一種頻率測量及頻率跟隨電路的製作方法

2023-07-04 10:28:56

專利名稱：一種頻率測量及頻率跟隨電路的製作方法
技術領域：
一種頻率測量及頻率跟隨電路，屬於電子技術領域，涉及頻率測量技術領域，主要應用 於對60Hz以下頻率的周期性交流電路的頻率測量和頻率跟隨。
背景技術：
目前，在對周期性交流信號進行採樣的電路都採用直接採樣的方法，即釆用固定頻率的 採樣信號對周期性交流信號進行採樣，單位時間內採樣點數是相同的。當被測量的周期性交
流信號的頻率發生變化時，會使得每個周期中信號的採樣點數發生變化當被測信號頻率減 小時， 一個周期中的採樣點數會增加；當被測信號頻率增加時， 一個周期中的採樣點數就減 小。
對周期信號的有效值計算， 一般採用的都是固定採樣點近似還原的方法，這種算法的主 要特點是運算簡單，缺點是要求在一個被測信號周期中的採樣點數固定。如果在被測信號頻 率發生波動的情況下，不能保證在一個周期中的採樣點數保持不變，也就不能保證在這種情 況下的採樣精度。
此外，在測量低頻信號頻率的方法中， 一般採用傳統的測周法，即測量一個周波的時間。 其工作原理如圖l所示，即在從一個周期的開始點tl開始計時，到下個周期的開始點t2結束計 時，通過計算tl-t2的時間差來計算被測信號的頻率。在實際的電路設計中對於信號周期小於 l秒的信號要十分精確地在一個周期內計時是難以做到的，因此採用測周的方法測量信號頻 率，其精度較低。
另外有一種測量低頻信號頻率的方法，即脈衝計數法，其工作原理如圖2。對於像220V 交流電這種頻率只有50赫茲左右的信號要想達到較高的精度所花的時間又較長，很難準確反 映被測信號的實時頻率變化情況，如果我們要想測量精度達到1/1024，則需要花費20. 48秒， 對於一個實時系統這顯然太長了 。
發明內容
本實用新型提供出一種電路，它能快速、準確地測量低頻信號頻率；同時，若採用這種 電路的輸出信號作為採樣電路的採樣信號，能達到頻率跟隨的目的，從而可以實現在周期性 被測信號頻率發生變化時仍能保證採樣精度。
本實用新型詳細技術方案為一種頻率測量及頻率跟隨電路，如圖3所示，包括信號採樣電路、低通濾波電路、脈沖整 形電路和倍頻電路。所述信號採樣電路對被測低頻信號進行採樣；所述低通濾波電路對被測 低頻信號的採樣信號進行濾波，剔除被測信號中的高頻幹擾；所述脈衝整形電路把經濾波後 的被測低頻信號的採樣信號變為和被測低頻信號頻率同步的方波脈衝信號；所述倍頻電路把 由脈衝整形電路送入的低頻方波脈衝變為需要的倍頻脈衝輸出信號。該頻率測量及頻率跟隨 電路特徵在於，所述信號採樣電路、低通濾波電路、脈衝整形電路和倍頻電路依次相連。
所述信號採樣電路為信號跟隨電路，如圖5所示，由電阻(Rvl、 R2、 R3、 R105、 R59、 R34和R32)、電壓互感器TV1、和運算放大器DA構成；被測低頻信號接到採樣電阻Rvl兩端，通 過電壓互感器TV1將交流信號耦合到測量電路中，根據被測信號的大小改變電阻R2和R3的值進 行限流；電阻R105也是採樣電阻，它把電流信號變成電壓信號；由運算放大器DA和電阻(R32、 R34、 R59)構成信號跟隨電路，其作用是提高輸入阻抗，減小電路內部阻抗對輸入信號的影 響。
所述低通濾波電路為二階低通濾波器，由運算放大器DB、電阻(R38、 R46和R47)以及電 容(C6、 C7)構成，其主要作用是濾除輸入信號中的高頻諧波，避免諧波信號影響後續輸出 脈衝。
