基于stm32的低頻數(shù)字相位測(cè)量?jī)x畢業(yè)論文

1、授課學(xué)期 2014 學(xué)年至 2015 學(xué)年 第 一 學(xué)期學(xué)院 電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué)號(hào) 8 2 7 4 4 羅春華 何振華 智靈 吳詩(shī)鳳 凌瓊娜 任課教師 興盛 交稿日期 2014/11/7成績(jī) 閱讀教師簽名 日 期 師大學(xué)學(xué)工部（處）制基于stm32的低頻相位測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)提出了一種基于stm32f103rbt6單片機(jī)開(kāi)發(fā)的低頻數(shù)字相位測(cè)量?jī)x的方案。主要包括相位測(cè)量模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示模塊的設(shè)計(jì)?？梢詫?duì)低頻率圍的信號(hào)進(jìn)行相位等參數(shù)的精確測(cè)量，測(cè)相絕對(duì)誤差不大于4°。相位測(cè)量模塊采用對(duì)輸入的兩路信號(hào)（同頻率、不同相位）通過(guò)比較器整形、鑒相器異或之后得到的

2、相位差，輸入到單片機(jī)的中斷口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理；采用LCD1602顯示被測(cè)信號(hào)的相位差。硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件采用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，程序簡(jiǎn)單可讀寫(xiě)性強(qiáng)、效率高。與傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)相比，其有處理速度快、穩(wěn)定性高、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞 相位差 單片機(jī) 低頻 誤差23 / 27THEDESIGN OFLOW-FREQUENCY PHASE-MEASURING INSTRUMENTHARDWARECIRCUITABSTRACTThe design of this low-frequency digital phase measurement program based on stm32f103rbt6.It i

3、nclude phase measurement modules, the smallest single-chip systems, display module, power module design. It can make precision measurement of low-frequency range phase of the signal parameters, measurement of absolute error no greater than 1.Phase measurement modules use two input signals(The same f

4、requency anddifferent phase)Through the comparator shaping XOR phase detector of the phase, To the microcontroller interrupt input port for data acquisition and processing. We choose LCD to display the measured phase difference signal. The hardware structure is simple, software realization is shown

5、by assembly language. The program can be read and written simply and strongly and high efficiency. Compared with the traditional circuit system, it has the advantages of faster processing speed, high stability, cost-effective.KEY WORDSPhase MCU Low-frequency Erroneous目錄1 緒論11.1 選題意義11.2 課題研究容22 方案選擇

6、22.1 設(shè)計(jì)方案論證22.2 相位差測(cè)量方案選擇33 系統(tǒng)原理43.1 原理框圖43.2 相位差的測(cè)量53.3 MCU測(cè)量時(shí)間差與周期54 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)64.1 相位測(cè)量模塊設(shè)計(jì)74.1.1 輸入電路設(shè)計(jì)74.1.2 鑒相器94.1.3 相位測(cè)量電路設(shè)計(jì)104.2 STM32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)144.2.1 AT89C51的特性分析164.2.2 時(shí)鐘和啟動(dòng)174.2.3 復(fù)位電路184.3 顯示模塊設(shè)計(jì)195 軟件設(shè)計(jì)20結(jié)束語(yǔ)23參考文獻(xiàn)24附錄251 緒論近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，相位測(cè)量技術(shù)也廣泛應(yīng)用于國(guó)防、科研、生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，很多測(cè)量?jī)x逐漸向“智能儀器”和“自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)”發(fā)展

7、，這使得儀器的功能豐富而使用簡(jiǎn)單。對(duì)相位測(cè)量的要求也逐步向高精度、高智能化方向發(fā)展，在低頻圍，相位測(cè)量在電力、機(jī)械等部門有著尤其重要的意義1。對(duì)于低頻相位的測(cè)量，用傳統(tǒng)的模擬指針式儀表顯然不能夠滿足所需的精度要求，隨著電子技術(shù)以與微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式儀表因其高精度的測(cè)量分辨率以與高度的智能化、直觀化的特點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x在工業(yè)領(lǐng)域中也是經(jīng)常用到的通用測(cè)量工具。在電力系統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時(shí)，要求兩電網(wǎng)的電信號(hào)一樣，這就要求精度的測(cè)量?jī)晒ゎl信號(hào)之間的相位差。還有測(cè)量?jī)闪型l信號(hào)的相位差在研究網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)的頻率特性中具有重要的意義。我們?cè)O(shè)計(jì)的相位測(cè)量系統(tǒng)電路，由MCU芯片和

