專利名稱：計頻儀的制作方法
技術領域：
本發明系關于一種計頻儀，特別是關于一種利用電壓頻率轉換電路，將輸入的直流訊號轉換成相對應的頻率輸出，而由計數計頻電路予以處理之后，將計數值顯示出來的裝置。
本發明之目的即在于提供一種創新的計頻儀裝置，該計頻儀的設計原理系有別于傳統計頻儀不夠準確的缺點，本發明以完整公式理論做為基礎，而創出一種更新更準確的計頻方式。
一種計頻儀，其特點在于一振蕩電路，該電路是利用3.579545MHz的石英振蕩器(Crystal)振蕩出來的頻率為基準頻率，得到所需的頻率，作為電壓頻率轉換電路及計頻計數電路等之基準頻率;
一電壓頻率轉換電路，該電路乃是將直流輸入電壓轉換成相對的頻率，利用對積分器以固定的電荷作充放電，而產生固定的充放電周期，而輸出固定的頻率;
一計數計頻電路，該電路是在計算電壓頻率轉換電路所輸出的頻率，并顯示出來，本電路利用兩組開關作設定，以B組開關設定計數模式，或計頻模式，在計數模式下，再配合A組開關，可做自動重置(RESET)功能及不具此功能兩種選擇。在計頻模式，電壓頻率轉換電路的頻率V/F，便依照A組開關的設定除頻，振蕩電路的頻率RCK，便依照B組開關作除頻，然后將這兩個除頻后的值相除，便達成了顯示值＝V/F÷A×B÷RCK的運算式而這相除后的值，經過除2電路輸出，同時給計數電路作計數，然后比較電路與上下限設定值作比較，將其結果顯出來，而這整個計數，上下限值的載入與比較及顯示等動作，都是依照掃描時基所產生的時序依次動作。
本發明計頻儀具有以下數項特點(1)本發明之電路簡單，體積小，成本低，制作容易。
(2)本發明之電壓頻率轉換電路極為精準，完全有公式理論可驗證。
(3)本發明之顯示電路相當完善，且準確，可使使用者一目了然。
(4)本發明之操作設定極為容易，使用非常方便。
為了使貴審查委員能更進一步了解本發明之特征及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，并非用來對本發明加以限制者。有關該實施例之附圖為
圖1為本發明之電路方塊圖;
圖2為本發明之振蕩電路電路圖;
圖3為本發明之電壓頻率轉換電路電路圖;及圖4為本發明之計數計頻線路電路圖。
請參閱圖1所示，系為本發明計頻儀之電路方塊圖，本發明可分為三部分(1)振蕩電路部分1。(2)電壓轉換頻率部分2。(3)計數計頻線路部分3。茲將各部分的原理說明如下
(1)振蕩電路部分1請參閱圖2所示，系為本發明計頻儀之振蕩電路電路圖，該部分電路最主要是利用3.579545MHz的石英振蕩晶體(Crystal)11來作振蕩的訊號源，由于這顆振蕩晶體11振蕩出來的頻率穩定且溫度特性佳，因此，可使振蕩出來的頻率極為穩定，再將這3.579545MHz的頻率經由一顆CD4040除頻IC12予以除頻，得到所需之頻率，再送給電壓頻率轉換電路2及計數計頻電路3使用，其除出來的數值如下3.579545MHz÷8＝447KHz÷16＝223KHz÷32＝111KHz÷64＝55KHz÷128＝27KHz以這些值作為其他電路的基準頻率。
(2)電壓頻率轉換部分2請參閱圖3所示，系為本發明計頻儀之電壓頻率轉換電路電路圖，該部分線路主要功能就是將所輸入的直流電壓轉換成相對的頻率輸出，其原理主要是利用輸入電壓Vin21與參考電壓Vref22產生一個電位差，由這個電位差產生二種電流，這兩種電流，一種為Vin＜Vref時的充電電流Ic，另一個為Vin＞Vref時的放電電流Id，因為Vref只有固定的二個電位，所以充電電流IC與放電電流Id便隨輸入電壓Vin而變化。又充電電流IC與放電電流Id對電容充電與放電，于是積分器22便產生充電周期Tc與放電周期Td，再利用數位IC的高電位(Hi)與低電位(Lo)，使得充電與放電在一定的電位內進行，不會如傳統計頻儀中的積分器必須放電到0位才作充電，而造成輸出不準確的現象。因為在Td期間D型正反器(D-FIFO)23的輸出Q為Hi，使反或閘(NORGATE)24的輸出為Q，在TC期間D型正反器23的輸出Q為Lo，使反或閘(NORGATE)24有輸出。
