CN107894532B - 一种大失真正弦信号的基波频率测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大失真正弦信号的基波频率测量电路。本发明包括输入信号电平稳幅电路、基波频率提取电路和稳压电路。稳压电路为输入信号电平稳幅电路、基波频率提取电路供电。单片机通过控制信号控制电子电位器模块的输出，在经过运算放大器的缓冲后输出峰值稳定为1V的交流信号；峰值为1V的交流信号进入基波频率提取电路后分为两路，分别进入比较器IC3A和比较器IC3B进行比较和整形；在置位端S和复位端R分别输出经过整形的触发信号，最终在D触发器的输出端Q产生和输入信号的基波信号频率完全一致的脉冲信号。本发明避免了各次谐波对基波频率的测量的干扰，使得输出的脉冲信号的频率和输入信号的基波频率完全一致，彻底消除了测量误差。

Description

一种大失真正弦信号的基波频率测量电路

技术领域

本发明属于工业测量和控制领域，涉及一种电路，特别涉及一种大失真正弦信号的基波频率测量电路，适用于需要测量大失真正弦信号的基波频率值以及凭借该频率值进行反馈控制应用场合。

背景技术

正弦信号的频率测量一般如图2所示，是采用先设定一个0V左右的参考电压值，将正弦波信号的即时幅值与该参考电压值进行比较，输出高低电平后整形为方波脉冲信号，再通过脉冲计数或者测量脉冲宽度的方法进行频率的测量。

由于大失真正弦信号由基波和幅值较大的各次谐波组成。波形中包含较大的谐波成分。正弦信号的波形曲线不在是单纯的上升或者下降。如果还是采用常规的频率测量方法，将会产生误差，从而导致频率测量不准。如图2中的B和C的失真信号，则会出现明显的测量误差。

为了提高频率测量的准确率，通常采用改变参考电压值的办法来解决，如图3和图4所示。由图3和图4中可以看出，通过改变参考电平可以改善部分大失真正弦信号的基波频率的测量误差，但是对如图3和图4的C所示的大失真非同步的信号的基波频率测量还是存在误差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种大失真正弦信号的基波频率测量电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种大失真正弦信号的基波频率测量电路，包括输入信号电平稳幅电路、基波频率提取电路和稳压电路。

输入信号电平稳幅电路包括电子电位器模块IC1、运算放大器IC2、电位器W2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R59、电阻R61、电阻R79和电解电容C2；电子电位器模块IC1的3、4、5号引脚分别与电阻R1、电阻R2、电阻R3的一端相连，电阻R1、电阻R2、电阻R3的另一端分别与外接单片机的I/O输出引脚相连接，单片机的I/O输出引脚输出控制信号CS5、SDI、CLK控制电子电位器模块IC1的输出；电子电位器模块IC1的2号引脚接地，1、6号引脚分别外接2.5V电源和5V电源；电子电位器模块IC1的7号引脚与电阻R79的一端相连接，电阻R79的另一端同时与电阻R59的一端、运算放大器IC2的2号引脚相连，电阻R59的另一端与电位器W2的滑动端相连接，电位器W2的电阻端同时与运算放大器IC2的输出端VIN1、电解电容C2的正极相连接，运算放大器IC2的3号引脚与电阻R61的一端相连接，电阻R61的另一端外接2.5V电源；运算放大器IC2的4号引脚接地，运算放大器IC2的8号引脚外接5V电源；运算放大器IC2的输出端VIN1与外接单片机的I/O输入引脚AD-OUT相连接。

