任意波形信号周期测量的研究与实现.pdf

91 ELECTRONICS WORLD探索与观察 任意波形信号周期测量的研究与实现 桂林电子科技大学海洋信息工程学院 陈家栋 覃 琴 宋雪珑 蒙倩颜 【摘要】本文对任意波形信号的周期测量进行了研究，设计了相应的测量电路，并利用Multisim对所设计电路进行了仿真实验。仿真结果表 明，该测量方法及电路可行，测量误差小。 【关键词】周期测量；闸门信号；Multisim仿真 0 引言 在电子工程技术中，经常需要对所研究的信号进行周期或频率测 量，周期和频率互为倒数关系，只需要测出其中一个参数，另一个即可 算出来。通常，为了提高测量精度，当输入信号频率较高时，采用测量 频率的办法；当输入信号频率较低时，采用测量周期的办法1。本文研究 了以单片机技术为核心，对任意波形信号进行周期测量的方法及电路。 1 任意波形信号周期测量的原理 对任意波形信号（如正弦波、方波、三角波等）周期进行测量 的原理框图如图1所示。 图1 周期测量原理框图 原理：被测信号经过放大、整形及双稳电路后，形成正脉宽等于被 测信号周期T的控制信号（常称为闸门信号）。在闸门信号控制下，标准 脉冲信号经过主门（如与门）形成计数脉冲，输送至计数器，得到计数 值N，假设标准信号的周期为Tc，则被测信号周期为：T=N*Tc。 2 测量电路的具体实现 （1）放大整形电路 放大整形电路如图2所示，输入信号的幅度可能比较小，需经过 放大，放大后的信号需要转成单片机能识别的数字信号（0和1），为 了提高电路的抗干扰能力，可以使用迟滞比较器或施密特触发器，文 中使用前者，两个阈值电压分别为： 由于比较器输出有-5V电压，所以利用二极管对负电压进行抑 制，以免损坏数字芯片。 图2 放大整形电路 （2）门控双稳电路 门控双稳电路可由D触发器构成，如图3所示，输出闸门信号 的正脉宽等于被测信号的周期T。 图3 门控双稳电路 （3）标准信号、主门电路和计数器 这三部分电路可由单片机的定时/计数器实现，如图4所示2， 其中，由振荡器经过12分频得到的信号作为标准信号，如果振 荡器的频率为12MHz，则标准信号的频率为1MHz；主门电路由 S1、S2和相应的控制信号构成，使用时，控制位C/T=0，TRx=1， GATE=1，闸门信号输至INTx，使得S1开关选择标准信号，S2的闭 合与否受控于闸门信号；计数器由TLx和THx构成。 图4 单片机的定时/计数器结构 （4）程序流程图 单片机的程序流程图如图5所示，利用定时器T0对标准信号进 行计数器，闸门信号上升沿时开始计数，下降沿时利用外部中断0 停止计数。为了提高测量精度，可进行多次测量取平均值。 图5 程序流程图 （5）测试结果及误差分析 图6为仿真结果图。 图6 仿真结果图 由表1可知，电路可对任意波形的周期进行测量，测量误差较 小，误差来源主要为转换误差和量化误差1。另外，误差的大小与 输入信号的频率有关，频率越大，误差越大，反之越小。 表1 测试结果 输入信号 频率/Hz 正弦波方波三角波 测试 数据 /uS 相对 误差 /% 测试 数据 /uS 相对 误差 /% 测试 数据 /uS 相对 误差 /% 110000110.0011000000010001100.01 10099970.0310000099820.19 2k4990.24990.24980.4 3 结束语 实验结果表明，所设计电路能实现对任意波形信号的周期进行 测量，测量误差较小。 参考文献 1陈尚松,郭庆,黄新.电子测量与仪器(第三版)M.北京:电子工 业出版社,2012,7. 2谢维成等.单片机原理与C51程序设计(第三版)M.北京:清华 大学出版社,2014,7. 作者简介： 陈家栋（1986），男，广西合浦人，硕士，现供职于桂林电 子科技大学，研究方向：测试计量技术与仪器。