低頻數(shù)字式相位測量儀畢業(yè)論文

1、摘 要頻率、相位測量儀器在生產(chǎn)和科研的各個部門被廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)測量的數(shù)字化.自動化.智能化已成為現(xiàn)在應(yīng)用的需要，對測量精度的要求也越來越高。針對傳統(tǒng)的測頻法和測周法測量精度不高的缺陷，即測頻法不宜測低頻和測周法不宜測高頻.本論文介紹了一種基于數(shù)字頻率計(jì)原理，以AT89C51單片機(jī)為控制器件的新型頻率測量方法：等精度測量方法。利用同步門控制單片機(jī)的雙計(jì)數(shù)器進(jìn)行“相關(guān)計(jì)數(shù)，應(yīng)用單片機(jī)的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制功能，實(shí)現(xiàn)了上下頻率等精度測量，克服了通用頻率計(jì)由于1MSB誤差在上下頻段測量精度不等的缺陷，既滿足測量精度的要求,又滿足系統(tǒng)反響時間的要求。用此方法實(shí)現(xiàn)的頻率計(jì)具有高精度、低本錢、易改良的特點(diǎn)，具有一

2、定的實(shí)用性。本文主要介紹了其系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，以及系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。本論文基于相位數(shù)字化原理，針對傳統(tǒng)的數(shù)字式相位計(jì)采用的脈沖填充計(jì)數(shù)法測量精度不高，誤差大的缺陷，利用單片機(jī)與外部電路相結(jié)合，采用高頻脈沖填充計(jì)數(shù)，多周期等精度測量的方法實(shí)現(xiàn)了相位差的高精度測量，著重介紹系統(tǒng)原理及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；等精度；誤差；測相儀；相位差；計(jì)數(shù)器abstractFrequency and phase measurements in production and research equipment widely used in all sectors. Achieve digital mea

3、surements. Automation. Intelligent applications has become necessary now to the measurement accuracy requirements are increasingly high. In traditional law and geodetic survey frequency measurement accuracy is not high Week law wrong on a theory based on the number of frequencies to AT89C51 Danpianj

4、i control devices for the new frequency measurement methods : such precision measurements. Use Chanpianji double rod relevant calculations, the application Danpianji the arithmetic and control functions, such as achieving a high frequency precision measurements overcome +1MSB overall frequency of er

5、rors in the measurement of low frequency bands ranging from precision errors to meet the measurement accuracy requirements and system response time meet the requirements. The frequency of use of this method to achieve a high-precision, low-cost, easy to improve features, a certain relevance. This ar

6、ticle introduces the principles of its composition and working systems, as well as system software and hardware design. This paper based on the principles of 13,800 digitized against traditional digital phase of a pulse recharge count law is not high precision measurements, error big mistakes, and t

7、he use of external circuits Chanpianji combined using HF pulse recharge number, such as multi-cycle approach to achieve precision measurements of the high-precision measurement of transmitters, highlight the principles and system software and hardware to achieve.Keywords:Chanpian; such precision; Er

8、ror; Testing of devices; Pairs; Counter目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc137354070 緒 論 PAGEREF _Toc137354070 h 1 HYPERLINK l _Toc137354071 第一章系統(tǒng)工作原理 PAGEREF _Toc137354071 h 3 HYPERLINK l _Toc137354072 11 頻率測量原理 PAGEREF _Toc137354072 h 3 HYPERLINK l _Toc137354073 12 相位測量原理 PAGEREF _Toc137354073 h 4

9、 HYPERLINK l _Toc137354074 第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析 PAGEREF _Toc137354074 h 5 HYPERLINK l _Toc137354075 21 測頻 PAGEREF _Toc137354075 h 5 HYPERLINK l _Toc137354076 211 脈沖數(shù)倍頻測頻法 PAGEREF _Toc137354076 h 5 HYPERLINK l _Toc137354077 212 脈沖數(shù)分頻測頻法 PAGEREF _Toc137354077 h 5 HYPERLINK l _Toc137354078 213 測頻-測周結(jié)合法 PAG

10、EREF _Toc137354078 h 5 HYPERLINK l _Toc137354079 214 多周期等精度測量方法 PAGEREF _Toc137354079 h 6 HYPERLINK l _Toc137354080 22 測相 PAGEREF _Toc137354080 h 8 HYPERLINK l _Toc137354081 221 脈沖填充計(jì)數(shù)測相法 PAGEREF _Toc137354081 h 8 HYPERLINK l _Toc137354082 222 多周期等精度測相法 PAGEREF _Toc137354082 h 8 HYPERLINK l _Toc1373