又Tc+Td＝ 1/(fref) (fref為參考頻率)，因為只有Tc周期有輸出，所有輸出頻率fout＝fref× (Tc)/(Tc+Td) ，于是可以導出fout＝fref× (Vin)/(Vref) 的式子，其導出過程以下將會詳細介紹，由此式可知fout & Vin成正比，且不受積分電阻R2與電容C的影響。
接下來就本電路的設計原理加以說明如下本電路之D型正反器(D-FIFO)23的電源是經過一顆齊納二極體25(ZenerDiode)1N829穩壓之后，所得到的一個穩定電壓源，而D型正反器23的接地點(GND)與積分器22的接地點(GND)是同一點;于是幾乎完全沒有漏電，因此充電電流 Ic = (Vref - Vin)/(R2)放電電流 Id = (Vin)/(R2)
又電容C若不漏電，而反相器26的高電位與低電位的反相電位固定，所以不會有一般傳統計頻儀中的電壓轉頻率電路放電無法到地電位，而造成輸出不準確的現象發生。因為本創作之電壓頻率轉換電路2的充電與放電同樣都是經過R2及C，于是充電電荷Qc＝放電電荷Qd，由于Qc＝Ic×Tc，Qd＝Id×Td，所以(Verf-Vin)/(R2) ×Tc＝ (Vin)/(R2) ×Td-(1)由于D型正反器22的輸出Q接到反或閘(NOR GATE)24的第5腳，所以反或閘(NOR GATE)24只有在正反器的輸出Q為Lo時才有輸出，因為輸出Q為Lo時，Q為Hi此時正好是積分器的充電周期Tc。所以輸出頻率fout＝fref× (Tc)/(Tc+Td) -(2)解聯立方程式(1)&(2)可得fout＝fref× (Vin)/(Vref)因此，由上式可知輸出頻率與輸入電壓成正比，而且不受R、C的影響。
該線路之動作原理為輸入訊號由積分器的同相輸入端輸入，當D型正反器23的Q為Hi時，充電電流Ic＝(Vref-Vin)/R2，Ic流向電容C，而電容C便開始充電，當積分器的充電電位到達反相器26的反相電位時，反相器由Lo變Hi，于是D型正反器(D-FIFO)-23的Q變成Hi反或閘(NOR GATE)在這段時間便將振蕩電路所送來的頻率傳送出去。此時D型正反器(D-FIFO)23的Q轉為Lo，電容C開始放電，放電電流Id＝Vin/R2，當積分器22的放電電位低于反相器26的反相電位時，反相器由HI變Lo，于是乎D型正反器的Q變成Lo，在這段積分器的放電時間，因為反或閘(NOR GATE)24的一支輸入腳位為Hi，于是這段期間其輸出皆為Lo。
由于D型正反器(D-FIFO)23的Q此時又轉為Hi，積分器22又開始充電，反或閘(NOR GATE)24又開始有輸出，當Q又轉為Lo時，積分器22又開始放電，于是整個線路就如此循環運作，因此便達到將電壓轉換成頻率輸出。因為充電及放電的電流同樣是流經R2及C，而反相器的Hi與Lo的電位都是固定的電位，即積分器22充電或放電到此電位時，反相器26便反相，因此Qc＝Qd又Qc＝Ic×TcTc為積分器充電時間Qd＝Id×TdTd為積分器放電時間因此Ic×Tc＝Id×Td又以Ic＝(Vref-Vin)/R2Id＝Vin/R2于是 ((Vref-Vin))/(R2) ×Tc＝ (Vin)/(R2) ×Td(Vref-Vin)×Tc＝Vin×Td-(1)因為整個充放電周期＝正反器23的Q為Hi與Lo的時間，又反或閘(NORGATE)24只有在Q為Lo時，才有輸出，因此反或閘(NORGATE)24的頻率輸出Fout＝Fref×Tc/(Tc+Td)-(2)，Fref為振蕩電路的一個參考頻率。