基波频率提取电路包括D触发器IC4、比较器IC3、接插件XJ13、电阻R57、电阻R60、电阻R62、电阻R63、电阻R73、电阻R82、电阻R88、电阻R89、电阻R90、电阻R93、电阻R94、电阻R95、电阻R96、电阻R100、电阻R103、瓷片电容C90、瓷片电容C93、瓷片电容C94、瓷片电容C107、电解电容C97、电解电容C98、电位器W4和电位器W8。D触发器IC4的1号引脚与电阻R73的一端连接，电阻R73的另一端同时与瓷片电容C107的一端、接插件XJ13的1号引脚相连接，接插件XJ13的2号引脚与瓷片电容C107的另一端相连并接地；D触发器IC4的7号引脚接地，D触发器IC4的14号引脚外接5V电源；D触发器IC4的4号引脚与电阻R60的一端相连接，电阻R60的另一端同时与电阻R62的一端、电阻R89的一端、比较器IC3的7号引脚相连接；比较器IC3的5号引脚与瓷片电容C90的一端、电阻R89的另一端、电阻R96的一端相连接；比较器IC3的6号引脚与电阻R94的一端相连接；瓷片电容C90的另一端与电解电容C97的负极、电阻R82的一端相连接同时接地；电阻R96的另一端与电解电容C97的正极、电位器W4的滑动端相连接，电位器W4的两个电阻端分别与电阻R82的另一端、电阻R103的一端相连接；电阻R94的另一端同时与电阻R95的一端、电解电容C2的负极相连接；D触发器IC4的6号引脚与电阻R57的一端相连接，电阻R57的另一端同时与电阻R63的一端、电阻R90的一端、比较器IC3的1号引脚相连接；比较器IC3的8号引脚同时与电阻R63的另一端、电阻R62的另一端、瓷片电容C93的一端相连接且外接5V电源，瓷片电容C93的另一端接地；比较器IC3的3号引脚同时与电阻R90的另一端、电阻R95的另一端相连接；比较器IC3的2号引脚同时与电阻R100的一端、瓷片电容C94的一端相连接，电阻R100的另一端同时与电位器W8的滑动端、电解电容C98的正极相连接；电位器W8的两个电阻端分别与电阻R88的一端、电阻R93的一端相连接；电阻R88的另一端和电阻R103的另一端均外接5V电源；比较器IC3的4号引脚同时与瓷片电容C94的另一端、电解电容C98的负极、电阻R93的另一端相连接且接地。

稳压电路包括稳压模块IC11、电阻R36、电阻R39、电阻R43、电阻R44、瓷片电容C15、瓷片电容C16、瓷片电容C17、电解电容C22、电解电容C27、电解电容C28、电位器W3。稳压模块IC11的1号引脚同时与电阻R43的一端、电阻R44的一端相连接，电阻R43的另一端同时与瓷片电容C16的一端、电解电容C27的负极、电解电容C28的负极、瓷片电容C17的一端相连接并接地；稳压模块IC11的3号引脚同时与瓷片电容C16的另一端、电解电容C27的正极、电源输入端VIN相连接；稳压模块IC11的2号引脚同时与电阻R44的一端、电解电容C28的正极、瓷片电容C17的另一端相连且连接5V电源输出；电位器W3的两个电阻端分别与电阻R39的一端、电阻R36的一端相连接；电阻R39的另一端外接5V电源，电阻R36的另一端同时与电解电容C22的负极、瓷片电容C15的一端相连接且接地；电位器W3的滑动端同时与电解电容C22的正极、瓷片电容C15的另一端相连接且外接2.5V电源输出。

稳压电路为输入信号电平稳幅电路、基波频率提取电路提供所需的5V工作电压和2.5V的基准电压。

本发明工作过程如下：

外接单片机通过控制信号CS5、SDI、CLK控制电子电位器模块IC1的输出信号的幅值，输入的大失真正弦信号VIN2在经过运算放大器IC2的缓冲后输出峰值稳定为1V的大失真正弦信号。峰值稳定为1V的交流信号VIN1通过外接单片机的输入引脚AD-OUT提供幅值反馈信号。峰值为1V的交流信号进入基波频率提取电路后分为两路，分别进入比较器IC3A和比较器IC3B进行比较和整形。比较电路的参考电平由电位器W4和W8分别设置为1V的+30％和-30％左右，约为+0.3V和-0.3V。由于整个电路采用单电源5V供电，所以基准电压不是通常的0V而是2.5V,因此两个比较参考电压分别为2.5+0.3＝2.8V和2.5-0.3＝2.2V。在D触发器的置位端S(连接比较器IC3A的1号引脚)和D触发器的复位端R(连接比较器IC3B的7号引脚)分别输入经过整形的触发信号，如图5的a和b所示。最终在D触发器的输出端Q产生和输入信号的基波信号频率完全一致的脉冲信号，如图5的d所示。