11、54083 第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路 PAGEREF _Toc137354083 h 11 HYPERLINK l _Toc137354084 31 測頻電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc137354084 h 11 HYPERLINK l _Toc137354085 311 信號放大整形電路 PAGEREF _Toc137354085 h 11 HYPERLINK l _Toc137354086 312 外局部頻電路 PAGEREF _Toc137354086 h 13 HYPERLINK l _Toc137354087 313 同步門邏輯控制電路 PAGEREF _Toc137354087

12、h 14 HYPERLINK l _Toc137354088 314 與單片機(jī)接口顯示電路 PAGEREF _Toc137354088 h 15 HYPERLINK l _Toc137354089 315 擴(kuò)展報(bào)警電路 PAGEREF _Toc137354089 h 16 HYPERLINK l _Toc137354090 32 測相電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc137354090 h 18 HYPERLINK l _Toc137354091 321 前級放大整形電路 PAGEREF _Toc137354091 h 18 HYPERLINK l _Toc137354092 322 相位差測

13、量電路 PAGEREF _Toc137354092 h 20 HYPERLINK l _Toc137354093 323 相位極性判別電路 PAGEREF _Toc137354093 h 21 HYPERLINK l _Toc137354095 第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc137354095 h 22 HYPERLINK l _Toc137354096 41 主要任務(wù) PAGEREF _Toc137354096 h 22 HYPERLINK l _Toc137354097 42 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc137354097 h 22 HYPERLINK l _Toc

14、137354098 43 總體流程圖 PAGEREF _Toc137354098 h 23 HYPERLINK l _Toc137354099 結(jié)論與分析 PAGEREF _Toc137354099 h 24 HYPERLINK l _Toc137354100 致謝 PAGEREF _Toc137354100 h 25 HYPERLINK l _Toc137354101 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc137354101 h 26 HYPERLINK l _Toc137354102 附錄 PAGEREF _Toc137354102 h 27緒 論隨著無線電技術(shù)的開展與普及，“頻率已成為廣闊群

15、眾所熟悉的物理量調(diào)節(jié)收音機(jī)上的頻率刻度盤可使你選聽到你喜歡的電臺節(jié)目；調(diào)節(jié)電視機(jī)上的微調(diào)旋鈕可使得電視機(jī)對準(zhǔn)電視臺的播送頻率，獲得圖象清晰的收看效果，這些已成為人們的生活常識。頻率的應(yīng)用在當(dāng)代高科技中顯的尤為重要，例如，郵電通訊，大地測量，人造衛(wèi)星的導(dǎo)航定位控制都與頻率密切有關(guān)，其精密度與準(zhǔn)確度比人們?nèi)粘Ｉ钪械囊蟾叩亩嗔T了。相位測量技術(shù)在國防.科研.生產(chǎn)等各個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，特別在電力.機(jī)械等部門要求精度測量低頻相位，采用傳統(tǒng)的模擬指針式相位測量儀表顯然不能夠滿足所需的精度要求。隨著電子技術(shù)與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，數(shù)字式儀表因其高精度的測量分辨率以及高度的智能化.直觀化的特點(diǎn)得到越來越廣

16、泛的應(yīng)用，對相位測量的要求也逐步向高精度.高智能化方向開展?？梢?，隨廣泛應(yīng)用的需要，高精密.高準(zhǔn)確.高智能化是大勢所趨.一般的測量儀測量范圍有限，隨著電子技術(shù)的開展，高頻信號的測量也越來越受的親睞，實(shí)現(xiàn)測量的數(shù)字化.自動化.智能化已成為各類儀器儀表的設(shè)計(jì)方向。現(xiàn)在頻率的測量儀器突破傳統(tǒng)的測量方法，以單片機(jī)為核心來設(shè)計(jì)的，利用外圍電路，軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了測量量程的自動切換，具有較高的測量精度和較短的系統(tǒng)反響。這樣設(shè)計(jì)測量誤差小，價格低，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)了開展的需要。相位測量也是以單片機(jī)為核心的，利用單片機(jī)的高數(shù)據(jù)處理能力，存儲容量大，較多的并行口能滿足外圍設(shè)備.芯片擴(kuò)展需要。數(shù)字顯示相位儀不斷的涌

17、現(xiàn)，具有速度高.只能化.電路簡單.工作可靠等特點(diǎn)。隨著科技的開展，頻率的測量應(yīng)趨于以下幾個特點(diǎn)： 測量精度高。由于有著各種等級的時頻標(biāo)準(zhǔn)源，而且采用無線電波傳遞標(biāo)準(zhǔn)時頻方便.迅速.實(shí)用。所以在人們能進(jìn)行測量的成千上萬個物理量中，頻率測量所能到達(dá)的分辨和準(zhǔn)確度是最高的。測量范圍廣?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中所涉及到的頻率范圍是極其廣泛的，從百分一赫茲甚至更低頻率開始，一直到10K Hz以上。處于這么寬范圍內(nèi)的頻率都可以做到高精度的測量。頻率信息的傳輸和處理，如倍頻.分頻和混頻等都比擬容易，并且精度也很高，這使得對各不同頻段的頻率測量能機(jī)動.靈活的實(shí)施。相位的測量應(yīng)更趨于數(shù)字化.智能化.精確化。本論文設(shè)計(jì)的主

