1电子设计2011.ppt

数字&系统设计部分,第二讲信号数字化测量,杭州电子科技大学电子信息学院系统集成技术研究所,频率测量,频率计设计,一个简单的问题：,频率？,一个方波：,如何测量一个TTL信号周期信号的频率,假定有一个0或5V的TTL信号需要测得其频率，我们将如何用电路来自动测量根据频率的定义（每秒波形的脉冲个数）直接可以用下列方法测得频率方法一：在一个高电平时间为1s的门控信号控制下，用计数器计脉冲个数,方法一,对脉冲计数使用计数器，每隔1s重新计数或者fn/T,使用单片机系统,中小规模数字逻辑芯片,74系列7400、7404TTL双极型淘汰74LS系列74LS04、74LS74低功耗肖特基74HC系列CMOS工艺TTL兼容74LVCLVTTL74ALS4000/4500系列CD4069、CD401154系列军工级中小规模逻辑器件,器件等级（按工作温度）,商业级（民用级）070工业级-40+85军工级（航空、航天级）-55+125汽车级工作温度范围大于工业级，小于军用级,用74HCxx构成计数电路,计数值得到了，怎么计算？显示？,需要一个运算单元需要一个显示器需要一个显示驱动逻辑,计算控制单元MCU微控制器就是一个CPU存储器外设I/O单片解决，俗称：单片机显示单元LED数码管（由LED构成）LCD（液晶显示器）,针对具体要求设计,被测信号fx，是TTL数字信号，频率范围0.1Hz1MHz，要求设计一个数字频率计，测量范围0.1Hz1MHz，误差0.1%分析：对于方法一，T=10s，测频误差（一个脉冲）：1MHz时，误差0.00000011kHz时，误差0.00010.1Hz时，误差1,即100%（低频段误差太大）,方法二,测量周期Tx，然后计算：Fx1/TxFs是一个标准信号,其中fx2是fx的二分频信号,分析,如果fs10MHz，误差一个fs脉冲1MHz时，误差0.11kHz时，误差0.000010.1Hz时，误差0.00000001高频段误差较大,把两者结合起来,大于1kHz使用方法一小于1kHz使用方法二用单片机作判断,频率测量,等精度频率计,方法三：等精度测频,Fs:标准频率Fx:待测信号Cnt1:计数器Cnt2:计数器DFF:D触发器,fx=(N/M)fs,Tx=MTs/Nfx=(N/M)fs,原理说明,原理波形说明,分析,门控信号的边沿与fx的上升沿严格对准Fs越高，相对误差越小误差几乎与fx无关,相位测量,数字鉴相器,相位测量,电平鉴相异或鉴相XOR边沿鉴相测量对象同频率有相位差数字信号,异或鉴相,T：周期,T:脉宽,异或鉴相的缺点：不能直接测量大于180度的相位,边沿鉴相,可以测量0360度的相位,输入1输入2鉴相输出,数字锁相环器件74HC297,异或鉴相与边沿鉴相,周期测量与脉宽测量,周期、脉宽测量,脉宽测量：用标准频率脉冲计数提高测量精度可以多个脉冲求平均周期测量方法一：2分频测脉宽方法二：测频率，求T=1/f,测量模拟信号的时间参数,信号预处理,对模拟信号进行测频,信号整形：模拟比较器CMOS反相器施密特触发器,模拟比较器,相关性能：速度灵敏度压摆率用普通运放搭建的比较器？,CMOS反相器,CD4069适用范围：低速简单整形单门限,施密特触发器,74HC14迟滞比较器,输入为模拟信号的频率计,怎么提高频率计的性能？,采用高速比较器提高信噪比提高标准信号fs的频率,提高fs带来的影响,分立的74系列芯片的板级连线延迟与干扰74系列的速度不够逻辑更为复杂,怎么解决？,PLD可编程逻辑器件,主要有两类：CPLD复杂可编程逻辑器件FPGA现场可编程门阵列,转速测量,转速传感器,转速测量,机械开关光电器件霍尔元件转速：每分钟转过的圈数转速测量事实上和频率测量是一回事,机械开关测量的等效电路原理,在被测电机转轴上安装机械接触开关从Output端上得到对应转动圈数的脉冲波形,光电器件,红外反射式光耦红外发射接收对管,霍尔元件基于霍尔效应,霍尔效应,所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。,利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为UH=RHIB/dRH=1/nq（金属）式中RH霍尔系数：n单位体积内载流子或自由电子的个数q电子电量；I通过的电流；B垂直于I的磁感应强度；d导体的厚度。,霍尔元件在电机转速测量中使用,霍尔开关元件应用电路示例,V/F转换,一种电压测量方法,用测频率来测量电压,V-F压频转换Voltage-to-Frequenc