延遲時(shí)間是比較器選擇時(shí)所要考慮的重要參數(shù)，這種時(shí)間的延遲有當(dāng)信號(hào)通過(guò)元器件時(shí)所產(chǎn)生的傳輸時(shí)間上的延遲和信號(hào)上升及下降的時(shí)間延遲，只有將延遲的時(shí)間降低到最小才能有效的縮短信號(hào)處理的時(shí)間。

其次，要充分考慮電源電壓對(duì)比較器的影響。就傳統(tǒng)而言，比較器一般需要正負(fù)15伏的雙電源來(lái)進(jìn)行供電或者需要達(dá)到36伏的單電源進(jìn)行供電，這種傳統(tǒng)的比較器在一些工業(yè)控制中仍有使用的空間和發(fā)展前途但以不適應(yīng)發(fā)展的主流?，F(xiàn)在多數(shù)的比較器需要在限定的電壓條件下進(jìn)行工作，即在電池電壓所能夠運(yùn)行的單電源單位內(nèi)進(jìn)行工作，因此對(duì)其提出了低電流和小封裝等當(dāng)面的要求，并且在實(shí)際的應(yīng)用中比較器還應(yīng)該具備一定的關(guān)斷的功能。當(dāng)具備上述條件是，比較器才能夠在試驗(yàn)箱中得到有效的利用，保證頻率計(jì)在不同電源電壓條件下的正常工作。

再次，充分考慮功耗對(duì)比機(jī)器的影響。功耗的大小直接影響比較器使用壽命和工作效果，功耗越低時(shí)其比較器的耗損相對(duì)較低，使用使用壽命得到延長(zhǎng)，然而功耗由于器件的運(yùn)作速度相關(guān)，功耗降低的同時(shí)可能帶來(lái)運(yùn)作速度的降低，因此，在比較器選擇時(shí)，充分考慮功耗與元器件壽命及其運(yùn)作速度的關(guān)系，尋得一種最優(yōu)組合。

最后，不可忽視門限電壓對(duì)比較器的影響。外圍器件的設(shè)置可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)門限電大的測(cè)量，門限電壓的大小與電路抗干擾能力呈現(xiàn)一種正比例的關(guān)系但與其敏感度成反比例關(guān)系。當(dāng)我們通過(guò)對(duì)門限電壓的測(cè)量并通過(guò)一定的公式計(jì)算，根據(jù)實(shí)際工作的需要來(lái)確定門限電壓的具體值。

當(dāng)我們充分考慮上述影響因素時(shí)，便會(huì)有針對(duì)性的選擇相應(yīng)的新品用于單元電路的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)在電路中的順利傳輸，避免芯片燒壞等現(xiàn)象的發(fā)生。

2.計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的整形后我們便要關(guān)注一些低頻信號(hào)由于其上升速度等原因可能產(chǎn)生的計(jì)數(shù)影響，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)完善計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)。低頻信號(hào)上升緩慢或者高頻信號(hào)疊加于其中時(shí)會(huì)使得計(jì)數(shù)電路將該種抖動(dòng)作為輸入脈沖予以計(jì)數(shù)，從而產(chǎn)生計(jì)數(shù)上的誤差。避免該種現(xiàn)象的發(fā)生，我們可以通過(guò)低通濾波器的使用來(lái)處理低頻信號(hào)傳輸中可能產(chǎn)生的抖動(dòng)，并經(jīng)過(guò)濾波器濾除疊加的高頻信號(hào)。而反相器的使用可以實(shí)現(xiàn)在濾波前把高頻信號(hào)和低頻信號(hào)予以分開(kāi)，即僅使低頻信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器實(shí)現(xiàn)濾波得到比較規(guī)則的矩形信號(hào)而高頻信號(hào)則不經(jīng)過(guò)該過(guò)程。經(jīng)濾波后的矩形信號(hào)輸入到單片機(jī)中，在單片機(jī)選擇時(shí)，低電壓、高性能是我們考慮的重要方面，同時(shí)還要選擇體積較小功能相對(duì)較強(qiáng)的單片器，實(shí)現(xiàn)迅速有效的技術(shù)。單片機(jī)計(jì)數(shù)器的精確度和終端結(jié)構(gòu)的類型都會(huì)影響計(jì)數(shù)結(jié)果，通過(guò)精密比較器的植入和振蕩器電路的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)的精度和存儲(chǔ)等方面的要求。在單片機(jī)選擇時(shí)還應(yīng)該考慮技術(shù)進(jìn)步革新對(duì)于存儲(chǔ)器程序的選擇和更新的可能，并且考慮單片機(jī)大小對(duì)于整個(gè)電路系統(tǒng)的影響，保證程序?qū)懭氲谋憷浴?/p>

