智能儀器頻率儀

1、1前言本次設(shè)計是以STC12C5A3252單片機為控制核心的頻率及相位測試儀。本次設(shè)計可完成對信號頻率的頻率測量和相位差測量。要求測量頻率的范圍為20Hz到20KHz，相位的范圍為0°到360°?？赏ㄟ^按鍵實現(xiàn)測頻或測相，用LED數(shù)碼管直接顯示讀數(shù)，顯示清晰直觀。誤差小，穩(wěn)定性高。2總體方案設(shè)計2.1.1 方案一。整形電路STC12C5A3252整形電路移相電路待測信號2待測信號1輸入信號鍵盤控制切換LED顯示圖2.1 方案一方框圖方案二的結(jié)構(gòu)框圖如下圖2.2所示。整形電路整形電路FPGAAT89C51LED顯示AB待測信號1待測信號2圖2.2 方案二方框圖本設(shè)計要完成信號

2、頻率的測量和相位差的測量。設(shè)計中有兩路輸入信號，也是被測量信號，它們是兩個頻率相同的正弦信號，頻率范圍為20Hz到20KHz，幅度為1到5V（可以擴展到（0.3到5V），但兩者幅度不一定相等。 令正弦信號為，式中：稱為幅值（最大值），且=,稱為有效值；稱為相位，稱為初相位，稱為角頻率。、稱為正弦量的三要素。 方案項目方案一方案二芯片部分 741741整形部分LM324LM339信號轉(zhuǎn)換部分74HC08FPGA適配板單片機部分STC12C5A3252AT89C51顯示部分LEDLED 只有兩個同頻率的（正弦）信號才有相位差的概念。不妨令兩個同頻率的正弦信號為 則相位差，由此可看出，相位差在數(shù)值上

3、等于初相位之差，是一個角度。不妨令,式中是相位差對應(yīng)的時間差，且令為周期信號，則有比例關(guān)系:360°=:,可以推導(dǎo)得到=360° 此式說明，相位差與 一一對應(yīng)，可以通過測量時間差及周期信號的測量，也就是時間的測量，而時間的測量則要用到電子計數(shù)器。信號頻率的測量可以采用直接測頻率的方法和周期測頻率的方法。一般信號頻率較高時，采用直接測頻率法，而信號頻率較低時，采用測周期的方法。用直接測頻率的方法獲得信號頻率即是讓定時器/計數(shù)器T1對外部事件計數(shù)，而讓定時器/計數(shù)器T1定時1s，只有在這1s內(nèi)T1啟動對外部事件（即信號I）計數(shù)，則T1的計數(shù)值就是待測信號的頻率。用測周期的方法獲

4、得信號頻率即是對I進行2分頻后的波形中，高電平的寬度正好對應(yīng)I的周期，我們將此高電平信號作為單片機內(nèi)部定時器的硬件啟動/停止信號，便可測得周期T,由公式,得頻率。方案一工作原理：兩路待測信號經(jīng)整形后變成了矩形波信號1和2，1和2是同頻率，不同相位的矩形波。（1）頻率的測量：STC對信號頻率的測量可以采用直接測量法和測周期法。一般信號頻率較高時采用直接測量法，而信號頻率較低時用測周期法。本設(shè)計我組采用測周期法。由圖2.1.2可知，將輸入信號送入單片機再對高電平進行掃描，記錄在1s內(nèi)高電平出現(xiàn)的次數(shù)N，則N就是測得的頻率。信號圖2.3輸入信號圖（2）相位差的測量我組用一個與門將兩輸入的待測信號比較

5、后疊加，而輸出的波形中，正脈沖寬度就是要測量的待測1和待測2相位差所對應(yīng)的時間差t，跟據(jù)公式可得相位值。如圖2.4所示。信號1信號2與門輸 出圖2.4相位比較圖方案一工作原理：讓FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，即待測信號的頻率f、兩路輸入信號的相位差所對應(yīng)的時間差t分別轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)，供STC單片機讀取使用。STC從FPGA獲取數(shù)據(jù)并經(jīng)過CPU計算、轉(zhuǎn)換等有關(guān)處理后，得到信號的頻率和相位差并送LED數(shù)碼管顯示。待測信號1、待測信號2經(jīng)整形電路處理后，變?yōu)榫匦尾?，不妨令其為A、B，可以認為A、B為兩個同頻率的有相位差的矩形波。FPGA通過對整形后的信號A、B的處理，要獲得二進制數(shù)形式表示的信號頻率以及

