基于全数字式调频计数测量法实现对脉冲占空比的测量

引 言

占空比是脉冲信号的一个基本参数，不论在脉冲电源设计中，还是在脉冲信号的应用中，都需要知道脉冲的占空比。不同的应用情况对脉冲占空比的要求也不相同，因此准确快速地测量出脉冲占空比也就非常必要。测量占空比的方法主要有示波器比较法、单片机计算法、平均值转换法等。示波器比较法简单易行，但不能直接准确快速地给出读数；单片机计算法虽能直接准确地显示出数值，但需要软硬件配合，设计比较麻烦；平均值转换法电路简单，但需要将脉冲信号转换成平均值电压再进行A／D转换。而其他的一些测量方法虽能克服上述方法的缺点，但具体测量应用时却受到一些限制。于是，本文提出了一种全数字式的调频计数测量法。

1、 测量原理

对如图1所示的脉冲信号uB，其占空比为：

为了避免通过电路进行除法运算，可使TA=100，测量出脉冲宽度TB，那么脉冲占空比：

据此提出以下的测量电路，如图2所示。

先取出一路待测脉冲信号，经触发器变成宽度为TA的方波信号，通过调整振荡器的频率使显示器显示100，然后将待测信号直接输入到时间门控电路，显示器显示的读数就是待测脉冲信号的占空比。

2、 电路设计与调试

为了使经触发器的信号通过脉冲计数显示100，振荡器的频率必须在较大的范围内连续可调，于是采用如图3所示的频率可调振荡器，振荡器由4个2输入与非门74F00环形构成，如果电阻R1选510 Ω，电容C选220 pF、2 200 pF、0.022μF三组不同的值，则振荡器的频率f0可在40 kHz～4 MHz的范围内连续可调。

为了对计数器进行逻辑控制，再用双JK触发器74LS73中的另一个和门电路形成的脉冲信号对计数器进行控制复零；时间闸门采用74S08与门作计数控制；采用2块双十进制计数器74LS390进行计数，七段译码／驱动器采用4块74LS48完成，显示采用4块BS201数码管构成，小数点固定在十位。

测量时，先将开关S1拨到A，调节电阻R1，同时配合调节挡位开关S2改变电容C，使数码管显示100.0，即进行测量前的计数校准。然后，保持R1和S2不动，将开关S1拨到B，则此时数码管所显示的数值就是被测脉冲信号占空比的百分数。

3、 实验与结果分析

根据以上测量原理和设计方案，在电路仿真分析Multisim中完成了具体电路设计，经仿真验证测量电路能够按照预先设计的方案对脉冲信号占空比进行测量。由脉冲信号源输出50 Hz～10 kHz，幅度5 V、脉冲上升时间和脉冲下降时间均为1 ns，占空比为20％～70％的典型脉冲信号。调节频率可调振荡器测量数据如表1所示。

测量数据表明测量电路基本能够得到待测信号正确的占空比值，占空比误差一般不超过2％。当被测频率较高，占空比较小时，误差要较大一点。通过对电路和测量数据进行分析，可以得到测试误差主要来源于以下几个方面：

（1） 给定的待测信号其占空比本身就存在一定误差。

（2） 仿真时得到计数脉冲信号是由待测信号与测量用高频脉冲信号通过与门进行相与操作得到，有时会在计数脉冲序列两端形成1个或2个附加的尖脉冲信号，使计数值稍有增大。

（3） 门电路的传输延时等所带来的测量电路的固有误差。

4、 结束语

这种基于调频计数法测量脉冲信号占空比，方便直观，准确快捷，在50 Hz～10 kHz范围内有很好的可靠性。如果要提高测量信号的频率上限，就要采用更高速的门电路和计数器，同时采用高频振荡器，或通过倍频器进行倍频，否则，测量精度就会降低。

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