所述脈衝整形電路由運算放大器DC、電阻(R54、 R55、 R56、 R57和R58)、 二極體(V9、 VIO)、 電容C18和反相器D1構成；其中，運算放大器DC和電阻(R54、 R55、 R56、 R57和R58)構成零 比較電路，將輸入的交流信號變為直流脈衝信號，當輸入信號處在正半周時電阻R58輸出高電 平，當輸入信號處在負半周時電阻R58輸出零電平；二極體(V9、 V10)起一個電壓限幅的作用， 將輸入電壓限制在0-5V的TTL電平範圍內；通過反相器D1將輸入信號進行整形成為標準的方波 脈衝。
所述倍頻電路由以鎖相環電路MC4046為核心的鎖相環電路和以計數器MC4020為核心的計 數器電路組成，根據需要可以輸出輸入信號的2倍頻到2048倍頻的信號。
在本實用新型所述的電路中由於被測信號是整個電路的激勵源，因此，它也可以做到很 好的頻率跟隨效果。當它用在頻率測量時由於它最高可以倍頻到被測信號的2048倍，因此其 頻率測試精度可以達到1/2048，而時間只需要一個周波的時間。如果把倍頻後的輸出信號作 為交流採樣電路的採樣信號，由於它是由被測信號倍頻出來的，採樣脈衝的頻率會隨則被測 信號的頻率變化而變化，因此對每個周期的採樣點數不會因為被測信號的頻率變化而變化， 從而保證了測量精度和信號頻率的無關性。
本實用新型的有益效果是利用本發明所述的頻率測量及頻率跟隨電路，能快速、準確 地測量低頻信號頻率；同時，若採用這種電路的輸出信號作為採樣電路的採樣信號，能達到
頻率跟隨的目的，從而可以實現在周期性被測信號頻率發生變化時仍能保證採樣精度。

圖l是測周法測量信號頻率的原理圖。
圖2是脈衝計數法測量信號頻率的原理圖。 圖3是本實用新型所述的頻率測量及頻率跟隨電路的原理框圖。 圖4是本實用新型所述的頻率測量及頻率跟隨電路的電路圖。 圖5是本實用新型所述的頻率測量及頻率跟隨電路的信號採樣電路圖。 圖6是本實用新型所述的頻率測量及頻率跟隨電路的低通濾波電路和脈衝整形電路圖。 圖7是本實用新型所述的頻率測量及頻率跟隨電路的倍頻電路圖。
具體實施方式

一種頻率測量及頻率跟隨電路，如圖3、圖4所示，包括信號採樣電路、低通濾波電路、 脈衝整形電路和倍頻電路。所述信號採樣電路、低通濾波電路、脈衝整形電路和倍頻電路依 次相連。所述信號採樣電路對被測低頻信號進行採樣；所述低通濾波電路對被測低頻信號的 採樣信號進行濾波，剔除被測信號中的高頻幹擾；所述脈衝整形電路把經濾波後的被測低頻 信號的採樣信號變為和被測低頻信號頻率同步的方波脈衝信號；所述倍頻電路把由脈衝整形 電路送入的低頻方波脈衝變為需要的倍頻脈衝輸出信號。
所述信號採樣電路如圖5所示，由七個電阻、 一個電壓互感器TV1和一個運算放大器DA構 成；由第一採樣電阻Rvl、第一限流電阻R2、第二限流電阻R3和電壓互感器TV1的初級線圈構 成閉合迴路，被測低頻信號接到採樣電阻Rvl兩端；第二採樣電阻R105與電壓互感器TV1的次 級線圈並聯後一端接地，另一端通過第五電阻R59接運算放大器DA的正向端，運算放大器DA 的負向端通過第六電阻R34接其輸出端，運算放大器DA的輸出端通過第七電阻R32輸出採樣信 號。
所述低通濾波電路如圖6所示，為一個二階低通濾波器，由一個運算放大器DB、兩個電阻 和兩個電容構成；採樣電路輸出的採樣信號通過第一電阻R38接運算放大器DB的正向端，同時 通過第一電容C7接運算放大器DB的輸出端；運算放大器DB的負向端通過第二電阻R46接地，同 時通過第三電阻R47接運算放大器DB的輸出端；運算放大器DB的輸出端輸出低通濾波信號。 所述脈衝整形電路如圖6所示，由一個運算放大器DC、五個電阻、兩個限幅二極體、 一個 電容C18和一個反相器D1構成。