6、相位差對應(yīng)的時間差。（1）頻率的測量。對頻率的測量采用測周期的方法，即在信號周期T時間內(nèi)，對時標信號進行計數(shù)。設(shè)時標信號的頻率為f，時標信號周期為T，對信號A二分頻都得信號高平寬度就是信號周期T，此高電平寬度作為閘門的控制信號，控制計數(shù)器在T時間內(nèi)對f進行計數(shù)，則有N/F=T，被測信號的頻率為:f=1/T=f/N上式中N計數(shù)器的計數(shù)值，當f一定時，它的大小表示信號頻率的大小。（2）相位差對應(yīng)的時間差T的測量。對相位差的測量跟頻率測量的方法類似，不過閘門控制信號為AB的高電平寬度，則有:N/f=T（3）f的確定及其FPGA的二進制數(shù)據(jù)位數(shù)的確定。因為相位差測量的絕對誤差 ，而FPGA在測量T時有

7、一個字的誤差，對待測信號頻率f=20kHz而言，下式成立：=：50us則有 即比較方案一和方案二可以看出：（1）方案一比方案二更加可靠；（2）使用到的元器件也都是我們所常用到的一些元件，如：74HC138譯碼器，74HC573鎖存器，按鍵等；（3）從操作和可行性上說方案一思路清晰；（4）雖然方案一略顯復(fù)雜一些，但由于本次設(shè)計是第一次將單片機運用于實際的電路設(shè)計中，且尚未學過EDA，用FPGA設(shè)計有一定困難。綜上所述，并且考慮系統(tǒng)的方案可行性和成本等各種因素，本設(shè)計采用方案一作為最終的方案。3單元模塊設(shè)計各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計3.1.1 移相整形電路模塊圖3.1 移相整形電路模塊電路圖這一

8、模塊，由741和運算放大器LM324組成。輸入正弦波通過741發(fā)生移相，使得相位滯后原初始信號，原來的正弦信號和發(fā)生移相后的信號分別經(jīng)過LM324放大整形成矩形波形式，再將整形后的信號引入單片機的計數(shù)引腳，原正弦波接至T0，移相信號接至T1和INT1。原正弦波通過計算T0在1S內(nèi)計數(shù)信號發(fā)生負跳變的次數(shù)，得到其頻率。T的確定，由單片機產(chǎn)生高頻率的時鐘信號，,對輸入信號進行掃描，即與輸入信號進行邏輯與運算。 輸入信號為低電平時，沒有時鐘脈沖輸出；為高電平時輸出時鐘信號，對其進行記數(shù)，假設(shè)為N，就可以計算出脈寬，為 N*T1，即T=N*T1。將參考信號整形為方波信號，并以此信號為基準，延時產(chǎn)生另一

9、個同頻的方波信號，再通過波形變換電路將方波信號還原成正弦波信號。以延時的長短來決定兩信號間的相位值。這種處理方式的實質(zhì)是將延時的時間映射為信號間的相位值。相位的測量則是通過將原正弦信號和移相后的信號分別經(jīng)過整形后相與，由 GATE門和INT1控制T1，通過定時對外部信號高電平進行計時，從而測得相與后的高電平持續(xù)時間。再通過之前測得頻率的倒數(shù)除以2得到它們時間差t，由:360°=:,算出即為相位滯后角3.1.2顯示模塊這一部分由2個8位數(shù)據(jù)鎖存器74HC573、ULN2803以及8位LED數(shù)碼顯示管組成，ULN2803在電路中能起到大電流輸出和高壓輸出作用，專門用來驅(qū)動繼電器的芯片。當

10、LE2為高電平，即時，LED位鎖存器工作，當時序由高電平變?yōu)榈碗娖綍r即發(fā)生負跳變時，將位選信號鎖存，再經(jīng)過ULN2803進行位選。當LE1為高電平，即時，數(shù)據(jù)通過P0口，當時序由高電平變?yōu)榈碗娖綍r即發(fā)生負跳變時，經(jīng)74HC573鎖存，LED段鎖存器工作，再經(jīng)過延時，就能夠?qū)⑽覀兯@示的頻率或相位按照我們的要求顯示出了。鎖存器74HC573(a)。(a)(b)。（b）圖3.2 顯示模塊電路圖片選模塊片選模塊電路見圖3.3。圖3.3片選模塊電路圖這一模塊由3-8線譯碼器74HC138和四2輸入或非門74HC02組成。通過74HC138譯碼器，將A,B,C3路信號譯碼，,所得信號CS3,CS4與信

