信号数字化测量

第一讲信号数字化测量16-Jun-241电子系统设计与实践频率测量频率计设计16-Jun-242电子系统设计与实践一个简单的问题：频率？一个方波：16-Jun-243电子系统设计与实践如何测量一个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16-Jun-244电子系统设计与实践方法一对脉冲计数使用计数器，每隔1s重新计数或者f＝n/T16-Jun-245电子系统设计与实践使用单片机系统16-Jun-246电子系统设计与实践用74HCxx构成计数电路(Datasheet)16-Jun-247电子系统设计与实践计数值得到了，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16-Jun-248电子系统设计与实践计算控制单元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）16-Jun-249电子系统设计与实践针对具体要求设计被测信号fx，是TTL数字信号，频率范围0.1Hz～1MHz，要求设计一个数字频率计，测量范围误差≤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）16-Jun-2410电子系统设计与实践计数误差测频时,主门的开启时刻与计数脉冲间的时间关系是不相关的,即它们在时间轴上的相对位置是随机的计数器值NT通常不是Tx

的整数倍N=9若T=NTx

,如图T≈8Tx图b:N=9，图c:N=7脉冲计数误差或±1误差。N=716-Jun-2411电子系统设计与实践方法二测量周期Tx，然后计算：Fx＝1/TxFs是一个标准信号其中fx2是fx的二分频信号16-Jun-2412电子系统设计与实践分析如果fs＝10MHz，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16-Jun-2413电子系统设计与实践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16-Jun-2414电子系统设计与实践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74LVCLVTTL74ALS……CD4000/4500系列CD4069、CD4011……54系列军工级中小规模逻辑器件16-Jun-2415电子系统设计与实践器件等级（按工作温度）商业级（民用级）0～70℃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16-Jun-2416电子系统设计与实践频率测量等精度频率计16-Jun-2417电子系统设计与实践方法三：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)×fs16-Jun-2418电子系统设计与实践Tx=M×Ts/Nfx=(N/M)×fs16-Jun-2419电子系统设计与实践原理说明16-Jun-2420电子系统设计与实践原理波形说明16-Jun-2421电子系统设计与实践16-Jun-2422电子系统设计与实践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16-Jun-2423电子系统设计与实践相位测量数字鉴相器16-Jun-2424电子系统设计与实践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16-Jun-2425电子系统设计与实践异或鉴相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16-Jun-2426电子系统设计与实践边沿鉴相可以测量0～360度的相位输入1输入2鉴相输出Verilog程序实现?16-Jun-2427电子系统设计与实践数字锁相环器件—74HC29716-Jun-2428电子系统设计与实践异或鉴相与边沿鉴相16-Jun-2429电子系统设计与实践周期测量与脉宽测量16-Jun-2430电子系统设计与实践周期、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/f16-Jun-2431电子系统设计与实践测量模拟信号的时间参数信号预处理16-Jun-2432电子系统设计与实践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16-Jun-2433电子系统设计与实践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？16-Jun-2434电子系统设计与实践CMOS反相器CD4069适用范围：低速简单整形单门限16-Jun-2435电子系统设计与实践施密特触发器施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阀值电压。16-Jun-2436电子系统设计与实践74HC1416-Jun-2437电子系统设计与实践16-Jun-2438电子系统设计与实践输入为模拟信号的频率计16-Jun-2439电子系统设计与实践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16-Jun-2440电子系统设计与实践提高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？16-Jun-2441电子系统设计与实践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16-Jun-2442电子系统设计与实践16-Jun-2443电子系统设计与实践转速测量转速传感器16-Jun-2444电子系统设计与实践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16-Jun-2445电子系统设计与实践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16-Jun-2446电子系统设计与实践光电器件红外反射式光耦红外发射接收对管16-Jun-2447电子系统设计与实践霍尔元件—基于霍尔效应16-Jun-2448电子系统设计与实践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。16-Jun-2449电子系统设计与实践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/d

RH=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。16-Jun-2450电子系统设计与实践霍尔元件在电机转速测量中使用16-Jun-2451电子系统设计与实践霍尔开关元件应用电路示例16-Jun-2452电子系统设计与实践16-Jun-2453电子系统设计与实践16-Jun-2454电子系统设计与实践V/F转换一种电压测量方法16-Jun-2455电子系统设计与实践用测频率来测量电压V-F压频转换Voltage-to-FrequencyConverter举例