其中，運算放大器DC和五個電阻構成零比較電路低通濾波信 號通過第一電阻R54接運算放大器DC的正向端；運算放大器DC的正向端通過第二電阻R55與第 五電阻(R58)相連，其負向端通過第三電阻R56接地，其輸出端通過第四電阻R57接第二電阻 R55與第五電阻R58的連接點；第五電阻R58的另一端作為零比較電路的信號輸出端。零比較電 路的信號輸出端接反相器D1的輸入端，同時通過電容C18接地；反相器D1的輸入端接第一限幅 二極體D9的正極，第一限幅二極體D9的負極接+5伏電源；同時，反相器D1的輸入端接第二限 幅二極體D10的負極，第二限幅二極體D10的正極接地。
所述倍頻電路如圖7所示，由以鎖相環電路MC4046為核心的鎖相環電路和以計數器MC4020 為核心的計數器電路構成。
圖4一圖7中各單元電路及主要元件功能解釋如下
圖4中由DA,DB,DC完成周期模擬信號的模擬量到數字量的轉換，它的功能是把周期模擬量 轉換為相同周期的脈衝信號。D15是計數器MC4020，D16是鎖相環電路MC4046，由D15和D16組成 倍頻電路，通過這個電路可以按照輸入信號的2， 4， 8， 16， 32， 64， 128， 256， 512， 1024， 2048倍頻率進行輸出脈衝，只要根據需要從D15的Q11, QIO， Q9， Q8， Q7, Q6, Q5， Q4， Q3, Q2， Ql取信號。由於輸入信號來自於被採樣信號，因此當把Q11-Q1的輸出作為AD採樣的啟動 信號時，就做到了對採樣信號的頻率跟隨.此時當外部信號頻率發生變化時,在每個周期的信 號採樣點會保持不變.其結果是當被採樣信號頻率發生較大變化時，不會產生額外的測量誤 差。
圖5中，TV1是電壓互感器，它負責把交流信號耦合到測量電路中，根據被測信號的大小 改變R2和R3的值進行限流；R105是採樣電阻，它把電流信號變成電壓信號；由DA， R32， R34， R59構成信號跟隨電路，其作用是提高輸入阻抗，減小電路內部阻抗對輸入信號的影響。
圖6中，由DB， R38， R46， R47， C6， C7構成二階低通濾波器，其主要作用是濾除輸入信 號中的高頻諧波，避免諧波信號影響後續輸出脈衝。
圖6中，由DC， R54， R55， R56， R57， R58構成過零比較電路，其作用是把輸入的交流信 號變為直流脈衝信號，其工作原理是當輸入信號處在正半周時R58處輸出高電平，當輸入信號 處在負半周時R58處輸出零電平。
圖6中，V9， V10起一個電壓限幅的作用，通過它可以把輸入電壓限制在O-5V的TTL電平範 圍內，Dl的作用是把輸入信號進行整形成為標準的方波脈衝。
圖7所示的倍頻電路由以D16為核心的鎖相環電路和以D15為核心的計數器電路組成，它使 通過IN輸入的信號以輸入信號2-2048倍的頻率輸出脈衝信號。其工作原理如下
鎖相環電路的一個特點是，可以使輸出信號和輸入信號頻率一致，因此比如說輸入D16 的AIN端子的信號頻率是50HZ,如果輸入的BIN信號頻率小於50HZ，貝UD16就會提高V0UT端子的 輸出頻率，因為V0UT接在計數器D15的CLK端，而BIN接在D15的Q12端，根據計數器的工作原理，
如果想要Q12輸出50HZ的脈衝，CLK的輸入頻率必須為200KHZ， VOUT的輸出頻率會自動調整到 200KHZ，此時Q11-Q1的輸出頻率分別為100HZ， 200HZ， 400HZ……IOOKHZ。因此，可以根據需 要從Q1-Qll中選擇一個需要的頻率進行使用，而這個頻率是信號頻率的2的N次方倍。
