2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競數(shù)字頻率計(F題)張佳鵬-宋巖-譚貽凱

1、2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽數(shù)字頻率計（F題）2015年8月15日數(shù)字頻率計（F題）東軟信息學(xué)院參賽隊員：佳鵬 宋巖譚貽凱摘要：本頻率計由0PA656和LM319運放芯片搭建放大和比較器電路，使SOmV-1 V的正弦波信 號放大整形成單片機能夠識別的TTL電平信號，并由STM32F407MCU為主控芯片，通過捕獲 信號的上升沿來對信號進行頻率統(tǒng)計，并通過中斷計數(shù)的方式對兩路經(jīng)放大后的方波的時間 間隔進行測量，統(tǒng)計結(jié)果通過OLED液晶屏進行顯示，并能通過I/O 口電平的輸入選擇頻率 測量和時間間隔的測量。關(guān)鍵詞：頻率時間間隔信號放大寬頻運算放大器高速比較器。數(shù)字頻率計（F題）I東軟信息學(xué)院參

2、賽隊員：佳鵬宋巖譚跆凱I摘要：I關(guān)鍵詞：I1系統(tǒng)方案31.1運算放大器的論證與選擇31.2正弦波測量方法的論證與選擇31.3提高儀器靈敏度的論證與選擇42系統(tǒng)原理分析42.1 0PA656運算放大器原理42.2 LM319比較器原理53電路與程序設(shè)計53. 1電路設(shè)計53. 1. 1系統(tǒng)設(shè)計63.2程序設(shè)計64測試方案和測試結(jié)果74. 1測試方法74.2測試結(jié)果84.3結(jié)果分析9參考文獻9附錄9數(shù)字頻率計（F題）【本科組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由電源模塊、運算放大模塊、比較器模塊、控制顯示模塊組成，下面 分別論證這幾個模塊的選擇。1.1運算放大器的論證與選擇方案一：LM358LM358是雙運算放

3、大器。部包括有兩個獨立的、高增益、部頻率補償?shù)碾p運算放大 器，適合于電源電壓圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條 件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用圍包括傳感放大黠、直流增益模塊和其他所 有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358最小識別電壓變化為2mV,運放寬度為lHzl. 1MHz,與本題的50m廠IV的 lHzlOMHz的信號不符，故不可用。方案二：LM319LM319是精密高速雙比較器，其工作在寬圍的電源電壓，甚至于到一個單一的5V電 壓。具有低輸入電流，高增益。輸出級的集電極開路使與TTL兼容以及能夠在電流達25mA 驅(qū)動燈，繼電器。雖然主要設(shè)計用于

4、需要數(shù)字邏輯電源操作的應(yīng)用，對電源到完全指定 的15V。它們的特點是比在高功耗的費用lmlll更快的響應(yīng)。然而，高速，寬工作電 壓圍和低包數(shù)，使更靈活。LM319最小識別電壓圍為2mV,運放寬度1Hz和25MHz,與本題的50mVlV的lHz10MHz 的信號相符，方案可用。方案三：0PA6560PA656結(jié)合有一個超寬頻帶、單位增益穩(wěn)定、電壓反饋運算放大器，此運算放大器 有一個FET輸入級以提供一個針對ADC （模數(shù)轉(zhuǎn)換器）緩沖和跨阻應(yīng)用的超高動態(tài)圍 放大器。極低的DC誤差在光學(xué)應(yīng)用中提供了很好的精度。高單位增益穩(wěn)定帶寬和 JFET輸入可在高速、低噪聲積分器中實現(xiàn)出色的性能。0PA656最小

5、識別電壓為土0. 25mV,運放寬度為lHz275MHz,與本題的50mV1V的 lHzlOMHz的信號相符，方案可用。為了提髙精度，因此0PA656更合適。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2正弦波測量方法的論證與選擇方案一：微控制器引腳輸入通過微控制器的輸入捕獲功能對正弦波的上升沿進行捕獲，通過定時器中斷，計算 出被測信號的頻率，并顯示。本項目采用的微控制器芯片為STM32F407,該芯片的最高頻 率為160MHz,芯片在性能上滿足項目的要求，但是由于STM32F407的I/O的識別電壓較 大，因而不滿足。方案二：信號峰值捕獲此方案的電路原理圖如圖所示大，而Al的輸出電壓等于Uin-Av,