本发明有益效果如下：

本发明可以在大失真信号情况下，依然可以将含有谐波信号的正弦波基波频率信号从杂波中分离出来。形成和基波频率相同的方波脉冲信号。从而方便准确地测量出大失真正弦信号的基波频率。

本发明避免了各次谐波对基波频率的测量的干扰，使得输出的脉冲信号的频率和输入信号的基波频率完全一致，彻底消除了测量误差。

附图说明

图1为本发明的电路图

图2为正弦信号的频率测量图。

图3采用波形峰值的60％为参考电平的示意图。

图4采用波形峰值的30％为参考电平的示意图。

图5采用2个参考电压值的波形合成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种大失真正弦信号的基波频率测量电路，包括输入信号电平稳幅电路、基波频率提取电路和稳压电路。

输入信号电平稳幅电路包括电子电位器模块IC1、运算放大器IC2、电位器W2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R59、电阻R61、电阻R79和电解电容C2；电子电位器模块IC1的3、4、5号引脚分别与电阻R1、电阻R2、电阻R3的一端相连，电阻R1、电阻R2、电阻R3的另一端分别与外接单片机的I/O输出引脚相连接，单片机的I/O输出引脚输出控制信号CS5、SDI、CLK控制电子电位器模块IC1的输出；电子电位器模块IC1的8号引脚连接大失真正弦信号的输入端VIN2；电子电位器模块IC1的2号引脚接地，1、6号引脚分别外接2.5V电源和5V电源；电子电位器模块IC1的7号引脚与电阻R79的一端相连接，电阻R79的另一端同时与电阻R59的一端、运算放大器IC2的2号引脚相连，电阻R59的另一端与电位器W2的滑动端相连接，电位器W2的电阻端同时与运算放大器IC2的输出端VIN1、电解电容C2的正极相连接，运算放大器IC2的3号引脚与电阻R61的一端相连接，电阻R61的另一端外接2.5V电源；运算放大器IC2的4号引脚接地，运算放大器IC2的8号引脚外接5V电源；运算放大器IC2的输出端VIN1与外接单片机的I/O输入引脚AD-OUT相连接。

基波频率提取电路包括D触发器IC4、比较器IC3、接插件XJ13、电阻R57、电阻R60、电阻R62、电阻R63、电阻R73、电阻R82、电阻R88、电阻R89、电阻R90、电阻R93、电阻R94、电阻R95、电阻R96、电阻R100、电阻R103、瓷片电容C90、瓷片电容C93、瓷片电容C94、瓷片电容C107、电解电容C97、电解电容C98、电位器W4和电位器W8。D触发器IC4的1号引脚与电阻R73的一端连接，电阻R73的另一端同时与瓷片电容C107的一端、接插件XJ13的1号引脚相连接，接插件XJ13的2号引脚与瓷片电容C107的另一端相连并接地；D触发器IC4的7号引脚接地，D触发器IC4的14号引脚外接5V电源；D触发器IC4的4号引脚与电阻R60的一端相连接，电阻R60的另一端同时与电阻R62的一端、电阻R89的一端、比较器IC3的7号引脚相连接；比较器IC3的5号引脚与瓷片电容C90的一端、电阻R89的另一端、电阻R96的一端相连接；比较器IC3的6号引脚与电阻R94的一端相连接；瓷片电容C90的另一端与电解电容C97的负极、电阻R82的一端相连接同时接地；电阻R96的另一端与电解电容C97的正极、电位器W4的滑动端相连接，电位器W4的两个电阻端分别与电阻R82的另一端、电阻R103的一端相连接；电阻R94的另一端同时与电阻R95的一端、电解电容C2的负极相连接；D触发器IC4的6号引脚与电阻R57的一端相连接，电阻R57的另一端同时与电阻R63的一端、电阻R90的一端、比较器IC3的1号引脚相连接；比较器IC3的8号引脚同时与电阻R63的另一端、电阻R62的另一端、瓷片电容C93的一端相连接且外接5V电源，瓷片电容C93的另一端接地；比较器IC3的3号引脚同时与电阻R90的另一端、电阻R95的另一端相连接；比较器IC3的2号引脚同时与电阻R100的一端、瓷片电容C94的一端相连接，电阻R100的另一端同时与电位器W8的滑动端、电解电容C98的正极相连接；电位器W8的两个电阻端分别与电阻R88的一端、电阻R93的一端相连接；电阻R88的另一端和电阻R103的另一端均外接5V电源；比较器IC3的4号引脚同时与瓷片电容C94的另一端、电解电容C98的负极、电阻R93的另一端相连接且接地。