8、小規(guī)模的集成電路構(gòu)成。由于MCU芯片和可編程邏輯器件的集成度高，智能程度高，功能強(qiáng)大，使得它實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單。而且，具有體積小、性價(jià)比高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。可以做工頻配電柜的數(shù)字相位儀表，亦可作大中專院校相位因數(shù)研究等實(shí)驗(yàn)儀表，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。1.1 選題意義隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)活動(dòng)和社會(huì)活動(dòng)帶來(lái)極大的變革。特別是集成電路和微電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，更為設(shè)計(jì)、安裝體積小、性能優(yōu)越、功能全的裝置創(chuàng)造了良好的條件。可以說(shuō)，電子技術(shù)的應(yīng)用水平是現(xiàn)代化進(jìn)程的一個(gè)重要標(biāo)志。微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、單片機(jī)原理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)與具體應(yīng)用對(duì)象相結(jié)合而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更是受世人青睞。本次設(shè)

9、計(jì)就是利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻相位差的測(cè)量，使得儀表更加數(shù)字化、智能化，功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。在科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)實(shí)踐中，常常需要對(duì)低頻移相網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)進(jìn)行相位測(cè)量，但某些測(cè)量方法僅僅局限于測(cè)某一頻率信號(hào)的相位，不能滿足一定圍任意頻率信號(hào)的相位測(cè)量，總之低頻相位測(cè)量?jī)x的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用越來(lái)越多，比如在電力系統(tǒng)中常常需要對(duì)兩個(gè)同頻率信號(hào)（如工頻電壓和工頻電流）之間的相位關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。“相位時(shí)間”法和“功率比例法”是兩種比較傳統(tǒng)的相位差測(cè)量方法，在現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域中還對(duì)基于離散傅里葉變換2的相位測(cè)量原理進(jìn)行了研究，并有了一定的成效。研究表明基于離散傅里葉變換原理的相位測(cè)量方法具有測(cè)

10、量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。總之，相位測(cè)量技術(shù)在我們生活中起到了不可忽視的。同時(shí)，在工業(yè)和民用場(chǎng)合，為了對(duì)各種低頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量分析，常常引入相位測(cè)量?jī)x。同頻信號(hào)間相位差的測(cè)量在電力系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、智能控制與通信、電子、地球物理勘探等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。尤其在工業(yè)領(lǐng)域中，相位不僅是衡量安全的重要依據(jù)，還可以為節(jié)約能源提供參考。因此，研究和設(shè)計(jì)低頻數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x，將會(huì)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到推動(dòng)和促進(jìn)作用。1.2 課題研究容我們?cè)O(shè)計(jì)的數(shù)字式相位測(cè)量系統(tǒng)電路，主要是由MCU芯片和小規(guī)模的集成電路構(gòu)成。兩路待測(cè)信號(hào)（同頻率、不同相位的兩路信號(hào)）通過(guò)整形電路，變成矩形波信號(hào)，再通過(guò)

11、鑒相器，得到兩路波形的正脈沖寬度，也就是所要測(cè)量的兩路信號(hào)的相位差所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差。以上部分構(gòu)成了相位測(cè)量系統(tǒng)的相位測(cè)量電路3。將其送到MCU外部中斷口，再通過(guò)MCU處理數(shù)據(jù)（數(shù)字濾波、計(jì)算、送數(shù)據(jù)、鍵盤處理等），最后得到我們所要的相位值，并將其通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。2 方案選擇2.1 設(shè)計(jì)方案論證從功能角度來(lái)看，相位測(cè)量?jī)x要完成信號(hào)相位差的測(cè)量。相位測(cè)量?jī)x有兩路輸入信號(hào)，也是被測(cè)信號(hào)，他們是兩個(gè)同頻率的正弦信號(hào)，頻率圍為20Hz20KHz（正好是音頻圍），幅度為UPP=15V（可以擴(kuò)展到0.35V），但兩者幅度不一定相等。相位和相位差的概念4：令正弦信號(hào)為： （2.1）2.1式中Am稱為幅值（最