6、所以Al的輸出電壓也足以使二極管導(dǎo)通，迫使運放A1處于跟 隨狀態(tài)，從而對輸入小信號的峰值進行檢測。通過控制模擬開關(guān)將復(fù)位脈沖輸入電路，達到將電容 C的電容放電以等待下一個波形的到來。在輸出端則輸出脈沖方波，但是由于本項目的測試信號為 lHzlOMHz,本電路不能對高頻率信號的處理，因此本方案不可用。方案三：放大采樣將輸入信號進行放大，將放大器的輸出信號輸入過零比較器，通過比較器的輸出接 入微控制器，微控制器通過輸入捕獲即可對輸入信號的測量綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3提高儀器靈敏度的論證與選擇方案一：采用雙電源供電用于本項目采用的是集成運算放大器芯片，為了提髙集成運算放大器的性能應(yīng)當(dāng)采

7、用雙電源供電的方式進行供電。方案二：繪制PCB電路板通過采用PCB電路板搭建電路可以提髙電路的抗干擾能力，但是由于比賽時間緊迫, 時間上來不及。綜合考慮釆用采用雙電源供電。2系統(tǒng)原理分析首先對輸入的信號進行放大40、50倍，而我們系統(tǒng)采用的運算放大器芯片信號為OPA656.供電 為雙5V供電，輸入信號為5OmVlV,通過運算放大器放大后會出現(xiàn)明顯的失真現(xiàn)象，信號的失真并 不能影響系統(tǒng)對它的捕獲，將失真的信號輸入到比較器中，在輸出端將會獲得脈沖信號，通過微控 制器即可獲取輸入信號的頻率信息。2. 1 0PA656運算放大器原理OPA656為高速集成運算放大器，本系統(tǒng)采用同相放大的方法對信號進行放

8、大。本系統(tǒng)將信號放R大倍數(shù)為 45 倍，放大倍數(shù) Au二 1 + _丄二45,其中 R產(chǎn)51R, R. =2295R2. 2K. R. = R./Rf = 49.9& 1 2 1 fFIR2.2 LM319比較器原理LM319為高速比較器，通過LM319搭建通用比較器。3電路與程序設(shè)計3.1電路設(shè)計45VTUM319比沛電幽3.1.1系統(tǒng)設(shè)計給定的信號為幅度50mV-lV的正弦波信號，由于微控制器的輸入捕獲變化電平大于2. 0V的班變 才能夠被檢測到，因此需要對輸入的信號進行放大和變形，以便于微控制器芯片的識別。系統(tǒng)的整體流程為：圖4單片機能夠識別的電平最小為1.7V,而且無法直接測量正弦波的

9、頻率，所以需要把50Mv-lV的 正弦波信號放大整形成TTL電平。3.2程序設(shè)計題目中需要對高頻信號進行頻率測量，所以控制芯片的主頻不能低于被測信號的頻率，經(jīng)過分 析論證，最后決定使用STM32F407ZET6單片機作為主控芯片，該單片機主頻最高為160MHz,能夠完 成測頻任務(wù)。系統(tǒng)程序流程圖為：初始化iT龍時器計頻系統(tǒng)初始化所有外設(shè)后會檢測PE5端口的輸入電平，如果為高電平，則進入頻率測量模式，反 之，則進入時間間隔測量模式。在測頻模式下，首先進行中斷測頻，如果測得頻率大于10000Hz,則進入定時器計數(shù)測頻。中 斷測頻在低頻階段測量精度高，但是在高頻信號下容易丟失一些信號，導(dǎo)致精度降低，

10、所以在高頻 階段使用定時器計數(shù)測頻方式，能獲得較大的精確度。在測量時間間隔模式下，會利用中斷和定時器進行測量，當(dāng)檢測到第一路方波的上升沿時，開 啟中斷，在中斷中開啟定時器計數(shù)，當(dāng)檢測到第二路方波時，開啟第二個中斷，在中斷中關(guān)閉定時 器并讀取計數(shù)的值，用次數(shù)值除以定時器速度，就是兩路方波的時間的間隔了。4測試方案和測試結(jié)果為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，對系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分進行了實際的測試。4. 1測試方法測試方法連接如圖所示示波器函數(shù)發(fā)生器圖6函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，示波器測試端和測試系統(tǒng)的輸入端并聯(lián)，用來檢測函數(shù)波形的 正確性，檢測結(jié)果通過OLED顯示出來。4.2測試結(jié)果頻率測量測試結(jié)果