此外，對(duì)于計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)還要考慮信號(hào)頻率高低的不同對(duì)計(jì)數(shù)器可能產(chǎn)生的影響，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)不同信號(hào)頻率進(jìn)行分頻處理。經(jīng)過(guò)整形后的信號(hào)進(jìn)入選定規(guī)格的反相器后，對(duì)不同頻級(jí)的信號(hào)進(jìn)行分級(jí)處理，單片機(jī)頻率自動(dòng)分辨處理能力的選擇能夠有效的降低一些頻級(jí)信號(hào)的分辨和處理，保證計(jì)數(shù)器工作的效率和速度。同時(shí)計(jì)數(shù)器的顯示值的大小根據(jù)信號(hào)的頻值進(jìn)行實(shí)現(xiàn)隨機(jī)變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不分頻信號(hào)、高頻機(jī)低頻信號(hào)的有效計(jì)數(shù)。

3.顯示電路的設(shè)計(jì)。顯示電路是數(shù)字頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)將整形電路及計(jì)數(shù)電路處理的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。在該電路設(shè)計(jì)時(shí)我們要考慮的因素便是顯示材料的選擇及數(shù)據(jù)顯示的方式。LED數(shù)碼管的類型會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生一定的影響，而該種材質(zhì)的數(shù)據(jù)顯示方式又分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種。就兩種現(xiàn)實(shí)方式的優(yōu)缺點(diǎn)而言，靜態(tài)現(xiàn)實(shí)具備較高的亮度，為我們及時(shí)準(zhǔn)確的讀取數(shù)值提供了視覺(jué)便利，且其接口編程相對(duì)容易，但是該種顯示方式會(huì)占用較多的口線，顯示的位數(shù)直接關(guān)系到鎖存器的數(shù)量，這直接帶來(lái)所用器件數(shù)量繁多和連線的龐雜；而動(dòng)態(tài)顯示相交而言能夠避免上述一些缺點(diǎn)。在動(dòng)態(tài)顯示使用時(shí)，先確定未選實(shí)現(xiàn)選定未選的段碼的顯示，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)再實(shí)現(xiàn)對(duì)下一選定為送段碼顯示，并依此循環(huán)。

其具體的工作流程可以解釋為，單片機(jī)中不同的構(gòu)建作為譯碼器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入，由譯碼器的輸出來(lái)確定數(shù)碼管的選擇位。將每個(gè)數(shù)碼管的公共端與一個(gè)接有高電平的PNP三極管的集電極相連，同時(shí)將三極管的基極和譯碼器的輸出端相連接，這樣可以通過(guò)對(duì)軟件編程來(lái)設(shè)置單片機(jī)中的不用位置構(gòu)建，從而設(shè)計(jì)譯碼器的輸入端，其輸出端設(shè)為低電平且只設(shè)一位，從而使與其連接的三界關(guān)處于一種飽和的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。實(shí)現(xiàn)顯示器電路中各元件的有機(jī)連接后，還要注重送段碼的相關(guān)問(wèn)題，使得相應(yīng)位數(shù)的送段碼可以通過(guò)一定串行口在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示。

除上述電路設(shè)計(jì)外，電子頻率計(jì)的設(shè)計(jì)還要注重電源、濾波等電路的設(shè)計(jì)，只有將各種影響其工作的單元電路的設(shè)計(jì)不斷的精細(xì)化和完善時(shí)，才能有效的保證其工作的效率和在實(shí)驗(yàn)和工業(yè)中的使用效果。

[1]陳利新.關(guān)于調(diào)頻信號(hào)測(cè)試的數(shù)字頻率計(jì)的單元電路設(shè)計(jì)[J].電子世界,2012(22)

[2]范燕.基于EDA技術(shù)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)方法[J].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2012(03)

[3]杜小山,李宗奎,訾艷陽(yáng).二階循環(huán)相關(guān)解調(diào)法對(duì)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)研究[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷,2008(28)

[4]梁志國(guó),孫璟宇.調(diào)頻信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),2005(19)

[5]楊廣輝,楊瑞民,劉鵬.基于虛擬儀器技術(shù)的模擬調(diào)頻信號(hào)分析[J].電子測(cè)試,2009(02)