12、大值），且，A稱為有效值；稱為相位，稱為初相位，稱為角頻率。Am、稱為正弦量的三要素。只有兩個(gè)同頻率的（正弦）信號(hào)才有相位差的概念。不妨令兩個(gè)同頻率的正弦信號(hào)為： （2.2）則相位差：（2.3）由2.3式中可看出，相位差在數(shù)值上等于初相位之差，是一個(gè)角度將輸出接到IO，通過(guò)定時(shí)器TIM2計(jì)算輸入脈沖數(shù)（Freq），TIM3產(chǎn)生系統(tǒng)脈沖，TIM5分頻數(shù)，計(jì)算公式：Freq=time2_count*65536+TIM2->CNT；Time2_count為溢出次數(shù)，TIM2->CNT為寄存器部的值，兩者之和是IO端口的脈沖數(shù)（Freaq）。補(bǔ)償：Freq=Freq+Freq*9/5000

13、00+Freq*2/5000000；相位差計(jì)算：DutyCycle=Freq*TIM_GetCapture1(TIM5)*(TIM5_Period+1)/7200；通過(guò)十分頻，然后計(jì)算相位差。時(shí)間的測(cè)量有多種方法，而設(shè)計(jì)題目關(guān)于相位測(cè)量?jī)x的技術(shù)指標(biāo)要求會(huì)影響到我們對(duì)方案的選擇，MCU應(yīng)用系統(tǒng)一般能較好的實(shí)現(xiàn)各種不同的測(cè)量與控制功能，往往還能滿足一些設(shè)計(jì)要求比較高的技術(shù)指標(biāo)，因此，我們?cè)谶M(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可用MCU實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，完成系統(tǒng)指標(biāo)。2.2 相位差測(cè)量方案選擇相位差測(cè)量的基本原理5主要有三種：對(duì)信號(hào)波形的變換和比較、對(duì)傅氏級(jí)數(shù)的運(yùn)算與對(duì)三角函數(shù)的運(yùn)算，其實(shí)現(xiàn)方法如下：過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法6：這

14、是一種將相位測(cè)量變?yōu)闀r(shí)間測(cè)量的方法，其原理是將基準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)零的時(shí)刻與被測(cè)信號(hào)通過(guò)零的時(shí)刻進(jìn)行比較，由二者之間的時(shí)間間隔，推算出兩信號(hào)之間的相位差。這種方法的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，對(duì)啟動(dòng)采樣電路要求不高，同時(shí)該方法還具有測(cè)量分辨率高、線性好、易數(shù)學(xué)化等優(yōu)點(diǎn)。倍乘法：任何一個(gè)周期函數(shù)都可以用傅氏級(jí)數(shù)表示，在這里運(yùn)算器是一個(gè)乘法器，兩個(gè)信號(hào)是頻率一樣的正弦數(shù)，相位差為一個(gè)角度，運(yùn)算結(jié)果再經(jīng)過(guò)一個(gè)積分電路，得到直流電壓：（2.6）電路的輸出和被測(cè)信號(hào)相位差余弦成比例，因此其測(cè)量圍在45°以，欲使測(cè)量圍擴(kuò)展到360°，需要附加一些電路才能做到。這種方法由于應(yīng)用了積分環(huán)節(jié)，可以濾掉信號(hào)波形中

15、的高次諧波，抑制了諧波對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。矢量法：任何一個(gè)正弦函數(shù)都可以用矢量來(lái)表示，如兩個(gè)正弦信號(hào)幅度相等、頻率一樣,運(yùn)算器運(yùn)用減法器則合成矢量的模： （2.7）這種方法用于測(cè)量小角度，靈敏度較好，可行度也較好；而在靠近180°附近靈敏度降低，讀數(shù)困難也不準(zhǔn)確。由于輸出是一余弦或正弦函數(shù)，因此這種方法適用的頻帶圍是較寬的信號(hào)。上述三種測(cè)量相位的方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，從測(cè)量圍、靈敏度、準(zhǔn)確度、頻率特性和諧波的敏感性等技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法比較好，它輸出正比于相位差的直流電壓和相位差的脈沖數(shù)，還易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動(dòng)化，現(xiàn)代的數(shù)字相位表多采用這種原理構(gòu)成。3 系統(tǒng)原理3.1 原理框圖以單

