基于調(diào)節(jié)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基本參數(shù)，不論在脈沖電源設(shè)計中，還是在脈沖信號的應(yīng)用中，都需要知道脈沖的占空比。不同的應(yīng)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(zhuǎn)換法等。示波器比較法簡單易行，但不能直接準確快速地給出讀數(shù);單片機計算法雖能直接準確地顯示出數(shù)值，但需要軟硬件配合，設(shè)計比較麻煩;平均值轉(zhuǎn)換法電路簡單，但需要將脈沖信號轉(zhuǎn)換成平均值電壓再進行A/D轉(zhuǎn)換。而其他的一些測量方法雖能克服上述方法的缺點，但具體測量應(yīng)用時卻受到一些限制。于是，本文提出了一種全數(shù)字式的調(diào)頻計數(shù)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：

為了避免通過電路進行除法運算，可使TA=100，測量出脈沖寬度TB，那么脈沖占空比：

據(jù)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TA的方波信號，通過調(diào)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間門控電路，顯示器顯示的讀數(shù)就是待測脈沖信號的占空比。

2 電

路設(shè)計與調(diào)試

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

為了對計數(shù)器進行邏輯控制，再用雙JK觸發(fā)器74LS73中的另一個和門電路形成的脈沖信號對計數(shù)器進行控制復(fù)零;時間閘門采用74S08與門作計數(shù)控制;采用2塊雙十進制計數(shù)器74LS390進行計數(shù)，七段譯碼/驅(qū)動器采用4塊74LS48完成，顯示采用4塊BS201數(shù)碼管構(gòu)成，小數(shù)點固定在十位。

測量時，先將開關(guān)S1撥到A，調(diào)節(jié)電阻R1，同時配合調(diào)節(jié)擋位開關(guān)S2改變電容C，使數(shù)碼管顯示100.0，即進行測量前的計數(shù)校準。然后，保持R1和S2不動，將開關(guān)S1撥到B，則此時數(shù)碼管所顯示的數(shù)值就是被測脈沖信號占空比的百分數(shù)。

3 實驗與結(jié)果分析

根據(jù)以上測量原理和設(shè)計方案，在電路仿真分析Multisim中完成了具體電路設(shè)計，經(jīng)仿真驗證測量電路能夠按照預(yù)先設(shè)計的方案對脈沖信號占空比進行測量。由脈沖信號源輸出50 Hz～10 kHz，幅度5 V、脈沖上升時間和脈沖下降時間均為1 ns，占空比為20%～70%的典型脈沖信號。調(diào)節(jié)頻率可調(diào)振蕩器測量數(shù)據(jù)如表1所示。

測量數(shù)據(jù)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2%。當被測頻率較高，占空比較小時，誤差要較大一點。通過對電路和測量數(shù)據(jù)進行分析，可以得到測試誤差主要來源于以下幾個方面：

(1) 給定的待測信號其占空比本身就存在一定誤差。

(2) 仿真時得到計數(shù)脈沖信號是由待測信號與測量用高頻脈沖信號通過與門進行相與操作得到，有時會在計數(shù)脈沖序列兩端形成1個或2個附加的尖脈沖信號，使計數(shù)值稍有增大。

(3) 門電路的傳輸延時等所帶來的測量電路的固有誤差。

4 結(jié)束語

這種基于調(diào)頻計數(shù)法測量脈沖信號占空比，方便直觀，準確快捷，在50 Hz～10 kHz范圍內(nèi)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電路和計數(shù)器，同時采用高頻振蕩器，或通過倍頻器進行倍頻，否則，測量精度就會降低。