11、號相或非來控制鎖存器的工作情況，,。3.1.4電源輸入模塊電源模塊電路見圖3.4。圖3.4 電源輸入模塊電路圖 這部分電路由USB連接器，電源輸入組成，為系統(tǒng)提供可靠穩(wěn)定的電源。顯示部分（見圖），因為本組所測頻率范圍為20Hz到20KHz，共需5個八位LED數(shù)碼顯示管，所以選用了兩組4個的LED顯示管。在移相整形部分（見圖3.1），R3 、R5、 R13 、R14、 R18采用10K電阻，R4用100電阻，R7 、R16用510電阻，R8、R10用30K電阻，C1用0.2u電容。在片選部分（見圖）選用74HC138作譯碼器，選用74HC02對輸出信號進行或非處理產(chǎn)生片選信號。所示。類別型號封裝

12、個數(shù)電阻100RES314510RES3810KRES35排阻SIP9210K電位器W2230KRES35二極管1N4148DIODE23三極管9014TO-924901890134IC74HC02DIP14374HC138DIP16174HC573DIP202ULN2803DIP181STC12C5A16S2DIP40174136DIP1417408DIP141741DIP081LM324ADIP142電容RB1230pFRAD1522uF/16VRB12極性電容RB11晶振CY11繼電器JDQ-T71T711顯示器4LED-SM4205644按鍵KEY43USB連接器J5USB扁頭1電源輸

13、入J41程序下載口CON3 SIP61電源模塊 KEY3KEY31特殊器件的介紹.1 74HC573的介紹74HC573為八進制3態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器 ，是高性能硅門 CMOS器件。器件的輸入是和標準CMOS輸出兼容的；加上拉電阻，他們能和 LS/ALSTTL輸出兼容。當鎖存使能端為高時，這些器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的（即輸出同步）。當鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數(shù)據(jù)會被鎖存。其特點有：（1）輸出能直接接到CMOS，NMOS和 TTL接口上 ；（2）操作電壓范圍：2.0V6.0V （3）低輸入電流：1.0uA （4）CMOS器件的高噪聲抵抗特性 其引腳圖如圖3.5。圖3.5 74HC

14、573引腳圖 其功能表：見表3.2。表3.2 74HC573功能表X:任意變量 Z:高阻抗 額定功率的下降PDIP：10mW/ ，65125 SOIC：7 mW/ ，65125 74HC573參數(shù)最大值范圍見表3.3。表3.3 74HC573參數(shù)最大值范圍表74HC573推薦操作條件見表3.4。表3.4 74HC573推薦操作條件表這個器件帶有保護電路，以免被高的靜態(tài)電壓或電場損壞。然而，對于高阻抗電路，必須要采取預(yù)防以免工作在任何高于最大值范圍的條件下工作。VIN和VOUT應(yīng)該被約束在GND（VIN或VOUT）VCC。 .2 RS232的介紹RS232是由電子工業(yè)協(xié)會(EIA) 所制定的異步

15、傳輸標準接口。通常 RS-232 接口以9個引腳 (DB-9) 或是25個引腳 (DB-25) 的型態(tài)出現(xiàn)，一般個人計算機上會有兩組 RS-232 接口，分別稱為 COM1 和 COM2。其電氣特性： EIA-RS-232 對電器特性、邏輯電平和各種信號線的功能都作了規(guī)定。 (1)在TxD和RxD上： (2)邏輯1(MARK)=-3V-15V (3)邏輯0(SPACE)=+3+15V (4)在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上： (5)信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）+3V+15V (6)信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓)=-3V-15V各單元模塊的聯(lián)接各個單元模塊連接的具體

16、關(guān)系參見附錄1。4 軟件設(shè)計軟件設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)軟件設(shè)計總體結(jié)構(gòu)如圖。主程序鍵盤掃描數(shù)據(jù)處理頻率及相位顯示圖4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計總體結(jié)構(gòu)圖主要模塊的設(shè)計流程框圖程序流程如圖。·初始化判斷有鍵鍵盤掃描Y處理按鍵的鍵值顯示測相測頻鍵值N0XFEH0XFDH圖程序流程方框圖數(shù)據(jù)處理模塊流程圖見圖。 顯示部分模塊流程圖見圖。判斷鍵值0XFE0XFD初始化T0,開啟TR0,EA調(diào)用延時函數(shù)延時一秒關(guān)閉TR0提取出TH0, TL0 返回主程序初始化T1，開啟TR1INT1=1時T1開始工作INT1=0時，TR1=0提取出TL1數(shù)據(jù)處理程序開始根據(jù)所得數(shù)值查表找到相應(yīng)段碼調(diào)用延時函數(shù)送入位碼調(diào)用