16、片機(jī)為核心的相位測(cè)量?jī)x原理框圖如圖3-1所示：圖3-1 以MCU為核心的相位測(cè)量?jī)x原理框圖兩路待測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后變成了矩形信號(hào)A、B，且可以認(rèn)為A和B是同頻率、不同相位的矩形波。3.2 相位差的測(cè)量鑒相器就是異或門，在鑒相器的輸入波形中，正脈沖寬度就是要測(cè)量的A和B相位差所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差，如圖3-2所示（其中波形C為鑒相器即異或門的輸出波形）：圖3-2鑒相器的輸出與輸入波形圖在測(cè)量相位差時(shí)還應(yīng)該考慮超前、滯后兩種情況（圖中所示為A超前B）。把波形中的正脈沖作為門控信號(hào)，控制閘門的啟閉，即控制MCU部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的 啟動(dòng)/停止，從而達(dá)到測(cè)量時(shí)間差的目的，再根據(jù)公式（3.1）從而計(jì)算得到相位差。另外

17、，由圖3-2可知，信號(hào)是A信號(hào)的二倍頻（A與B同頻），由此可見(jiàn)，對(duì)于同頻不同相的兩個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)異或門后可得到二倍頻的信號(hào)。因此從這個(gè)意義上講，異或門可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的二倍頻。3.3 MCU測(cè)量時(shí)間差與周期下面詳細(xì)談?wù)凪CU測(cè)量時(shí)間差、周期7的方法。工作原理：MCUstm32單片機(jī)的芯片部集成了個(gè)16bit定時(shí)器，stm32 的定時(shí)器功能十分強(qiáng)大，有 TIME1 和 TIME8 等高級(jí)定時(shí)器，也有 TIME2TIME5 等通用定時(shí)器，還有 TIME6 和TIME7 等基本定時(shí)器。stm32 的通用定時(shí)器是一個(gè)通過(guò)可編程預(yù)分頻器（PSC）驅(qū)動(dòng)的 16 位自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器（CNT）構(gòu)成。STM32 的通用

18、定時(shí)器可以被用于：測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度(輸入捕獲)或者產(chǎn)生輸出波形(輸出比較和 PWM)等。 使用定時(shí)器預(yù)分頻器和 RCC 時(shí)鐘控制器預(yù)分頻器，脈沖長(zhǎng)度和波形周期可以在幾個(gè)微秒到幾個(gè)毫秒間調(diào)整。stm32 的每個(gè)通用定時(shí)器都是完全獨(dú)立的，沒(méi)有互相共享的任何資源。 stm32 的通用 TIMx (TIM2、TIM3、TIM4 和 TIM5)定時(shí)器功能包括： 1)16 位向上、向下、向上/向下自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器（TIMx_CNT） 。 2)16 位可編程(可以實(shí)時(shí)修改)預(yù)分頻器(TIMx_PSC)，計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率的分頻系數(shù)為 165535 之間的任意數(shù)值。 3）4 個(gè)獨(dú)立通道（TIMx_CH14）

19、，這些通道可以用來(lái)作為： A輸入捕獲 B輸出比較 CPWM 生成(邊緣或中間對(duì)齊模式) D單脈沖模式輸出 4）可使用外部信號(hào)（TIMx_ETR）控制定時(shí)器和定時(shí)器互連（可以用 1 個(gè)定時(shí)器控制另外一個(gè)定時(shí)器）的同步電路。 5）如下事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生中斷/DMA： A更新：計(jì)數(shù)器向上溢出/向下溢出，計(jì)數(shù)器初始化(通過(guò)軟件或者部/外部觸發(fā)) B觸發(fā)事件(計(jì)數(shù)器啟動(dòng)、停止、初始化或者由部/外部觸發(fā)計(jì)數(shù)) C輸入捕獲 D輸出比較 E支持針對(duì)定位的增量(正交)編碼器和霍爾傳感器電路 F觸發(fā)輸入作為外部時(shí)鐘或者按周期的電流管理4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用以MCU為核心的方案來(lái)完成低頻相位測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)8。本設(shè)

