一种频率检测电路的仿真研究及应用

胡淼

摘要：介绍了一种基于反相器、二极管和阻容器件构成的频率检测电路，电路具有结构简单、配置灵活、可靠性高及低成本等特点。本文主要从电路的拓扑结构、仿真计算和工程应用实例等方面对该电路进行具体的说明。

关键词：频率检测电路;仿真计算;工程应用

中图分类号：TM77   文献标识码：A   文章编号：1672-9129（2020）11-0084-02

1 频率检测电路原理

1.1电路拓扑结构。本文介绍的频率检测电路主要由反相器、二极管及基本阻容器件构成，电路结构简单，通过阻容的配置，可灵活的适用于不同频率的信号检测。由于该电路仅由反相器、二极管和阻容器件组成，所以电路具有高可靠性和低成本的特点。频率检测电路的拓扑结构如下图1。

1.2原理分析。在图1的电路中，电阻R1和C1构成低通滤波电路，该部分电路可以滤除高频干扰。在输入端输入特定频率（根據需求而定）的方波信号，通过配置电阻R2-R7和电容C2-C4的阻容大小，可以在输出端产生高电平。当输入端的输入信号超出特定频率范围时，输出低电平。

当输入信号IN为高电平，VCC经电阻R4和R5对电容C2进行充电，如果输入信号为高电平的时间足够长，那么电容C2两端电压会慢慢变高，直至满足逻辑高电平的电压值，此时由于反相器D1E的存在，D1E的输出端为低电平，电容C4开始放电;输入信号IN为低电平时，则D1A的输出为高电平，VCC经电阻R2和R3对电容C2进行充电，此时D1B输出为低电平。如果输入信号IN为低电平的时间够长，则电容C2两端电压会慢慢变高，直至满足逻辑高电平的电压值，此时D1B的输出为低电平，电容C4开始放电。通过调整电阻R2-R5以及电容C2-C4的阻容大小，使得C2和C3两端的充电速度不大于放电速度，且电容充电后的电压不超过逻辑高电平的最低门槛电压，那么D1C的最终输出为低电平， D1D的最终输出为高电平。可以通过0欧电阻R8或R9配置频率输入和控制输出之间的正反逻辑关系。

2 频率检测电路仿真分析

2.1仿真模型。基于仿真软件Multisim建立本电路的仿真模型，如下图：

仿真电路的参数中，电阻R1选择1K，R2、R4、R6选择100K，R3、R5、R7选择470Ω，C1-C4选择1μF。

2.2仿真结果。通过仿真结果可知，频率检测电路可以识别的输入信号的频率范围为20HZ-298HZ。即当输入信号的频率低于19HZ或者高于299HZ时，输出信号为低电平。当输入信号的频率介于19HZ和297HZ之间时，输出信号为高电平。

考虑到电容的充放电时间，根据阻容参数的不同，输入信号到输出信号之间有一定的时间延迟。从图4可以看出，当输入为20HZ时，输出相比于输入约有大约1个输入方波周期的延迟，即当输入信号频率为20HZ时，电路从给定输入信号到建立动态平衡的时间为1个输入信号的周期。当输入信号消退时，输出相比于输入会滞后约半个输入信号的周期，这个时间主要是电容C2和C4的放电时间。

从图4可以看出，当输入为298HZ时，输出相对于输入信号有14个周期的延时，即输入频率提高到298HZ后，从给定输入信号到建立动态平衡的输出过程，需要的时间为14个输入信号的周期。当输入信号消退时，输出相比于输入会滞后约半个输入信号的周期，这个时间主要是电容C2和C4的放电时间。

综合上述的仿真结果可以看出：当输入信号频率为20HZ时，建立动态平衡的时间约为单个周期的时间：0.05s。当输入信号频率为298HZ时，建立动态平衡的时间约为14个周期的时间：14*0.0034≈0.047s。进一步的改变输入信号的频率发现，从给定输入到稳态输出的延迟时间只与电阻R2-R7和电容C2-C4有关，不会随输入信号的频率变化而改变。

3 应用实例

3.1电源休眠控制。当系统具备多种电源供电，比如控制电源和执行机构电源，往往执行机构的动作频率比较低，而且功耗远大于控制设备。为了降低系统能耗，一方面要求对功耗大且动作频率小的电路进行休眠控制，另一方面又要求休眠控制具有较强的抗干扰能力，防止正常工作时因外部干扰产生的休眠误动作。

如下图5所示，当系统主控制器检测到休眠指令时，通过主控芯片发送两路特定频率的方波信号，经过频率检测电路和逻辑与后，最终控制电源1到电源N，使这部分电路进入休眠状态。本休眠控制电路中，CPU接到休眠控制指令后发出事先约定好的特定频率方波，频率检测电路只能识别该频段的方波，而无法识别该频段之外的信号，在实现系统休眠控制的同时，可以有效的避免因外界干扰而误动作，极大的提高系统的可靠性。

3.2紧急制动控制。轨道交通车辆紧急制动作为车辆安全制动的最后环节，对紧急制动控制环路的可靠性和抗干扰能力有非常严厉的要求。当接收到紧急制动指令时，控制器会给出一个特定频率的方波信号，该信号被频率检测电路识别后控制紧急环路中的执行机构，确保紧急环路断开，紧急制动施加。

4 结语

本文介绍的频率检测电路具备结构简单、配置灵活、可靠性高、抗干扰能力强、成本低廉等多种优点，可以广泛的用于工业控制中对关键信号的识别和处理。在应用的过程中，要重点关注电路的输出和输入之间的信号延时，结合项目的需求合理的选择电阻和电容的参数，确保频率检测的范围和信号延迟的时间均满足系统需求。

参考文献：

[1]胡毓聪.可重用全数字频率检测电路的设计与实现[J].中国集成电路，2020，29（Z1）：51-55.

[2]陈文艺，荣幸，杨辉.基于FPGA的实时载波频率检测电路设计[J].现代电子技术，2020，43（04）：25-28+33.