17、延時函數(shù)返回主程序顯示程序開始 圖數(shù)據(jù)處理部分方框圖 圖顯示部分方框圖5 系統(tǒng)調(diào)試5.1 Proteus軟件仿真5.1.1 Proteus仿真總圖Proteus仿真結(jié)果總圖見附錄2 5.1.2 Proteus仿真的元件參數(shù)Proteus仿真元件參數(shù)見表5.1所示。表5.1 Protues仿真元件參數(shù)表元件編號元件型號元件編號元件型號電阻R1510電阻R18100電阻R210K電阻R1930K電阻R310K電阻R2030K電阻R4100排阻RP11K電阻R5510排阻RP21K電阻R610K無極性電容C1電阻R710KU1AT89C52電阻R8100U2:ALM324電阻R9510U2:BLM3

18、24電阻R10510U3:A74HC02電阻R11100U3:B74HC02電阻R12100U474HC573電阻R13100U5ULN2803電阻R14100U674HC573電阻R15100U774HC138電阻R16100U8741電阻R17100U974085.1.3 Proteus仿真的具體操作軟件仿真是設(shè)計的一個重要部分，一般來說，如果能夠在軟件仿真獲得成功，下一步的硬件調(diào)試就不會出多大的問題。我們運用的軟件仿真平臺式Proteus的ISIS仿真工具。首先按硬件調(diào)試平臺或者是根據(jù)設(shè)計的原理圖繪制出仿真的原理總圖，然后根據(jù)需要一部分一部分的進行調(diào)試。在進行軟件調(diào)試的時候，特別是對移相

19、及整形電路進行調(diào)試的時候，為了看它的時序是否符合技術(shù)資料上的時序要求，最好單步進行調(diào)試。這里提供了一個比較好的解決方案。通過KEIL C和Proteus 7.5（及以上版本），可以通過驅(qū)動讓Proteus和KEIL C聯(lián)合調(diào)試，并通過ISIS的數(shù)字示波器實時監(jiān)視單總線的時序。連接圖如圖5.1所示。圖5.1 頻率及相位測試儀部分的仿真連接圖6系統(tǒng)功能指標參數(shù)本系統(tǒng)可完成對信號頻率的頻率測量和相位差測量?？蓪崿F(xiàn)測量頻率的范圍為20Hz到20KHz，相位的范圍為0°到360°。可通過按鍵實現(xiàn)測頻或測相，用LED數(shù)碼管直接顯示讀數(shù)，顯示清晰直觀。通過與現(xiàn)實溫度的對比，可以粗略的測得

20、該設(shè)計的準確度，從而對比該設(shè)計的指標。我們用標準的溫度計對一杯溫水的溫度進行測量，并且將測量結(jié)果同本系統(tǒng)所測得結(jié)果作對比，得出如表6.1所示的結(jié)果。6.2系統(tǒng)指標參數(shù)測試通過與現(xiàn)實頻率相位的對比，可以粗略的測得該設(shè)計的準確度，從而對比該設(shè)計的指標。我們用標準的頻率相位計對一信號的頻率相位進行測量，并且將測量結(jié)果同本系統(tǒng)所測得結(jié)果作對比，得出如表6.1所示的結(jié)果。6.1 系統(tǒng)性能參數(shù)測試表頻率相位計測得頻率（HZ）頻率相位計測得相位(°)系統(tǒng)測得頻率（HZ）系統(tǒng)測得相位(°)頻率相位計測得頻率（HZ）頻率相位計測得相位(°)系統(tǒng)測得頻率（HZ）系統(tǒng)測得相位(

21、6;)1001731011771600279160628020019919920521002912102295500233499234270031026883111000256100126233003393295343從表6.1可得，本設(shè)計能夠比較準確的測量溫度相位，并且能夠?qū)崟r顯示其值，靈敏度較高。7 結(jié)論本次設(shè)計中遇到很多平常不常注意的和遇到的問題，知識面和實踐上都有一些問題，在本次設(shè)計中充分感到了時間的緊迫和創(chuàng)新的快樂。理論上大膽假設(shè)，實踐上小心求證。本組同學齊心協(xié)力在四周時間里完成了設(shè)計。本設(shè)計的數(shù)字測頻測相儀具有原理簡單、易于編程的特點。使用單片機的定時器與計數(shù)器實現(xiàn)頻率的等精度測量