20、計(jì)將硬件電路分為相位測(cè)量模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、顯示電路模塊和電源電路模塊四部分。通過(guò)相位測(cè)量電路采集到得兩個(gè)同頻正弦信號(hào)的相位差所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差以與信號(hào)周期，送到單片機(jī)的定時(shí)器外部中斷口，讓單片機(jī)最小系統(tǒng)完成讀取數(shù)據(jù)，并能根據(jù)所讀取的數(shù)據(jù)計(jì)算出兩路同頻信號(hào)之間的相位差，這就充分的發(fā)揮了單片機(jī)控制運(yùn)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)。最后，由顯示模塊顯示出所測(cè)量計(jì)算的相位差和輸入頻率。4.1 相位測(cè)量模塊設(shè)計(jì)相位測(cè)量電路主要包括輸入電路的設(shè)計(jì)和鑒相器電路部分的設(shè)計(jì)。其中輸入電路起到了波形轉(zhuǎn)換與整形的功能。4.1.1 輸入電路設(shè)計(jì)4.1.1.1 輸入電路被測(cè)信號(hào)是周期一樣、幅度和相位不同的兩路正弦信號(hào)，為了準(zhǔn)確地測(cè)

21、量出正弦信號(hào)的相位差，需要對(duì)輸入波形進(jìn)行整形9，使輸入信號(hào)變成矩形波信號(hào)，并送給鑒相器進(jìn)行處理。 另外，在相位差測(cè)量的過(guò)程當(dāng)中，不允許兩路被測(cè)輸入信號(hào)在整形輸入電路中發(fā)生相對(duì)相移，或者應(yīng)該是的兩路被測(cè)信號(hào)在整形輸入電路中引起的附加相移是一樣的，因此，我們對(duì)A、B兩路信號(hào)采用了一樣的整形電路。同時(shí)，為了避免出現(xiàn)被測(cè)信號(hào)在過(guò)零點(diǎn)時(shí)含有干擾，我們選用施密特觸發(fā)器組成的整形電路。由于施密特觸發(fā)器是在單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入了正反饋網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檎答伒淖饔茫拈T限電壓隨著輸出電壓U0的變化而變化，從而使施密特觸發(fā)器有兩個(gè)門限電壓，所以可以提高輸入電路的抗干擾能力。如圖4-1所示，電路中我們使用兩個(gè)施

22、密特觸發(fā)器對(duì)兩路被測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行整形。在圖4-1中，比較器LM339連接成了施密特觸發(fā)器的形式。為了保證輸入電路對(duì)相位差的測(cè)量不帶來(lái)誤差，必須保證兩個(gè)施密特觸發(fā)器的兩個(gè)門限電平對(duì)應(yīng)相等，這可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R8來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖4-1 由施密特觸發(fā)器構(gòu)成的整形電路4.1.1.2 LM339的特性分析LM339集成塊部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是： （1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；（2）電源電壓圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；（3）對(duì)比較信號(hào)源的阻限制較寬；（4）共模圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；（5）差動(dòng)輸入電壓圍較大，大到可以等

23、于電源電壓；（6）輸出端電位可靈活方便地選用。LM339集成塊采用C-14型封裝，圖4-2為外型與管腳排列圖。由于LM339使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大IC生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。圖4-2 LM339外型與管腳排列圖LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比

24、較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開(kāi)路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選315K）。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。4.1.2 鑒相器鑒相器就是我們所說(shuō)的異或門電路

25、11，在相位測(cè)量電路中起到了測(cè)量時(shí)間差的作用。在這里我們選用的是74LS86芯片。74LS86為四組 2輸入端異或門，管腳圖如圖4-3所示：圖4-3 74LS86管腳圖引出端符號(hào)：1A 4A，1B 4B為輸入端；1Y 4Y為輸出端。其邏輯表達(dá)式為： （4.1）所以，其真值表如表4-1所示：表4-1 74LS86真值表輸入輸出ABYLLLLHHHLHHHL4.1.3 相位測(cè)量電路設(shè)計(jì)由前面所說(shuō)的相位和相位差的概念與聯(lián)系，以與相位差與時(shí)間差之間的比例關(guān)系為： （4.2）可以通過(guò)測(cè)量時(shí)間差與信號(hào)周期，計(jì)算得到相位差。4.1.3.1 相位測(cè)量原理結(jié)合我們?cè)O(shè)計(jì)的相位測(cè)量電路原理圖4-4所示，當(dāng)輸入信號(hào)U