稳压电路包括稳压模块IC11、电阻R36、电阻R39、电阻R43、电阻R44、瓷片电容C15、瓷片电容C16、瓷片电容C17、电解电容C22、电解电容C27、电解电容C28、电位器W3。稳压模块IC11的1号引脚同时与电阻R43的一端、电阻R44的一端相连接，电阻R43的另一端同时与瓷片电容C16的一端、电解电容C27的负极、电解电容C28的负极、瓷片电容C17的一端相连接并接地；稳压模块IC11的3号引脚同时与瓷片电容C16的另一端、电解电容C27的正极、电源输入端VIN相连接；稳压模块IC11的2号引脚同时与电阻R44的一端、电解电容C28的正极、瓷片电容C17的另一端相连且连接5V电源输出；电位器W3的两个电阻端分别与电阻R39的一端、电阻R36的一端相连接；电阻R39的另一端外接5V电源，电阻R36的另一端同时与电解电容C22的负极、瓷片电容C15的一端相连接且接地；电位器W3的滑动端同时与电解电容C22的正极、瓷片电容C15的另一端相连接且外接2.5V电源输出。

稳压电路为输入信号电平稳幅电路、基波频率提取电路提供所需的5V工作电压和2.5V的基准电压。

本发明电位器W2、W3、W4、W8的型号为3362，且W2为5K，W3为500K，W4、W8为2K；接插件型号为SIP2-M-1；运算放大器IC2的型号为DIP8TL082；电子电位器模块IC1的型号为SO-8AD8400；稳压模块IC11型号为SOT-223BW1117-3.3V；比较器IC3型号为DIP8LM393。

本发明工作过程如下：

外接单片机通过控制信号CS5、SDI、CLK控制电子电位器模块IC1的输出信号的幅值，输入的大失真正弦信号VIN2在经过运算放大器IC2的缓冲后输出峰值稳定为1V的大失真正弦信号。峰值稳定为1V的交流信号VIN1通过外接单片机的输入引脚AD-OUT提供幅值反馈信号。峰值为1V的交流信号进入基波频率提取电路后分为两路，分别进入比较器IC3A和比较器IC3B进行比较和整形。比较电路的参考电平由电位器W4和W8分别设置为1V的+30％和-30％左右，约为+0.3V和-0.3V。由于整个电路采用单电源5V供电，所以基准电压不是通常的0V而是2.5V,使用两个比较参考电压分别为2.5+0.3＝2.8V和2.5-0.3＝2.2V。在D触发器的置位端S(连接比较器IC3A的1号引脚)和D触发器的复位端R(连接比较器IC3B的7号引脚)分别输入经过整形的触发信号，如图5的a和b所示。只有在置位信号和复位信号交替出现的情况下D触发器才会出现电平变化，电压幅值在2.2V和2.8V之间的干扰信号被D触发器自动忽略，如图5的c所示,最终在D触发器的输出端Q产生和输入信号的基波信号频率完全一致的脉冲信号,如图5的d所示。

