一種實(shí)用數(shù)字頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法

高躍東 蔣家強(qiáng)

摘 要：目前測(cè)量頻率的方法主要有計(jì)數(shù)法和周期法兩種[1]，其計(jì)數(shù)工作一般需要使用單片機(jī)來(lái)完成，雖然測(cè)量精度較高，但也會(huì)增加設(shè)計(jì)的工作量。本文介紹一種利用低頻頻壓轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)高頻數(shù)字頻率計(jì)的方法，不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)高達(dá)200kHz脈沖信號(hào)的測(cè)量，而且還能夠大幅度降低設(shè)計(jì)成本。

關(guān)鍵詞：頻率計(jì)；頻壓轉(zhuǎn)換；高頻電源；分頻器

一、原理分析

本文的基本思想是將被測(cè)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，找到頻率與電壓間的線性關(guān)系，最后通過(guò)測(cè)量電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量頻率的目的。在選擇頻率電壓轉(zhuǎn)換芯片（VFC）時(shí)發(fā)現(xiàn)，工作頻率超過(guò)200kHz的頻率電壓轉(zhuǎn)換芯片，如VFC320、AD650等，其內(nèi)部集成的功能多，精度高，但成本也相對(duì)較高。本文選擇成本較低的LM331芯片配合雙D觸發(fā)器來(lái)設(shè)計(jì)，其原理框圖見(jiàn)圖1所示。由于LM331的工作頻率只能達(dá)到100kHz，需要先對(duì)被測(cè)信號(hào)（最高頻率200kHz）進(jìn)行4分頻，即將0～200kHz的被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～50kHz的信號(hào)，再利用VFC芯片轉(zhuǎn)化為0～2V的電壓，最后通過(guò)控制數(shù)字電壓表的小數(shù)點(diǎn)和單位實(shí)現(xiàn)0～200kHz頻率的顯示。實(shí)驗(yàn)中用控制芯片SG3525產(chǎn)生被測(cè)PWM信號(hào)，雙D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的整形和4分頻。

二、電路設(shè)計(jì)

LM331是NS公司生產(chǎn)的單片頻壓轉(zhuǎn)換芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換或電壓頻率轉(zhuǎn)換，為DIP8封裝。它的工作頻率范圍在1～100kHz之間，最大非線性失真小于0.01%，圖2是LM331用作頻壓轉(zhuǎn)換時(shí)的外圍電路，工作原理見(jiàn)圖1。

輸入脈沖信號(hào)經(jīng)R3、Cin組成的微分電路接入比較器的負(fù)極（6腳），正極（7腳）接R1、R2的分壓信號(hào)。在每個(gè)脈沖信號(hào)的下降沿，微分電路使6腳出現(xiàn)一個(gè)負(fù)的窄脈沖，此時(shí)7腳電平高于6腳，芯片內(nèi)部的定時(shí)比較器輸出高電平，內(nèi)部恒流源經(jīng)1腳向CL充電。與此同時(shí)，復(fù)位晶體管導(dǎo)通，接于5腳的Ct迅速對(duì)地放電[2]。

當(dāng)Ct的電壓下降至低位時(shí)，定時(shí)比較器將輸出低電平，恒流源停止向CL充電，等待下一個(gè)時(shí)鐘下降沿的到來(lái)。CL的充電時(shí)間是由Ct和Rt組成的暫穩(wěn)態(tài)電路決定的，輸入信號(hào)的頻率越高，在單位時(shí)間內(nèi)向CL的充電次數(shù)也越多，CL兩端的電壓也就越高，從而實(shí)現(xiàn)了頻率與電壓的轉(zhuǎn)換。

三、元件參數(shù)的計(jì)算方法

本次設(shè)計(jì)的最高頻率為200kHz，經(jīng)4分頻后是50kHz，完成轉(zhuǎn)換后的電壓最大值為2V，即200kHz的頻率對(duì)應(yīng)2V的電壓。如果使用量程是0～199兩位半的數(shù)字電壓表顯示，則可實(shí)現(xiàn)200kHz對(duì)應(yīng)1.99V，100kHz對(duì)應(yīng)1.00V等一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。電路的主要參數(shù)可按以下步驟計(jì)算[3]。

第一步：確定充電時(shí)間Tw。由上述分析可知，Tw必須小于輸入信號(hào)的周期T（20μs），如果預(yù)先將Rt定為2k，則可計(jì)算出Ct的最大值為0.0091μF，設(shè)計(jì)中選擇0.0047μF即可。

第二步：確定恒流源的電流Ir。根據(jù)芯片的技術(shù)資料，其值一般在100～500μA之間，即Rs和Rws的阻值應(yīng)該在3.8k至19k之間，設(shè)計(jì)時(shí)使用一個(gè)5k的電阻和一個(gè)10k的滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，最后將通過(guò)調(diào)節(jié)此阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)200kHz與2V的對(duì)應(yīng)。

第三步：確定輸出電阻RL。將第二步中Rs和Rws的阻值確定在一個(gè)中間值10k，即可計(jì)算出RL的值為14.6k。濾波電容RL的選擇主要影響輸出電壓的紋波，如果其值較大，輸出電壓會(huì)相對(duì)平滑一些，但電壓與頻率的跟蹤也會(huì)變得緩慢，設(shè)計(jì)中選擇1μF比較合理。

四、調(diào)試結(jié)果

頻率計(jì)的設(shè)計(jì)思想是將0～200kHz的方波信號(hào)經(jīng)四分頻器轉(zhuǎn)化到0～50kHz，再用LM331將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)顯示。圖3中黃色波形為輸入的PWM信號(hào)，藍(lán)色波形為分頻器輸出信號(hào)，可以看到，信號(hào)頻率變成原來(lái)的四分之一，波形質(zhì)量也較好，增加了抗干擾的能力。

圖3中的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)LM331外接微分電路后，在比較器負(fù)極（6腳）和正極（7腳）得到的信號(hào)如圖4所示，在輸入脈沖下降沿時(shí)7腳的電平高于6腳，從而觸發(fā)內(nèi)部電流源向外接電容充電。通過(guò)調(diào)整充電電流的大?。?腳的滑動(dòng)變阻器），使輸入脈沖頻率為50kHz時(shí)對(duì)應(yīng)輸出電壓為2V，如圖5所示。

改變輸入信號(hào)的頻率，記錄部分頻率點(diǎn)與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，可以看到，基本實(shí)現(xiàn)了頻率與電壓的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

五、結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐表明，利用頻壓轉(zhuǎn)換芯片配合雙D觸發(fā)器設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)有三個(gè)好處。

（1）節(jié)約成本。使用VFC320、AD650等工作頻率較高的VFC芯片，其單支芯片的價(jià)格在數(shù)十元，而使用LM331芯片和雙D觸發(fā)器設(shè)計(jì)成本僅需幾元。

（2）增加了抗干擾的能力。通過(guò)雙D觸發(fā)器后的4分頻信號(hào)占空比為50%，信號(hào)質(zhì)量較好，可以克服在調(diào)節(jié)PWM信號(hào)占空比時(shí)造成對(duì)頻壓轉(zhuǎn)換的影響。

（3）可擴(kuò)展性強(qiáng)。如果要設(shè)計(jì)頻率超過(guò)200kHz的頻率計(jì)，可通過(guò)8分頻或16分頻來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于精度要求不是很高的數(shù)字頻率計(jì)來(lái)說(shuō)，此種設(shè)計(jì)方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 尹海峰，尹海潮，孫樹強(qiáng).頻率的測(cè)量在單片機(jī)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用[J].科技信息，2008（7）：37-38.

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