18、要任務(wù)為：設(shè)計(jì)并制作一個頻率計(jì)，包括： 完成頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對010KHZ信號頻率的測量。 頻率測量誤差小于5HZ。 頻率計(jì)數(shù)器8位數(shù)字顯示電路，完成顯示自檢.初始化和測量結(jié)果的顯示。 設(shè)計(jì)測量超限報(bào)警電路設(shè)計(jì)并制作一個相位測量儀，包括： 設(shè)計(jì)相位測量電路，對1MHZ信號頻率的兩個信號進(jìn)行相位的測量，兩信號的相位差90度。 相位測量誤差小于5度c 顯示相位測量結(jié)果，標(biāo)記出超前.滯后。 本論文主要詳細(xì)介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，共分為四章，第1章是“系統(tǒng)的工作原理，介紹了傳統(tǒng)的測頻和測相的工作原理，是本設(shè)計(jì)的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。第二章是“系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及思路分析，著重介紹了本設(shè)計(jì)的大體思路和不同的設(shè)計(jì)方案，

19、并比擬了不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇出設(shè)計(jì)的最正確實(shí)現(xiàn)方法。第三章是“系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，分模塊具體介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，對所用芯片、功能原理和參數(shù)計(jì)算都作了詳盡的介紹。第四章是“系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，對基于系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)方法作了大概的講解，以便對總體的軟件設(shè)計(jì)有所了解。第一章 系統(tǒng)工作原理11 頻率測量原理假設(shè)某一信號在T秒內(nèi)重復(fù)變化N次，那么根據(jù)頻率的定義，可知該信號的頻率Fzw為： Fz=N/T由此傳統(tǒng)的測頻方法通常有兩種：一是直接測頻法，二是測周法。所謂的直接測頻法是根據(jù)頻率的定義，把被測頻率信號經(jīng)脈沖形成電路后，加到閘門的一個輸入端，只有在閘門開通時間T以秒計(jì)內(nèi)，通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)被測信

20、號的脈沖周數(shù)N，從而通過頻率定義計(jì)算出被測頻率。直接測頻的實(shí)現(xiàn)框圖如下圖，脈沖形成電路將被測信號轉(zhuǎn)變成脈沖，其重復(fù)頻率等于被測信號頻率fx，將它送入閘門。閘門的開閉時間由門控信號控制。脈沖為在開門時間T內(nèi)通過閘門的脈沖，被送至計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，時基信號發(fā)生器產(chǎn)生準(zhǔn)確的開門時間T，假設(shè)在開閘期間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為N，那么被測信號頻率為：fx=N/T 圖1-1 直接測頻法原理框圖根據(jù)誤差絕對值合成法那么，直接測頻誤差為： 上式右邊第二項(xiàng)通常忽略不計(jì)，當(dāng)被測信號頻率低時，那么產(chǎn)生的誤差就較大了，所以測頻不宜用于測量低頻信號。所謂的測周法是通過測量被測信號的周期來計(jì)算頻率的，其測量原理框圖如下圖。被測信號經(jīng)脈沖

21、形成電路變成方波，加到門控電路形成門控信號Tx控制閘門開閉，在開閘期間，周期為To的時基信號通過閘門送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。設(shè)電子計(jì)數(shù)器計(jì)得的時鐘脈沖個數(shù)為N，那么有：Tx=NT0fx=1/Tx=1/NT0=f0/N 圖1-2 測量周期的原理這種測量方法產(chǎn)生的總誤差為兩項(xiàng)合成值：上式右邊第一項(xiàng)為1誤差，第二項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差，通?？珊雎圆挥?jì)?？梢姰?dāng)T0一定時，被測信號頻率fx愈高，Tx愈小，由1誤差引起的測量誤差就愈大，所以測周法不宜用于測量高頻率信號。12 相位測量原理信號波形的表達(dá)式為U=msin(t0) 式中m是電壓振幅；為角頻率；0為初相位。設(shè)兩同頻率的正弦波信號為 1=1sint1 2=2sin