22、是本次設(shè)計的亮點，但由于時間與技術(shù)上的問題，本次設(shè)計還有諸多問題。但總的來講本次設(shè)計是成功的。8 總結(jié)與體會經(jīng)過幾個星期的努力，在本組同學的齊心合作下使得本設(shè)計順利完成，通過這次課程設(shè)計，使自己的知識水平有了顯著的提高，并學會了如何將自己所學的運用于實踐之中，本系統(tǒng)所涉及的東西幾乎涵蓋了大學所學的各個方面的知識，如電子技術(shù)、電路原理、程序設(shè)計基礎(chǔ)、檢測與轉(zhuǎn)換、單片機等，可以說，沒有大學前三年的系統(tǒng)學習本設(shè)計幾乎是不可能完成的，盡管下半年就將畢業(yè)，但是學習卻是終身受益的事情，只有不斷學習才能不斷進步，只有不斷的將所學運用于實踐，才能檢驗出所學是否正確，自己是否真的掌握。本系統(tǒng)還有很多有待提高之處

23、，這需要在以后的學習中完善自己的知識不斷補充。在本次課程計完成之際，首先要感謝我組的指導(dǎo)老師，從課題選擇到具體的設(shè)計過程，無不凝聚著老師的心血和汗水，設(shè)計期間，老師為我們提供了種種專業(yè)知識上的指導(dǎo)和一些富于創(chuàng)造性的建議，沒有這樣的幫助和關(guān)懷，我們不會這么順利的完成這次設(shè)計。在此向老師表示深深的感謝和崇高的敬意。其次，設(shè)計的順利完成，也離不開其它各位老師、同學和朋友的關(guān)心和幫助。在整個的課程設(shè)計中，各位老師、同學和朋友積極的幫助和意見，在他們的幫助下，課程設(shè)計得以不斷的完善，最終完成。通過這次課程設(shè)計，我們學會了把書本上的理論知識如何運用到實踐中，在以后的生活學習中，我們也將不斷努力、創(chuàng)新。9

24、參考文獻1 M.2 譚浩強.C程序設(shè)計（第三版）M.3 M.4 M.5 ·實驗·測試（第三版）M.6 M.7 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）M.北京：高等教育出版社，20058 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分（第五版）M.9 歐偉明電子信息系統(tǒng)設(shè)計 M. 西安：西安電子科技大學出版社，2005.9附錄1：系統(tǒng)的電路原理圖·附錄2：PCB圖附錄3：程序代碼/*頭文件定義*/#ifndef _HEAD_H_#define _HEAD_H_#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulo

25、ng unsigned long #define Data P0 /數(shù)據(jù)口#define Addr P0 /地址口uchar ksp2=0xfe,0xfd;sbit Write=P36; /寫信號低電平有效sbit A1=P25; /低位sbit B2=P26; /中位sbit C3=P27; /高位uchar led=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F;/7SEG-CCuchar address=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80;uchar button;ulong time0;ul

26、ong freq=0;uchar frequ8;#endif/*頭文件函數(shù)庫*/ #ifndef _FUNCTION_H_#define _FUNCTION_H_void delay() /* 延時函數(shù)*/ unsigned int i; for(i=0;i<10;i+); void delay1() unsigned int i; for(i=0;i<2000;i+); void delay_1ms(uchar t) /延時 ms級 uchar i,j;while(t)t-;for(i=0;i<10;i+)for(j=0;j<100;j+);/*顯示函數(shù)，先將段碼通過

27、P0口送出經(jīng)74HC573鎖存，再將位碼通過P0口輸出經(jīng)74HC573，ULN2803輸出位碼*/display(uchar temp,uchar i) Write=0; /寫壯態(tài) Data=ledtemp; /送入數(shù)據(jù) C3=1; /打開數(shù)據(jù)鎖存器 delay(); C3=0; Addr=addressi; A1=1; B2=1; delay1(); Addr=0x00; A1=0; B2=0; void jisuan(ulong database) /對所得數(shù)據(jù)信號（頻率或者相位）進行處理 frequ0=database/10000000;frequ1=database/1000000-f

28、requ0*10;frequ2=database/100000-frequ0*100-frequ1*10;frequ3=database/10000-frequ0*1000-frequ1*100-frequ2*10;frequ4=database/1000-frequ0*10000-frequ1*1000-frequ2*100-frequ3*10;frequ5=database/100-frequ0*100000-frequ1*10000-frequ2*1000-frequ3*100-frequ4*10; frequ6=database/10-frequ0*1000000-frequ1*100000-frequ2*10000-frequ3*1000-frequ4*100-frequ5*10;frequ7=database-frequ0*10000000-frequ1*1000000-frequ2*100000-frequ3*10000-frequ4*1000-frequ5*100-frequ6*10;/*鍵盤掃描程序，通過向P1口輸出0Xff，通過判斷P1口的信號是