基于調節振蕩頻率的脈沖占空比測量

0 引 言

占空比是脈沖信號的一個(gè)基本參數，不論在脈沖電源設計中，還是在脈沖信號的應用中，都需要知道脈沖的占空比。不同的應用情況對脈沖占空比的要求也不相同，因此準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、單片機計算法、平均值轉換法等。示波器比較法簡(jiǎn)單易行，但不能直接準確快速地給出讀數;單片機計算法雖能直接準確地顯示出數值，但需要軟硬件配合，設計比較麻煩;平均值轉換法電路簡(jiǎn)單，但需要將脈沖信號轉換成平均值電壓再進(jìn)行A/D轉換。而其他的一些測量方法雖能克服上述方法的缺點(diǎn)，但具體測量應用時(shí)卻受到一些限制。于是，本文提出了一種全數字式的調頻計數測量法。

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(guò)電路進(jìn)行除法運算，可使TA=100，測量出脈沖寬度TB，那么脈沖占空比：

據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T(mén)A的方波信號，通過(guò)調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(mén)控電路，顯示器顯示的讀數就是待測脈沖信號的占空比。

2 電

路設計與調試

為了使經(jīng)觸發(fā)器的信號通過(guò)脈沖計數顯示100，振蕩器的頻率必須在較大的范圍內連續可調，于是采用如圖3所示的頻率可調振蕩器，振蕩器由4個(gè)2輸入與非門(mén)74F00環(huán)形構成，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的范圍內連續可調。

為了對計數器進(jìn)行邏輯控制，再用雙JK觸發(fā)器74LS73中的另一個(gè)和門(mén)電路形成的脈沖信號對計數器進(jìn)行控制復零;時(shí)間閘門(mén)采用74S08與門(mén)作計數控制;采用2塊雙十進(jìn)制計數器74LS390進(jìn)行計數，七段譯碼/驅動(dòng)器采用4塊74LS48完成，顯示采用4塊BS201數碼管構成，小數點(diǎn)固定在十位。

測量時(shí)，先將開(kāi)關(guān)S1撥到A，調節電阻R1，同時(shí)配合調節擋位開(kāi)關(guān)S2改變電容C，使數碼管顯示100.0，即進(jìn)行測量前的計數校準。然后，保持R1和S2不動(dòng)，將開(kāi)關(guān)S1撥到B，則此時(shí)數碼管所顯示的數值就是被測脈沖信號占空比的百分數。

3 實(shí)驗與結果分析

根據以上測量原理和設計方案，在電路仿真分析Multisim中完成了具體電路設計，經(jīng)仿真驗證測量電路能夠按照預先設計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。調節頻率可調振蕩器測量數據如表1所示。

測量數據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(guò)2%。當被測頻率較高，占空比較小時(shí)，誤差要較大一點(diǎn)。通過(guò)對電路和測量數據進(jìn)行分析，可以得到測試誤差主要來(lái)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)得到計數脈沖信號是由待測信號與測量用高頻脈沖信號通過(guò)與門(mén)進(jìn)行相與操作得到，有時(shí)會(huì )在計數脈沖序列兩端形成1個(gè)或2個(gè)附加的尖脈沖信號，使計數值稍有增大。

(3) 門(mén)電路的傳輸延時(shí)等所帶來(lái)的測量電路的固有誤差。

4 結束語(yǔ)

這種基于調頻計數法測量脈沖信號占空比，方便直觀(guān)，準確快捷，在50 Hz～10 kHz范圍內有很好的可靠性。如果要提高測量信號的頻率上限，就要采用更高速的門(mén)電路和計數器，同時(shí)采用高頻振蕩器，或通過(guò)倍頻器進(jìn)行倍頻，否則，測量精度就會(huì )降低。