22、(t2)相角差為=12是一個常數(shù)，并且等于兩正弦量的初相之差。傳統(tǒng)測相方法比擬多，有用示波器測量的，但這樣直接測量的誤差比擬大。有把相位差轉(zhuǎn)換為電壓，即利用非線性器件把被測信號的相位差轉(zhuǎn)換為電壓或電流的增量，在電壓表或電流表盤上刻度上的相位刻度，由電表指示可直讀被測信號的相位差。有把相位差轉(zhuǎn)換為時間間隔進(jìn)行測量。測量出兩正弦波過零點(diǎn)的時間差T和其周期T，那么=T/T180。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析21 測頻 結(jié)合傳統(tǒng)的測頻方法，實(shí)現(xiàn)一個寬頻域.高精度的頻率計(jì)，直接用傳統(tǒng)的測周或者測頻法難以實(shí)現(xiàn)，測周法在高頻段誤差較大，而測頻法在低頻段的誤差較大。211 脈沖數(shù)倍頻測頻法此法克服了傳統(tǒng)

23、的測頻在低頻測量時精度不高的缺陷。通過A倍頻，把待測信號頻率放大A倍，以提高測量精度。其待測頻率為：fx=NAT但待測信號脈沖間隔減小，間隔誤差降低，控制電路較復(fù)雜。212 脈沖數(shù)分頻測頻法此法克服了傳統(tǒng)的測周期法在測高頻精度不高的缺陷。由于傳統(tǒng)測周法測量時要求待測信號的周期不能太短，所以可通過A分頻使待測信號的周期擴(kuò)大A倍，所測頻率為： fx=AN/T精度在高頻雖然有所提高，但控制電路有點(diǎn)復(fù)雜。213 測頻-測周結(jié)合法鑒于兩種測量方法的測量缺陷。由此想到將兩者結(jié)合，同時使用兩種方法，在高頻段用測頻法，在低頻段用測周法，設(shè)置一個劃分界限，例如10KHZ，用軟件來實(shí)現(xiàn)量程的自動切換。其系統(tǒng)框圖為

24、：圖2-1 系統(tǒng)框圖這樣測量的誤差比擬大，因?yàn)殚l門的開閉與被測脈沖周期沒有聯(lián)系，即不同步，設(shè)T為門控閘門時間，Tx為被測信號周期，t1為閘門開啟到第一個計(jì)數(shù)脈沖之間的間隔，t2為閘門關(guān)閉到下一個計(jì)數(shù)脈沖之間的間隔，N為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，那么：T=N1Txt1(Txt2)=NTXt1t2N=T/TxN=t1/Txt2/Tx這樣所計(jì)的數(shù)N的誤差N就比擬的大。214 多周期等精度測量方法為防止以上缺陷，實(shí)現(xiàn)高精度的測量，可以采用多周期同步測量方法。用該方法測量可以直接讀出頻率值和周期值，可以在全頻段上使測量精度保持一致，實(shí)現(xiàn)等精度測量。測量原理圖如下：圖2-2 測量原理圖當(dāng)測量開始后，由被測信號的上升

25、沿同時翻開預(yù)置門和同步門啟動兩個計(jì)數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號和待測信號同時開始計(jì)數(shù)。到達(dá)預(yù)置時間Tg后，預(yù)置門關(guān)閉，但兩個計(jì)數(shù)器并不停止計(jì)數(shù)，隨后而至的待測信號的上升沿到來時，同步門關(guān)閉，兩個計(jì)數(shù)器才同時停止計(jì)數(shù)，測得的計(jì)數(shù)值分別為N0和Nx。那么：fx/Nx=f0/N0對其進(jìn)行誤差分析：設(shè)所測頻率的準(zhǔn)確值為fx0。在一次測量中，由于fx計(jì)數(shù)的停止時間是由該信號的上升沿控制的，因此，在Tg時間內(nèi)對fx的計(jì)數(shù)Nx無誤差。在此時間內(nèi)f0的計(jì)數(shù)N0最多相差一個脈沖，即N01，那么下式成立：fx/Nx=f0/N0fx0/Nx=f0/(N0N0)由此可分別摧得：fx=(f0/N0)Nxfx0=f0/(N0N

26、0)Nx根據(jù)相對誤差公式有：fx0/fx0=fx0fx/fx0將上面的式子進(jìn)行整理后可得：fx0/fx0=N0/N0因?yàn)?N01所以 N0/N01/N0即相對誤差： f=fx0/fx01/N0其中： N0=Tsf0由上式可以得出結(jié)論：相對誤差f與被測信號頻率無關(guān)；增大Tg或提高f0可以增大N0，從而減小測量誤差，提高測量精度；測量精度與預(yù)置門寬度和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測信號頻率無關(guān)；標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為f0/f0,由于石英晶體的頻率穩(wěn)定度很高，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差很小。 由于控制計(jì)數(shù)的兩閘門的大體時間Tg是由人工預(yù)置的，通常Tg不一定是被測信號的整數(shù)倍，因此用同步門控電路將Tg延長至TX保證閘門與被測信號同步