如图5所示在电路中设置了2个参考电压值，分别是输入信号电压峰值的+30％和-30％，输出两路不同的比较信号，这两路信号分别驱动一个D触发器的置位端S和复位端R。在一次触发置位端S后，只有没有再次复位，无论接下来触发几次置位端S，都会出现一次置位的情况。同理，在一次触发复位端R后，只有没有再次置位，无论接下来触发几次复位端R，都只会出现一次复位的情况。结合图5的情况，采用2个参考电压值的基波频率提取电路只有输入信号在复位后第一次从低于+30％峰值的幅度直到高于+30％峰值的幅度才会引发一次置位且此后在信号不低于-30％峰值的幅度而引发复位前无论输入信号是低于+30％峰值的幅度还是高于+30％峰值的幅度都不会再次产生置位；只有输入信号在置位后第一次从高于-30％峰值的幅度直到低于-30％峰值的幅度才会引发一次复位且此后在信号不高于+30％峰值的幅度而引发置位前无论输入信号是低于-30％峰值的幅度还是高于-30％峰值的幅度都不会再次产生复位。也就是说只有在置位信号和复位信号交替出现的情况下D触发器才会出现电平变化，电压幅值在-30％峰值左右的交替变化和在+30％峰值左右的交替变化而引起的触发信号被D触发器自动忽略，如图5的c所示,从而避免了各次谐波对基波频率的测量的干扰，使得输出的脉冲信号的频率和输入信号的基波频率完全一致，彻底消除了测量误差。

Claims (1)

1.一种大失真正弦信号的基波频率测量电路，包括输入信号电平稳幅电路、基波频率提取电路和稳压电路，稳压电路为输入信号电平稳幅电路、基波频率提取电路提供所需的5V工作电压和2.5V的基准电压，其特征在于：

输入信号电平稳幅电路包括电子电位器模块IC1、运算放大器IC2、电位器W2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R59、电阻R61、电阻R79和电解电容C2；电子电位器模块IC1的3、4、5号引脚分别与电阻R1、电阻R2、电阻R3的一端相连，电阻R1、电阻R2、电阻R3的另一端分别与外接单片机的I/O输出引脚相连接，单片机的I/O输出引脚输出控制信号CS5、SDI、CLK控制电子电位器模块IC1的输出；电子电位器模块IC1的2号引脚接地，1、6号引脚分别外接2.5V电源和5V电源；电子电位器模块IC1的7号引脚与电阻R79的一端相连接，电阻R79的另一端同时与电阻R59的一端、运算放大器IC2的2号引脚相连，电阻R59的另一端与电位器W2的滑动端相连接，电位器W2的电阻端同时与运算放大器IC2的输出端VIN1、电解电容C2的正极相连接，运算放大器IC2的3号引脚与电阻R61的一端相连接，电阻R61的另一端外接2.5V电源；运算放大器IC2的4号引脚接地，运算放大器IC2的8号引脚外接5V电源;运算放大器IC2的输出端VIN1与外接单片机的I/O输入引脚AD-OUT相连接；