26、A、UB經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器N1、N2過(guò)零檢測(cè)之后，其輸出信號(hào)UC、UD分別通兩JK觸發(fā)器，兩個(gè)JK觸發(fā)器的輸出信號(hào)UE、UF經(jīng)過(guò)異或門，而異或門的輸出信號(hào)UG是一個(gè)脈沖寬度與UA、UB兩信號(hào)之間相位查成正比的脈沖序列信號(hào)。再將此脈沖序列信號(hào)送入到單片機(jī)外部中斷口，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理12。圖4-4 相位測(cè)量電路電路圖其各點(diǎn)的輸出波形如圖4-5所示：圖4-5 相位測(cè)量電路各點(diǎn)波形圖4.1.3.2 單元電路的工作原理JK觸發(fā)器1、2的工作原理一樣，這里我們以JK觸發(fā)器1為例來(lái)說(shuō)明一下它們的工作原理：JK觸發(fā)器的J端、K端和電源端均接高電平+5V上（注意JK觸發(fā)器1處在計(jì)數(shù)狀態(tài)）。清除端通過(guò)R10接到電源+5V

27、上，并清除端通過(guò)C1接地，當(dāng)接通電源瞬間，清除端通過(guò)C1處于低電平，使Q端置于低電平；C1逐漸充電完畢，這時(shí)清除端通過(guò)R10處于高電平。如果觸發(fā)端C端接收觸發(fā)脈沖時(shí)，Q端由低電平變?yōu)楦唠娖?；再?lái)下一個(gè)脈沖，Q端又由高電平變?yōu)榈碗娖?，如此不斷反?fù)。4.1.3.3 74LS113的特性分析74LS113為雙下降沿J-K觸發(fā)器（有預(yù)置端）的簡(jiǎn)要說(shuō)明：74S113 為帶預(yù)置的兩組J-K觸發(fā)器，其主要電特性的典型值如表4-2所示：表4-2 74LS113主要電特性其管腳圖如圖4-6所示：圖4-6 74LS113管腳圖引出端符號(hào)：/CP1、/CP2 時(shí)鐘輸入端（下降沿有效）J1、J2、K1、K2 數(shù)據(jù)輸入

28、端Q1、Q2、/Q1、/Q2輸出端/SD1、/SD2直接置位端（低電平有效）功能表如表4-3所示：表4-3 74LS113功能表輸入輸出PR/CPJKQ/QLXXXHLHLLQO/QOHHLHLHLHLHHHH/QOQOHHXXQO/QO（說(shuō)明：H高電平，L低電平，X任意，高到低電平跳變）4.2 STM32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)這部分是由單片機(jī)、晶振電路、按鍵電路等組成。在設(shè)計(jì)中，我們充分利用單片機(jī)具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和控制能力這一特點(diǎn)，使用單片機(jī)外部中斷TIM2接收外部送來(lái)的對(duì)應(yīng)于被測(cè)信號(hào)的時(shí)間、周期差，并在單片機(jī)部完成相應(yīng)的處理與相關(guān)運(yùn)算。另外，將待顯示信息送給顯示模塊顯示。設(shè)計(jì)中的單片機(jī)是stm32

29、f103rbt613，中等容量增強(qiáng)型，32位基于ARM核心的帶128K字節(jié)閃存的微控制器，USB、CAN、7個(gè)定時(shí)器，2個(gè)ADC，9個(gè)通信接口。圖4-7為stm32f103rbt6單片機(jī)最小系統(tǒng)圖。圖4-7STM32最小系統(tǒng)電路圖4.2.1 AT89C51的特性分析4.2.1.1 主要參數(shù)圖4-8 40腳雙列直插（DIP）封裝圖89C51具有4個(gè)I/O口，32根I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片振蕩器與時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，

30、串行通信口與中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存了RAM中的容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位。4.2.1.2 引腳功能說(shuō)明STM32有100個(gè)引腳，每個(gè)GPIO引腳都可以由軟件配置成輸出(推挽或開(kāi)漏)、輸入(帶或不帶上拉或下拉)或復(fù)用的外設(shè)功能端口。多數(shù)GPIO引腳都與數(shù)字或模擬的復(fù)用外設(shè)共用。除了具有模擬輸入功能的端口，所有的GPIO引腳都有大電流通過(guò)能力。在需要的情況下，I/O引腳的外設(shè)功能可以通過(guò)一個(gè)特定的操作鎖定，以避免意外的寫(xiě)入I/O寄存器。在APB2上的I/O腳可達(dá)18MHz的翻轉(zhuǎn)速度。電源：VCC：運(yùn)行和程序校檢時(shí)加+3.3V。GND：地。4.2.2 時(shí)鐘和