27、，使閘門時間準(zhǔn)確地等于被測信號周期的整數(shù)倍數(shù)，由于閘門時間與被測信號同步，Nx不存在1的計(jì)數(shù)誤差，使得測量誤差與被測信號無關(guān)，這樣，可以通過對較少的低頻脈沖的測量到達(dá)同樣的精度，提高了對低頻信號的測量速度。等精度測頻的原理框圖如下： 圖2-3 等精度測頻原理框圖22 測相221 脈沖填充計(jì)數(shù)測相法基于測相原理：把相位差轉(zhuǎn)換為時間間隔，先測量出時間間隔再換算為相位差，采用脈沖填充計(jì)數(shù)法，將正弦波信號整形成方波信號，其前后沿分別對應(yīng)于正弦波的正相過零點(diǎn)與負(fù)相過零點(diǎn)，對兩路方波信號進(jìn)行“異或操作后得到這兩路信號的相位差信號A，將相位差與晶振的基準(zhǔn)頻率信號B進(jìn)行“與操作，得到一系列的高頻窄脈沖序列C。

28、使用兩個計(jì)數(shù)器分別對該脈沖序列和基準(zhǔn)源脈沖序列進(jìn)行同時計(jì)數(shù)得到兩個計(jì)數(shù)值N0和N1，再對計(jì)數(shù)進(jìn)行計(jì)算處理，即可得出兩信號的相位差: =(N1/N2)180.這種單周期的對相位的測量計(jì)數(shù)方法，測量誤差有點(diǎn)大，因?yàn)橛?jì)數(shù)器是用單片機(jī)的定時/計(jì)數(shù)器T0.T1進(jìn)行計(jì)數(shù)的，開始計(jì)數(shù)時與被測信號不同步，計(jì)數(shù)一定時間后停止計(jì)數(shù)也是隨機(jī)的，與被測信號無關(guān)，這樣的話測得的脈沖個數(shù)與實(shí)際脈沖數(shù)就存在1誤差，大大影響了測量精度。圖2-4 測相的原理框圖222 多周期等精度測相法基于測頻等精度測量法思想，實(shí)現(xiàn)相位差的高精度測量，通過同步門控制使測量信號的寬度為輸入信號的整數(shù)倍，實(shí)現(xiàn)多周期同步等精度測量。設(shè)置預(yù)置閘門時間

29、T1，同步控制電路使計(jì)數(shù)時間T2延長至被測信號脈沖的整數(shù)倍，使計(jì)數(shù)時間與被測信號脈沖保持同步，大大提高了測量精度，測量原理圖如下：圖2-5 測相等精度測量原理圖其系統(tǒng)框圖為： 圖2-6 測相系統(tǒng)框圖其中8MHZ的晶振信號的由下列圖產(chǎn)生:圖2-7 8MHZ晶振產(chǎn)生電路這是在多諧震蕩器電路中接入石英晶體,組成的石英晶體多諧震蕩器.輸出的頻率穩(wěn)定性比擬高,精度高.這種方法是對前一種的完善，都是將相位差轉(zhuǎn)化成時間測量的方式，但前一種誤差較大，精度不高，后一種采用多周期等精度測量的方法，通過同步控制器，使測量閘門控制寬度是被測信號的的整數(shù)倍，提高的精度，同時擴(kuò)展了測量的范圍，對高頻采用了分頻技術(shù)，要直接

30、測到頻率太高的信號，硬件設(shè)備要求也必須高，本錢也高，為減少本錢，提高測量范圍，對頻率太高 的信號在測量前對它實(shí)行分頻，例如100MHZ的信號經(jīng)過200分頻后就成500KHZ，這樣的頻率89C51單片機(jī)是能接受的，實(shí)現(xiàn)了測量范圍的擴(kuò)展。等精度測量相位的誤差來源與等精度測頻相同，主要是來自與量化誤差1/n，要盡量減少誤差，應(yīng)采用多周期平均值法，即屢次測量取平均值。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路31 測頻電路設(shè)計(jì)3、1、1 信號放大整形電路 一般被測信號都是小功率的正弦波，在被測之前要轉(zhuǎn)換成等頻率的方波，所以在被測之前對信號要進(jìn)行放大整形處理，放大器的品種很多，我們在著選擇用價格廉價的帶有真差動輸入的四低

31、頻率運(yùn)算放大器LM324，與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流大致為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一對每一個放大器而言。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了許多應(yīng)用場合中采用的外部偏置元件的必要性。輸出電壓范圍也包含負(fù)電源電壓。它有如下特點(diǎn)：短路保護(hù)輸出。真差動輸入級。單電源工作：3.0伏到32伏。低輸入偏置電流：最大100納安。每一封裝四個放大器，內(nèi)部補(bǔ)償。共模范圍擴(kuò)大到負(fù)電源。在輸入端的靜電放電箱位增加可靠性而不影響器件工作。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+、“-為兩個信號