現在由(1)式及(2)式解聯立方程式可得到Fout的值(Vref-Vin)×Tc＝Vin×Td-(1)Fout＝Fref×Tc/(Tc+Td)-(2)又(1)式Td＝Tc×(Vref-Vin)/Vin代入(2)式Fout=Fref×TcTc+Tc(Vref·Vin)Vin=Fref×11+Vref·VinVin]]>=Fref×VinVin+Vref·Vin=Fref×VinVref]]>由Fout＝Fref× (Vin)/(Vref) ，知道輸出頻率不受R.C.的影響，又Fref及Vref穩定，Fout只隨Vin變化。
(3)計數計頻電路部分請參閱圖1及圖4所示，系為本創作之計數計頻電路之方塊圖及實際電路圖，本發明之計數計頻電路是以簡單的數位IC組合成，其中包括掃描時基電路31、預除電路32、除2電路33、計數電路34、比較電路35、設定電路36及顯示電路37等，本發明將上述之各項電路加以組合開發成一晶片(HW-66)41以簡化電路，在配合設定電路之設定按鈕361及顯示電路之顯示LED371而組合成計數計頻電路3;首先，對本發明之計數計頻電路簡單敘述如下，本發明利用振蕩電路1的頻率作為掃描時基，而產生出各位數的顯示周期，上限或下限比較周期控制各部分的線路依序動作。在預除電路部分32，是將先前所討論的電壓頻率轉換電路2所輸出的頻率V/F依據A組開關42所設定的比值先作除頻，另外由振蕩電路所送到的參考頻率RCK，依照B組開關43所設定的比值作除頻，再將除頻后的V/F頻率及RCK頻率作相除的動作，再把相除的結果送到多工器作選擇性輸出，輸出再送給除2電路33輸出給外界，及傳給計數器34計數，于是顯示值便依照下列數學式作顯示顯示值＝V/F÷A×B÷RCK當B組開關43在O時，本線路便在計數模式，而計數器34所計數的就只有V/F的CLOCK，此模式(MODE)下，A組開關42若設為1，則計數到上限值時，計數電路34會自動RESET，再重新計數，若A組開關42設為0，電路便不管上限設定值，一直作計數。在計數器34方面，將所計數的值依照掃描時基31的時序先后，將各位數輸出。此時，比較電路35也將上限及下限設定值依照掃描時基31的時序，與計數值作上限及下限比較，然后將比較結果送出。而顯示電路部分37，便依照掃描時基31的時序先后將各位數顯示出來。由于本電路所使用的電源在3.1V～4.7V之間的低電壓，而顯示部分亦是掃描的方法，去推動LED371作顯示，其顯示時所消耗的功率很小，又所計數的是電壓頻率轉換電路2的頻率，因此整個系統所顯示的值，與被測量的值，便完全一致。
茲將本電路之各部分可分為幾個小方塊作完整的說明如下(1)預除電路32此預除電路分兩個部分，個別作除頻的工作，一個部分是將電壓頻率轉換電路2所輸出的頻率作除頻，而所要除的頻率是由A組開關42作設定，而所設定的值就依照此值的對應的數值去除頻。另一個部分是將振蕩電路1的一個頻率拿來作為本線路的參考頻率，而這部分即是將參考頻率除頻，而所要除的值是由B組開關43作設定。而此設定開關有二個功能，一個是當開關設在0時，就成計數模式，此模式下，配合A組開關42能作自動重置(RESET)的功能及不作重置(RESET)的功能。如B組開關43不是設在0的位置，而是其它值，即為計頻模式，此模式是根據下列數學式子在運作顯示值＝V/F÷A×B÷RCKV/F為電壓轉頻率的輸出頻率A為此線路的A組開關B為此線路的B組開關RCK為此線路的參考頻率其動作原理如下所述本電路是由二個除頻線路所組成，首先輸入訊號，即電壓頻率轉換電路的輸出訊號，當B組開關43是在計數模式時，就將輸入訊號送給計數電路34計數，并經由除2電路33輸出給外界處理。輸入訊號再加以除頻，除頻之后的訊號送給一多工器作選擇輸出，而此選擇是經由設定A組開關42，此設定開關所設定的除頻值如下所示A值01234567除頻值1234561012