31、啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘的選擇是在啟動(dòng)的時(shí)候選擇的，復(fù)位時(shí)部8MHz的RC振蕩器唄選為默認(rèn)的CUP時(shí)鐘，隨后可以選擇外部的、具失效監(jiān)控的416MHz時(shí)鐘；當(dāng)檢測(cè)到外部時(shí)鐘失效時(shí)，他被隔離，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)地切換到部的RC振蕩器，如果使能了中斷，軟件可以接受到相應(yīng)的中斷。同樣，在需要時(shí)可以采取對(duì)PLL時(shí)鐘完全的中斷管理（如當(dāng)一個(gè)間接地使用外部振蕩器失效時(shí)）。多個(gè)預(yù)分頻器用于配置AHB的頻率、高速APB（APB2）和低速APB（APB1）區(qū)域。AHB和高速APB的最高頻率是72MHz，低速APB的最高頻率為36MHz。參考時(shí)鐘樹(shù)圖4-8圖4-81. 當(dāng)HIS作為PLL時(shí)鐘輸入時(shí)，最高的系統(tǒng)頻率只能達(dá)到64Mhz。

32、2. 當(dāng)使用USB功能時(shí)，必須同時(shí)使用HSE和PLL，CPU的頻率必須是48MHz或72MHz。3. 當(dāng)需要ADC采樣時(shí)間為1uS時(shí)，APB2必須設(shè)置在14MHz、28MHz或56MHz。4.2.3 復(fù)位電路由圖4-9可以看出，是單片機(jī)的按鍵電平復(fù)位電路，相當(dāng)于按復(fù)位鍵后復(fù)位端通過(guò)電阻與Vcc電源接通。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，stm32在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。晶振工作時(shí)，NRST引腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使stm32復(fù)位，當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持NRST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，NRS

33、T 腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無(wú)效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式，但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種復(fù)位電路的工作原理是：通電時(shí)，電容兩端相當(dāng)于是短路，于是RST引腳上為高電平，然后電源通過(guò)電阻對(duì)電容充電，RST端電壓慢慢下降，降到一定程度，即為低電平，stm32開(kāi)始正常工作。圖4-10 AT89C51復(fù)位電路4.3 顯示模塊設(shè)計(jì)LCD1602顯示32個(gè)字符容，分為2行顯示。當(dāng)前面向市場(chǎng)上字符液晶顯示模塊幾近都是一樣在HD44780液晶芯片的控制原理上

34、完成的8。圖4-11 顯示模塊電路原理圖5 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)連續(xù)幾次測(cè)量時(shí)間差和周期，每一次測(cè)量時(shí)間差和周期占用兩個(gè)待測(cè)信號(hào)周期T的時(shí)間。stm32f103rbt6處理數(shù)據(jù)（數(shù)字濾波、計(jì)算、送數(shù)據(jù)顯示）系統(tǒng)主程序框圖如圖5-1所示：圖5-1 主程序框圖相位測(cè)量電路的主程序：void TIM2_IRQHandler(void) /TIM3中斷TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update ); /清除TIMx的中斷待處理位:TIM 中斷源/LED5=!LED5;time2_count+;void TIM3_IRQHandler(void) /TIM3中斷TIM_C

35、learITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update ); /清除TIMx的中斷待處理位:TIM 中斷源TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);Freq=time2_count*65536+TIM2->CNT;Freq=Freq+Freq*9/500000+Freq*2/5000000; /補(bǔ)償if(Freq>2000)TIM5_Period=0;else if(Freq>200)TIM5_Period=9;else if(Freq>20)TIM5_Period=99;else TIM5_Period=999;if(TIM5_Periodtemp

36、!=TIM5_Period) TIM5_Change(TIM5_Period,0);TIM5_Periodtemp=TIM5_Period;time2_count=0; TIM2->CNT=0;TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);void TIM5_IRQHandler(void) /* Clear TIM3 Capture compare interrupt pending bit */ TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC2);DutyCycle=Freq*TIM_GetCapture1(TIM5)*(TIM5_Period+1)/7200;DutyCycle=DutyCycle+Freq/2000;void TIM5_Change(u16 arr,u16 psc)TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF; /周期0FFFFTIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = arr; /時(shí)鐘分頻TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = psc;