32、輸入端，“V+、“V-為正、負(fù)電源端，“Vo為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖3-1。 圖3-1 LM324引腳 其放大電路如下圖 圖3-2 放大電路1 圖3-3 放大信號1其中Ci起隔直通交的作用，通常用0.47uF,電路的電壓放大倍數(shù)Av僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4。在這里設(shè)置放大倍數(shù)為11，選擇Rf為10K，R4為100K，因?yàn)榭紤]到LM324的工作電壓范圍大從3伏到32伏。這樣設(shè)計(jì)的同相交流放大器的輸入阻抗高，R1和R2提供基準(zhǔn)

33、偏置電壓為1/2Vcc，保證輸出的波形不失真的被放大，如果不提供偏置電壓，那么只有正半周期的信號能通過，負(fù)半周期的信號就被隔掉了。R3為輸入阻抗選擇阻值為100K，C2是濾波電容，電容值為4.7uF,穩(wěn)定偏置電壓的作用，當(dāng)電壓低時放電，電壓高時充電，保證了偏置電壓的穩(wěn)定。是輸入信號總體抬高了1/2Vcc，保證了全信號放大。因LM324共模范圍擴(kuò)大到負(fù)電源，也可以這樣設(shè)計(jì)放大電路，比上電路更簡便，不用提供偏置電壓，讓其接正負(fù)電源，這樣信號的負(fù)半局部就可以通過了。其電路圖 圖3-4 放大電路2 圖3-5放大信號2放大倍數(shù)AV=1+Rf1/Rf2,R為匹配電阻，一般取值為Rf1與Rf2的并聯(lián)電阻值。

34、 整形的實(shí)現(xiàn)選擇電壓比擬器LM339芯片來實(shí)現(xiàn)，電壓比擬器是對輸入信號進(jìn)行鑒幅與比擬的電路，是組成正弦波發(fā)生電路的根本單元電路，LM339集成塊內(nèi)部裝有四個獨(dú)立的電壓比擬器，該電壓比擬器的特點(diǎn)是：(1失調(diào)電壓小，典型值為2mV；(2電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為1V-18V；(3比照擬信號源的內(nèi)阻限制較寬；(4共模范圍很大，為0Ucc-1.5VVo；(5差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；(6輸出端電位可靈活方便地選用。外型及管腳排列如下列圖所示： 圖3-6 LM339引腳圖LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個比擬器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為

35、同相輸入端，用“+表示，另一個稱為反相輸入端，用“-表示。用作比擬兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)，另一端加一個待比擬的信號電壓。當(dāng)“+端電壓高于“-端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-端電壓高于“+端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差異大于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用在弱信號檢測等場合是比擬理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻稱為上拉電阻，選3-15K。選不同阻值的上拉電阻會影響輸

36、出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓根本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比擬器的輸出端允許連接在一起使用。其整形電路如下圖：圖3-7 整形電路要將正弦波進(jìn)行整形，將LM339構(gòu)成遲滯比擬器，跳變點(diǎn)為一固定值，由R1和滑動變阻器來決定跳變電壓，選擇跳變值大致為2伏，R1為10K。在正反響電路中接入一個非線性元件晶體二極管，加快比擬器的響應(yīng)速度，免除由于電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩。利用二極管的單向?qū)щ娦?，分辨差異小于U的兩個輸入電壓值。312 外局部頻電路該電路主要是來擴(kuò)展測頻上限的，擴(kuò)大頻率測量范圍的。因設(shè)計(jì)要求測頻范圍是010KHZ，是以單片機(jī)為核心的，從理論上講，

37、當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)的時鐘頻率為12MHZ時，其內(nèi)部計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)頻率為500KHZ，考慮到信號的占空比等因素，實(shí)際測量的最高頻率低于500KHZ。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求，必須對高于500KHZ的信號進(jìn)行分頻處理，系統(tǒng)在單片機(jī)的控制下，結(jié)合分頻電路，實(shí)現(xiàn)了測頻的上限的擴(kuò)展和測量量程的自動切換，提高了頻率計(jì)的實(shí)用價值和智能化程度。分頻的實(shí)現(xiàn)可以用一片計(jì)數(shù)器芯片8254，本錢低，電路簡單，先介紹一下8254芯片，8254是可編程定時/計(jì)數(shù)器，工作的最高頻率為10MHZ，每個芯片內(nèi)部有三個獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，每個計(jì)數(shù)器都有自己的時鐘輸入CLK.計(jì)數(shù)輸出OUT和門控制信號GATE，門控信號為輸入信號，用來禁止.允許或開

