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  本來週期計量和頻率計量是一體的兩面,有著同重要的地位,但是由於一般使用於線性電路中的單位等是頻率,所以週期被忽視了,降格成了「副產品」,事實上週期計量對於低頻率的準確測量和儀表功用的拓展,都有很大的幫助,為了作為計頻器外圍裝置的前導,介紹一下週期計量的做法是必要的。

  如果您的計頻器已經裝好了,那只需要很少的附加電路就能改成週期計量。相信做過數字式儀表的同好們都知道,數字式儀表中最貴也是最煩人的就是計數電路和時基振盪與分除電路,可幸!這兩部分在各種儀表中多可通用,至少是大同小異,所以加裝週期計量電路於計頻器中是最划得來的事,本文就以拙作「數字式計頻器的研習和探討」(音響技術第14期P.78)為基礎,來談談週期計量的附加,也算是前文的一個尾巴吧!

  依照週期的定義T=1/f,週期和頻率互為倒數,所以計量週期,只須控制計數電路於每週期內計算標準時間脈衝的個數即可,計量功能圖及波形如圖一,

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在計頻器中,我們已利用水晶體產生了基準頻率500KHz,並由7只SN7490分除得到以5為基數時基頻率(由500KHz~0.05Hz),換算成時間週期為2uS~20S,這不合於直讀計數脈衝的要求,所以我們必須把它變為以1為基數的計時脈波,以供輸入計數器的計時輸入端,很幸運的,我們只要把第二級SN7490分除電路的輸入端,由第一級的Q1輸出端改接到Q8輸出端即可,如此所有分除輸出都變成以1為基數了(10uS、100uS、1mS、10mS、100mS、1S、10S),合乎作計時脈衝的標準。(這個接點可在原文圖十五時基電路板上找到跨接點一50KHz標線端)。

  週期計量和頻率計量相反,頻率計量是由時基電路控制計數時間的長短,而計算輸入計數器內外加信號的脈衝數,而週期計量則是由外加信號控制計數時間,計算輸入計數器標準頻率的脈衝數,所以為了計算輸入信號的整個週期,必須將輸入信號先除2,然後再控制計數電路,典型的÷2電路可由JK型正反器SN7473,或D型正反器SN7474來達成(圖二),除2後的輸入信號成為高電位一週期、低電位一週期,在低電位的一週期允許計數器計算由標準頻率分除出的脈衝數,即得直讀的週期數。

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  同樣為了避免雜訊和不規則波形的影響,輸入端也應用史密特觸發電路來對信號整形,再送入除2電路,而除2電路的輸出也用來產生門鎖和清除信號,這些電路都可以和計頻器共用,藉著簡單的開關電路併入計頻器裝組。(圖三)

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  一般計頻器在計算低頻的時候常嫌有效位數不足,如用10S的時機對10Hz只有三位有效數字,準確性低於1%,若用1S的時基則更差到10%,雖說低頻很少用到高準確性,但在作電路設計時常會帶來些不大不小的困難,而週期計量正好補償了這個缺點,因為量週期是頻率越低(週期越長)準確度越高,頻率越高(週期越短)準確度越低,正好和計頻時相反,兩者正好能截長補短,使高低頻均能得到令人滿意的準確性,(如: 10Hz用100uS為計時脈衝,可讀得1000x100uS=100mS有三位有效位,若用10uS為計時脈衝則可得10000x10uS=100mS有四位有效位)由此可見週期計量的好處了。

  事實上在應用週期計量和頻率計量轉換之間還是有些麻煩存在,如時基電路最大利用率計頻是由低頻開始向高頻遞減,而週期計量則由高頻向低頻遞減,於是乎時基開關必須有更多的檔數來容納其間的不同,使週期計量時能儘量利用高頻信號。小數點的轉換也令人感到繁雜,濟貧時由最低頻黨啟是以1、3、2位循環,(原文圖十刊錯)而週期計量則以2、3、1位循環,必須以開關轉換。

  週期計量除了對量低頻很方便外,對於數字式電容表、電壓表也有很大的貢獻,如測量RC振盪器的週期即可間接算得電容值,但若能使用時區計量則更為方便,如測量電容器放電週期可推知容量,並且此容量已減去因漏電帶來的容量實值減低量,而時區計量比起週期計量更為簡單,圖中的除2電路、史密特觸發電路都可取消,而直接將合乎TTL邏輯水準信號送入計數器和控制電路中,作為控制計數器和控制電路中,作為控制計數及產生門所信號、清除信號之用。(如圖四)

 

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  例如: 一個以數字式顯示電容量的數位電容表將對挑選零件帶來許多方便,這也是計頻器的外圍功用之一,非常幸運的,555計時IC很簡單的線路提供了製作的方便,因為555有線性的容量──充放電週期轉換曲線,它的充電週期在接成無穩態振盪器時等於0.685(R1+R2)C,放電週期等於0.685R2C,總週期為0.685(R1+2R2)C,由此可知,無論總週期或充放電週期都和C呈線性關係,所以測量任何一個週期都可以得知C的大小,若量度總週期可輸入週期計量電路測出,若度量放電半週即可直接用時區計量測出,因為放電週期正好是555輸出為低電位時,因為R1在換檔時常顯得累贅,所以測量總週期不如使用測量放電週期來的方便,555本身的特性限制R1+R2不能越過3.3MΩ,R1或R2也不能小於1KΩ,C不能小於500P,而最大電容C則由漏電值左右,所以能測的電容量自500P起,直到測量時間至不耐煩的容量為止。

  若以10uS作為計時脈衝,當R2為1.46KΩ時可測容量為.01uf~9999.99uf,注意此時的最大可讀容量要經過約26秒才算得出來,十分費時,但若使用¼S定R2為1.46KΩ時可測容量變為.001uf~999.999uf。則不能達到如此高容量,若增加計時脈衝至100uS,hk4tj 9999.9uf也需如此長的時間,由此可知改變計時脈衝只能改變讀數範圍,和計算同值電容的時間無關,一個改善讀取時間的方法是將555的輸出予以分除,得到和電容值成比例的較小時區,可幸的通常需要測度的電容器都不大於1000uf,並且超過1uf的電解電容也不需作準確的測度,所以一個由555和分檔開關組成的電容測量電路已足以應用了。改變R2就改變了555的時間常數,也等於改變在同值計時脈衝狀況下可測電容量的範圍,圖五就是這個簡易電容表的線路。

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  同樣的線路改動電阻和電容的數值和使用開關轉換固定電容,就可以作一個測量1KΩ~3.3MΩ電阻值得數字式電阻表,可惜的是可測量的範圍太窄了,不合於實用的理想電阻表範圍。

  電容表和電阻表只是週期與時區測量的一個例子,是實上一個計頻器在加上週期與時區測量電路知後,就像一個動圈式電表的表頭一般,在加上適當的附加電路之後,能夠做許多令人欣悅的工作,這些大概都是「副產品」的「附產品」吧!

轉載音響技術第16期 APR. 1977 實驗台上/計頻器的副作用──週期計量/微 羽

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