多工器的輸出訊號，其系作為參考頻率的被除數，另外多工器的輸出訊號亦作為當輸入訊號到達設定值的RESET之用，以便重新計數。
由振蕩電路1所送來的參考頻率RCK，經由除頻器作除頻后，送到另一個多工器作選擇輸出，該多工器系由B組開關43所控制，此B組開關43有二個功能可供選擇，一個是當B組開關43設為0時，便成為計數模式，此時，該B組開關43亦控制V/F的CLOCK，并且同時將RCK的除頻線路RESET，只作V/F的計數，另外當A組開關42設為1時，將計數器RESET重新計數，當A組開關42的設為0時的下限顯示開關，在此計數模式是作為RESET開關，當下限顯示開關為0時，便將計數器RESET，當下限顯示開關為1時，便沒有RESET，計數器34便一直在計數。當B組開關43不是設在0時，而是設在別的值就是在計頻模式下，而B組開關43所設定的除頻值如下所示除頻值計數功能121010020002000002000000B值01234567而RCK就根據B組開關43所設定的值作選擇，使多工器的輸出就是所要除的頻率。
多工器的輸出當RCK輸入的CLOCK，在到達設定值時，一方面將除頻器RESET，以便重新計頻，另一方面使計數值LACTH住，以便作為以后的輸出，由于V/F的訊號在此與RCK相除，因此，便得到下列的顯示值的數學式顯示值＝V/F÷A×B÷RCK顯示值便是依照此數學式作顯示。
(2)除2輸出電路33
此線路是將預除電路32的輸出頻率除以2再將其輸出，作為推動光耦合IC，將所測得的資料傳送給外界作處理。
(3)掃描時基電路31此電路是將振蕩電路1所輸出的一個頻率作為基準頻率，由此頻率產生四個周期T1～T4，每個T1周期再產生六個掃描顯示信號01～06，這些掃描時基是作為其他方塊的顯示，判斷或載入(Load)一個設定值等用途。
以下是這些時基的用途描述T1-掃描顯示切換及同步T2-上限及下限判斷期T3-在03周期時，當下限判斷結果的鎖住(Latch)用在06周期時，當上限判斷結果的鎖住(Latch)用T4-清除上下限判斷的結果01-第5.6位顯示及下限判斷02-第3.4位顯示及下限判斷03-第1.2位顯示及下限判斷04-第5.6位顯示及上限判斷05-第3.4位顯示及上限判斷06-第1.2位顯示及上限判斷(4)計數電路34本電路是將預除電路32所輸出的頻率拿出來計數再將計數結果送給比較電路35做判斷。本計數電路在計數完畢后，便將計數的資料Latch住，然后在RESET之后重新計數，不斷地循環，而Latch的值就依照掃描時基電路31所產生的時基，一次2位數由高位元到低位元依次輸出。
(5)設定電路36此電路是由使用者設定上限及下限的比較值，而此設定值是送到比較電路作為判斷上限及下限的值，在設定上、下限的值，可以按下限顯示鈕362或上限顯示鈕363，便會將上限設定值或下限設定值輸出到顯示電路37，將其值顯示出。
(6)比較電路35本電路用來將計數電路34傳送來的計數值與設定電路36所輸入的設定值作比較，比較的結果由三顆LED，Hi，Lo，OK作顯示或作為外界的線路的控制訊號，這個比較電路35的動作也是依照掃描時基電路31的周期在動作。
本電路將計數值與上限及下限設定值作比較，而比較的順序分別是在01周期時，將下限的5、6位數載入作比較，在02周期時，將下限的3、4位數載入比較，03周期為下限的1、2位數載入比較。而04～06則比較上限的設定值。當比較結果是大于上限設定值或是低于下限設定值時，在T3及03周期時，LoLED便發亮，或在T3及06周期時使HiLED發亮。否則，OKLED發亮。在T4周期時，便將上限及下限的比較結果消除，再重覆以上各周期的比較動作。