38、始計(jì)數(shù)過程的。它有六種不同的工作方式，GATE信號的控制作用也不同。它的工作方式2是一種具有自動裝入時間常數(shù)的N分頻器。其工作特點(diǎn)為:計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)期間，輸入OUT為高電平，計(jì)數(shù)器回零時，輸出一個寬度等于時鐘周期的負(fù)脈沖，并自動重新裝入園計(jì)數(shù)初值，一個負(fù)脈沖過去后，輸出有恢復(fù)高電平并重新作減法計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)器工作期間，如果向此計(jì)數(shù)器寫入新的計(jì)數(shù)初值，那么計(jì)數(shù)器仍按原計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)器回零并在輸出一個時鐘周期的負(fù)脈沖之后，才按新寫入的計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)。門控信號GATE為高電平時允許計(jì)數(shù)。要不要分頻是用軟件來判斷自動實(shí)現(xiàn)的，利用GATE的控制作用，把它與單片機(jī)的一個I/O口P1.0相連，用其來控制計(jì)數(shù)器的

39、工作，當(dāng)軟件識別不需要分頻時，使GATE為低電平，計(jì)數(shù)器不工作，當(dāng)需要分頻時，把GATE門翻開，設(shè)置好分頻數(shù)N，就能實(shí)現(xiàn)所需的分頻了。其與單片機(jī)的接口電路如下圖： 圖3-8 分頻電路313 同步門邏輯控制電路同步門邏輯控制電路由D觸發(fā)器構(gòu)成，這種觸發(fā)器的動作特點(diǎn)是輸出端狀態(tài)的轉(zhuǎn)換發(fā)生在CP的上升沿，而且觸發(fā)器所保存下來的狀態(tài)僅僅取決于CP上升沿到達(dá)時的輸入狀態(tài)。因?yàn)橛|發(fā)器輸入端狀態(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)生在CP的上升沿，那么可以利用這種特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)實(shí)際閘門信號和被測信號的同步。在測量開始后，利用單片機(jī)的P1.0作為預(yù)置門信號Tg的輸出線，當(dāng)P1.0=1時，在被測信號的上升沿作用下D觸發(fā)器的輸出Q=1，使得單片機(jī)

40、的INT0.INT1同時為1，啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時/計(jì)數(shù)器開始工作。其中，T0對被測信號fx進(jìn)行計(jì)數(shù)，T1對內(nèi)部頻標(biāo)f0進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)預(yù)置門時間到達(dá)Tg后，預(yù)置門時間到達(dá)Tg后，預(yù)置門關(guān)閉使得P1.0=0，但觸發(fā)器的輸出Q仍然為1，因此兩個計(jì)數(shù)器并不停止計(jì)數(shù)，直到隨后而至的待測信號的上升沿到來時，才使得D觸發(fā)器的輸出Q=0，同步門關(guān)閉，兩個計(jì)數(shù)器才同時停止計(jì)數(shù)。同步門控制電路與單片機(jī)的接口電路如下圖:圖3-9 同步門控制電路314 與單片機(jī)接口顯示電路單片機(jī)是電路的核心工作局部，它實(shí)現(xiàn)對電路的控制，數(shù)據(jù)的處理。顯示電路采用靜態(tài)顯示方式。頻率測量結(jié)果經(jīng)過譯碼，同過單片機(jī)的串行口送出。89C51有四

41、個八位的并行I/O口，用它們來控制外圍電路，片內(nèi)有兩個16位的定時器/計(jì)數(shù)器T0.T1，兩個外部中斷源INT0.INT1，用來對測量被測信號和單片機(jī)內(nèi)部頻標(biāo)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)的數(shù)然后送微處理器處理，因被測信號的頻率高達(dá)10KHZ，要用數(shù)碼管顯示出數(shù)據(jù)至少要用八個數(shù)碼管，單片機(jī)的八個并行口顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)的不夠用，需要擴(kuò)展，單片機(jī)有一個串行口，可用來進(jìn)行串行通信，擴(kuò)展并行I/O口，既不占用片外的RAM地址，又節(jié)省硬件開銷，是一種經(jīng)濟(jì).實(shí)用的方法。這里選用74LS164來擴(kuò)展并行輸出口，74LS164是八位串入并出移位存放器，先簡單介紹一下74LS164，其引出端的符號為：CLOCK 時鐘輸入端 CLE

42、AR 同步去除輸入端低電平有效A ，B 串行數(shù)據(jù)輸入端QA-QH 輸出端當(dāng)去除端CLEAR為低電平時，輸出端QA-QH均為低電平，串行數(shù)據(jù)輸入端A.B可控制數(shù)據(jù)，當(dāng)A.B任意為一個低電平，那么禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端CLOCK脈沖上升沿作用下Q0為低電平。當(dāng)A.B有一個為高電平，那么另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK上升沿作用下決定Q0的狀態(tài)。讓單片機(jī)的串行口工作在方式0的發(fā)送狀態(tài)，串行數(shù)據(jù)由RXD送出，讓RXD與74LS164的A或B端任一端相接，移時時鐘由TXD送出，讓起與CLOCK相連。去除端CLEAR與單片機(jī)的一個I/O口相連，讓單片機(jī)來控制。有了移位存放器就可任意擴(kuò)展并行口了，在這