權利要求1、一種頻率測量及頻率跟隨電路，包括信號採樣電路、低通濾波電路、脈衝整形電路和倍頻電路；被測低頻信號經所述信號採樣電路採樣後通過所述低通濾波電路濾波，濾波後的信號再通過所述脈衝整形電路整形為和被測低頻信號頻率同步的方波脈衝信號，整形後的方波脈衝信號經所述倍頻電路變為需要的倍頻脈衝輸出信號；其特徵在於，所述信號採樣電路、低通濾波電路、脈衝整形電路和倍頻電路依次相連。
2、根據權利要求l所述的一種頻率測量及頻率跟隨電路，其特徵在於，所述信號採樣電 路由七個電阻、 一個電壓互感器(TV1)和一個運算放大器(DA)構成；由第一採樣電阻(Rvl)、 第一限流電阻(R2)、第二限流電阻(R3)和電壓互感器(TV1)的初級線圈構成閉合迴路， 被測低頻信號接到採樣電阻(Rvl)兩端；第二採樣電阻'(R105)與電壓互感器(TV1)的次 級線圈並聯後一端接地，另一端通過第五電阻(R59)接運算放大器(DA)的正向端，運算放 大器(DA)的負向端通過第六電阻(R34)接其輸出端，運算放大器(DA)的輸出端通過第七 電阻(R32)輸出採樣信號。
3、 根據權利要求l所述的一種頻率測量及頻率跟隨電路，其特徵在於，所述低通濾波電 路為二階低通濾波器，由一個運算放大器(DB)、兩個電阻和兩個電容構成；採樣電路輸出的 採樣信號通過第一電阻(R38)接運算放大器(DB)的正向端，同時通過第一電容(C7)接運 算放大器(DB)的輸出端；運算放大器(DB)的負向端通過第二電阻(R46)接地，同時通過 第三電阻(R47)接運算放大器(DB)的輸出端；運算放大器(DB)的輸出端輸出低通濾波信 號。 '
4、 根據權利要求l所述的一種頻率測量及頻率跟隨電路，其特徵在於，所述脈衝整形電 路由一個運算放大器(DC)、五個電阻、兩個限幅二極體、 一個電容(C18)和一個反相器(Dl) 構成；其中，運算放大器(DC)和五個電阻構成零比較電路低通濾波信號通過第一電阻(R54) 接運算放大器(DC)的正向端；運算放大器(DC)的正向端通過第二電阻(R55)與第五電阻 (R58)相連，其負向端通過第三電阻(R56)接地，其輸出端通過第四電阻(R57)接第二電 阻(R55)與第五電阻(R58)的連接點；第五電阻(R58)的另一端作為零比較電路的信號輸 出端；零比較電路的信號輸出端接反相器(Dl)的輸入端，同時通過電容(C18)接地；反相器 (Dl)的輸入端接第一限幅二極體(D9)的正極，第一限幅二極體(D9)的負極接+5伏電源; 同時，反相器(Dl)的輸入端接第二限幅二極體(D10)的負極，第二限幅二極體(D10)的 正極接地。
5、根據權利要求l所述的一種頻率測量及頻率跟隨電路，其特徵在於，所述倍頻電路由 以鎖相環電路MC4046為核心的鎖相環電路和以計數器MC4020為核心的計數器電路組成，其輸 出信號為輸入信號的2倍頻到2048倍頻的信號。
專利摘要一種頻率測量及頻率跟隨電路，屬於電子技術領域，涉及頻率測量技術領域，主要應用於對60Hz以下頻率的周期性交流電路的頻率測量和頻率跟隨。整個電路由依次相連的信號採樣電路、低通濾波電路、脈衝整形電路和倍頻電路組成。被測低頻信號通過信號採樣電路後經低通濾波電路濾波；濾波後的被測低頻採樣信號經脈衝整形電路變為和被測低頻信號頻率同步的方波脈衝信號；方波脈衝信號最後經倍頻電路變為需要的倍頻脈衝輸出信號。利用本實用新型所述的頻率測量及頻率跟隨電路，能快速、準確地測量低頻信號頻率；同時，若採用這種電路的輸出信號作為採樣電路的採樣信號，能達到頻率跟隨的目的，從而可以實現在周期性被測信號頻率發生變化時仍能保證採樣精度。
文檔編號G01R23/10GK201004079SQ200520036719
公開日2008年1月9日 申請日期2005年12月29日 優先權日2005年12月29日
發明者軍 楊 申請人:電子科技大學