(7)顯示電路37本電路是用來顯示計數值或上下限的設定值，而顯示值依下列式子得來的顯示值＝V/F÷A×B÷RCK本顯示電路是以七段顯示器371作顯示，而顯示的方式是用掃描(SCAN)的方式，一次顯示2位數，由高位元到低位元的方式顯示，而這SCAN的周期是由掃描時基電路31所控制。
本電路是將計數模式下的計數值，或計頻模式下所測得的頻率值，或上限及下限設定值顯示出來。在上限或下限顯示開關362、363沒有被按下時，便依照計數電路34的輸出周期，分別將所計數的值顯示出來，否則便依照設定電路所描述的周期，分別將上限及下限的設定值顯示出來。
權利要求
1.一種計頻儀，其特征在于一振蕩電路，該電路是利用3.579545MHz的石英振蕩器(Crystal)振蕩出來的頻率為基準頻率，得到所需的頻率，作為電壓頻率轉換電路及計頻計數電路等之基準頻率；一電壓頻率轉換電路，該電路乃是將直流輸入電壓轉換成相對的頻率，利用對積分器以固定的電荷作充放電，而產生固定的充放電周期，而輸出固定的頻率；一計數計頻電路，該電路是在計算電壓頻率轉換電路所輸出的頻率，并顯示出來，本電路利用兩組開關作設定，以B組開關設定計數模式，或計頻模式，在計數模式下，再配合A組開關，可做自動重置(RESET)功能及不具此功能兩種選擇。在計頻模式，電壓頻率轉換電路的頻率V/F，便依照A組開關的設定除頻，振蕩電路的頻率RCK，便依照B組開關作除頻，然后將這兩個除頻后的值相除，便達成了顯示值=V/F÷A×B÷RCK的運算式而這相除后的值，經過除2電路輸出，同時給計數電路作計數，然后比較電路與上下限設定值作比較，將其結果顯出來，而這整個計數，上下限值的載入與比較及顯示等動作，都是依照掃描時基所產生的時序依次動作。
2.根據權利要求1所述之計頻儀，其特征在于，該中電壓頻率轉換電路的輸出頻率與輸入電壓具有以下的關系式fout＝fref× (Vin)/(Vref)由此式可知頻率輸出，不受線路中的電阻電容R.C.的影響;且由于D型正反器(D-FIFO)的接地點(GND)與積分器的接地點(GND)是同一點，而D型正反器(D-FIFO)的電源是經由齊納二極體所穩壓后的穩定電源，而且積分器的輸出接到數位IC上，所以充電與放電電荷會相等，因此可以得到穩定的充電周期與放電周期。
3.根據權利要求1所述之計頻儀，其特征在于，其中計數計頻電路由數位IC所組成而開發成一晶片，其系包括掃描時基電路、預除電路、除2電路、計數電路、比較電路、設定電路及顯示電路等，該計數計頻電路主要計算輸入訊號的CLOCK，經由運算式計算并將結果顯示，其顯示值顯示值＝V/F÷A×B÷RCK在這計數當中兼作比較等功能，可作外界的控制訊號使用，由于是計數電壓頻率轉換電路V/F所輸出的頻率，因此可顯示與輸入訊號沒有誤差的值。
全文摘要
一種計頻儀，包括一振蕩電路，該電路是利用3.579545MHz的石英振蕩器振蕩出來的頻率為基準頻率，得到所需的頻率，作為電壓頻率轉換電路及計頻計數電路等之基準頻率；一電壓頻率轉換電路，該電路是將直流輸入電壓轉換成相對的頻率，利用對積分器以固定的電荷作充放電，而產生固定的充放電周期，而輸出固定的頻率；一計數計頻電路，由數位IC所組成而開發成一晶片，包括掃描時基電路、預除電路、除2電路、計數電路、比較電路、設定電路及顯示電路等，該電路是在計算電壓頻率轉換電路所輸出的頻率并顯示出來。
文檔編號G01R23/02GK1096103SQ93106498
公開日1994年12月7日 申請日期1993年5月31日 優先權日1993年5月31日
發明者黃亮勛, 李政良 申請人:浩威自動化股份有限公司