基波频率提取电路包括D触发器IC4、比较器IC3、接插件XJ13、电阻R57、电阻R60、电阻R62、电阻R63、电阻R73、电阻R82、电阻R88、电阻R89、电阻R90、电阻R93、电阻R94、电阻R95、电阻R96、电阻R100、电阻R103、瓷片电容C90、瓷片电容C93、瓷片电容C94、瓷片电容C107、电解电容C97、电解电容C98、电位器W4和电位器W8；D触发器IC4的1号引脚与电阻R73的一端连接，电阻R73的另一端同时与瓷片电容C107的一端、接插件XJ13的1号引脚相连接，接插件XJ13的2号引脚与瓷片电容C107的另一端相连并接地；D触发器IC4的7号引脚接地，D触发器IC4的14号引脚外接5V电源；D触发器IC4的4号引脚与电阻R60的一端相连接，电阻R60的另一端同时与电阻R62的一端、电阻R89的一端、比较器IC3的7号引脚相连接；比较器IC3的5号引脚与瓷片电容C90的一端、电阻R89的另一端、电阻R96的一端相连接；比较器IC3的6号引脚与电阻R94的一端相连接；瓷片电容C90的另一端与电解电容C97的负极、电阻R82的一端相连接同时接地；电阻R96的另一端与电解电容C97的正极、电位器W4的滑动端相连接，电位器W4的两个电阻端分别与电阻R82的另一端、电阻R103的一端相连接；电阻R94的另一端同时与电阻R95的一端、电解电容C2的负极相连接；D触发器IC4的6号引脚与电阻R57的一端相连接，电阻R57的另一端同时与电阻R63的一端、电阻R90的一端、比较器IC3的1号引脚相连接；比较器IC3的8号引脚同时与电阻R63的另一端、电阻R62的另一端、瓷片电容C93的一端相连接且外接5V电源，瓷片电容C93的另一端接地；比较器IC3的3号引脚同时与电阻R90的另一端、电阻R95的另一端相连接；比较器IC3的2号引脚同时与电阻R100的一端、瓷片电容C94的一端相连接，电阻R100的另一端同时与电位器W8的滑动端、电解电容C98的正极相连接；电位器W8的两个电阻端分别与电阻R88的一端、电阻R93的一端相连接；电阻R88的另一端和电阻R103的另一端均外接5V电源；比较器IC3的4号引脚同时与瓷片电容C94的另一端、电解电容C98的负极、电阻R93的另一端相连接且接地；

稳压电路包括稳压模块IC11、电阻R36、电阻R39、电阻R43、电阻R44、瓷片电容C15、瓷片电容C16、瓷片电容C17、电解电容C22、电解电容C27、电解电容C28、电位器W3；稳压模块IC11的1号引脚同时与电阻R43的一端、电阻R44的一端相连接，电阻R43的另一端同时与瓷片电容C16的一端、电解电容C27的负极、电解电容C28的负极、瓷片电容C17的一端相连接并接地；稳压模块IC11的3号引脚同时与瓷片电容C16的另一端、电解电容C27的正极、电源输入端VIN相连接；稳压模块IC11的2号引脚同时与电阻R44的一端、电解电容C28的正极、瓷片电容C17的另一端相连且连接5V电源输出；电位器W3的两个电阻端分别与电阻R39的一端、电阻R36的一端相连接；电阻R39的另一端外接5V电源，电阻R36的另一端同时与电解电容C22的负极、瓷片电容C15的一端相连接且接地；电位器W3的滑动端同时与电解电容C22的正极、瓷片电容C15的另一端相连接且外接2.5V电源输出；

电位器W2、W3、W4、W8的型号为3362，且W2为5K， W3为500K，W4、W8为2K；接插件型号为SIP2-M-1；运算放大器IC2的型号为DIP8TL082；电子电位器模块IC1的型号为SO-8AD8400；稳压模块IC11型号为SOT-223BW1117-3.3V；比较器IC3型号为DIP8LM393；

外接单片机通过控制信号CS5、SDI、CLK控制电子电位器模块IC1的输出信号的幅值，输入的大失真正弦信号VIN2在经过运算放大器IC2的缓冲后输出峰值稳定为1V的大失真正弦信号；峰值稳定为1V的交流信号VIN1通过外接单片机的输入引脚AD-OUT提供幅值反馈信号；峰值为1V的交流信号进入基波频率提取电路后分为两路，分别进入比较器IC3A和比较器IC3B进行比较和整形；比较电路的参考电平由电位器W4和W8分别设置1V的+30%和-30%；在D触发器的置位端S和D触发器的复位端R分别输入经过整形的触发信号，最终在D触发器的输出端Q产生和输入信号的基波信号频率完全一致的脉冲信号。