11、1Hz100Hz1000Hz10000Hz100000Hz1000000Hz2000000Hz5000000Hz50MV11001000999999998299989619987844986558100MV11001000999699999899975319995624985268500MV11001000999899992699965819975854836998IV11001000999999997999985419986854869552誤差00()0. 060. 740. 03420. 122.61時間間隔測試結(jié)果100100010000100000100000050111111100

12、1()109XX1050050504643465011001009593891004. 3結(jié)果分析從測試結(jié)果中可以看出，本系統(tǒng)已經(jīng)基本滿足了題目的要求，但是在高頻電路頻率測量時會出 現(xiàn)較大的誤差，而在測量時間間隔的時候，測試結(jié)果也是如此，在頻率較高的時候，測量結(jié)果會出 現(xiàn)較大的誤差。產(chǎn)生誤差的原因可能是：1. 信號幅值較小，對測量產(chǎn)生了影響。2. 運算放大電路出現(xiàn)了失真。參考文獻1 高吉祥全國大學(xué)生電子色劑競賽培訓(xùn)系列教程電子工業(yè)2007年2 勇模擬電子技術(shù)員設(shè)計.仿真與制作電子工業(yè) 2012年【3】 永真等全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽硬件電路設(shè)計精解電子工業(yè) 2009年4 康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五

13、版）高等教育 2006年附錄主函數(shù)代碼： int main(void) float next；float next2；long int nextl；u32 timeO；char ss50；Bsp Init()；delay init(168):/初始化延時函數(shù)EXTIX_Init()；開外部中斷后定時器中斷不能用OLED JnitO；OLED P6x8Str(l J/2222n)；OLED P6x8Str (110,3, ,rHzw)；OLED P6x8Str (110,5, Hinsw)；while(l)uint8 t i；u32 ii；/if(PEin(5)=l)if (countDIER&

14、=OXOOOO；/失能定時眾1的所有中斷/ GPIO_ResetBits(GPIOE,(GPIO.Pin 0 GPIO Pin l|GPI0_Pin 2|GPIO_Pin 3)； /可以通過觀察LED 口高電平時間TimeFlag=0；/定時器1溢出標(biāo)志置0next = (65536*60000)/n Counter；LCD writeNumber(093next)if(nextl900000)Delay (200000:elseDelayaoooor count H nextrTIM cmd(TIM2mNABLErTIM cmd(TIM3ENABLE:TIM cmd(TIM4ENABLE:R

15、CC APB2periphcockcmd(RCC APB2Periph SYSCFPENABLE)浴然 SYSCFG 卑零delayms(500)；timeO = time、60“LCD WritelNumber(l5rimeo)；sVin十5/懸空10U2Ta51R t；-.l卜g數(shù)電部分U1寸LCL500R 訂 FXTLM318寸g2 2KU :ILJLLM318ZLVoutVOOA*.122 A bad -fe05 Ji gpTH .?. JibolusESA*2、*t-a.12I化 zTI-a1:;-.-.I;l.N；XlQAIIA殺洽毅盟OAnAgSSARSAsi aoQOQOaac

16、laclhhk.K.sa、R 一Q.XGW5sd ccryluxad 25wunadLVXKWIad2YXCU二 ad Gurxcusad 3Q.92-Q- nT3KEadHipxc 13r亠 0- -Hx 3XA J 7-ed 3aEolQS-wfc 占-qGO-zod vs.3.v【Euwub -E-Irfs 2 5UXC aKEed Eod BxEod .UXK8a2VKWE 2 Efo工於 2-oso2-yp Qoo】俟uteKfocY 磴S.S BaYr.* 居乂udxjv 9d二a .SK-S 二 ro*Q-r【UJ八 23xEMa2 y3_ 5103-SIHSKrH啓i7:%ux

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