43、里用八片74LS164擴(kuò)展八個8位的并行輸出口。74LS164將串行數(shù)據(jù)換成并行數(shù)據(jù)，進(jìn)行鎖存。然后讓74LS164與數(shù)碼管連接，就完成了顯示電路，選用數(shù)碼管有兩種：共陰和共陽的。共陰極的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管電亮，相應(yīng)的段被顯示。共陽極的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓，當(dāng)某個發(fā)光二極管接低電平時，發(fā)光二極管被電亮，相應(yīng)的段被顯示。所以在用之前要先檢測其為哪種數(shù)碼管。數(shù)碼管也不能直接和74LS164直接相連，因?yàn)樗墓ぷ髟试S電流為6MA-30MA，所以之間要接一定阻值的電阻，作限流作用，一般選用100-300的，選用

44、的電阻不同，其數(shù)碼管的亮度也不同。在這里選擇100的。 使用這種方法主程序可不必掃描顯示器，從而單片機(jī)可以進(jìn)行下一測量。這種方法也便于對顯示位數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。單片機(jī)的接口顯示電路如下圖：圖3-10 顯示電路315 擴(kuò)展報(bào)警電路作為測量儀器，一般都有它的測量范圍，。在這里設(shè)計(jì)的這樣一個測頻計(jì)同樣要考慮到這樣一個問題，萬一超出了測量的范圍后怎么辦呢？日常生活中，當(dāng)發(fā)生故障或處于緊急狀態(tài)時，一般用警覺的報(bào)警信號或者提示信號來提醒人們，受此啟發(fā)，不妨也設(shè)計(jì)一個報(bào)警電路，當(dāng)測量超過其范圍時系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警聲來提示。警報(bào)電路是用硬件來實(shí)現(xiàn)的，先將頻率轉(zhuǎn)換成電壓，并計(jì)算出8MHZ頻率轉(zhuǎn)換出的電壓，設(shè)值為V1，再用一

45、電壓比擬器把轉(zhuǎn)換后的電壓與V1進(jìn)行比擬，如果比V1值大，說明所測頻率超限，那么啟動報(bào)警信號使蜂鳴器響，并與單片機(jī)相連控制顯示器使其不顯示。如電壓比V1值小那么說明沒超限，照常工作。實(shí)現(xiàn)頻率/電壓的轉(zhuǎn)換，有專門的芯片，在這里選用LM2907頻率電壓轉(zhuǎn)換器。LM2907為集成式頻率電壓轉(zhuǎn)換器，芯片中包含了比擬器、充電泵、高增益運(yùn)算放大器，能將頻率信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，外型管腳如下列圖所示：圖3-11 LM2907引腳各引腳功能如下：腳F和11腳IN-為運(yùn)算放大器比擬器的輸入端；腳接充電泵的定時電容C1腳接充電泵的輸出電阻和積分電容R1/C2腳IN+和10腳UF1為運(yùn)算放大器的輸入端；腳為輸出晶體

46、管的發(fā)射極U0腳為輸出晶體管的集電極，一般接電源UC腳為正電源端VCC；12腳為接地端GND；，13，14腳未用其工作原理為：當(dāng)充電泵把從輸入級輸入來的頻率轉(zhuǎn)換成為直流電壓時，需外接定時電容C1、輸出電阻R1以及積分電容或?yàn)V波電容C2，當(dāng)?shù)谝患壿敵龅臓顟B(tài)發(fā)生改變時這種情況可能發(fā)生在輸入端上有適宜的過零電壓或差分輸入電壓時，定時電容在電壓差Vcc/2的兩電壓值之間被線性地充電或放電，在輸入頻率信號的半周期中，定時電容上的電荷變化量為C1*Vcc/2，泵入電容中的平均電流或流出電容中的平均電流為：IcAVGfin* C1*Vcc 輸出電路把這一電流準(zhǔn)確地送到負(fù)載電阻輸出電阻R1中，R1電阻的另一端

47、接地，這樣濾波后的電流被濾波電容積分后得到輸出電壓：Vcc*fin* C1*R1* K其中為增益常數(shù)，典型值為。電容C2的值取決于紋波電壓的大小和實(shí)際應(yīng)用中所需要的響應(yīng)時間。一般LM2907工作頻率為幾十K到幾百K赫茲，工作電壓接5V，超限頻率為8MHZ，所以必須接一分頻器，把8MHZ的信號先分頻后才能接入LM2907，在這里用77LS393四位雙計(jì)數(shù)器相當(dāng)于256分頻，8MHZ的信號經(jīng)256分頻后為32KHZ，在LM2907的工作范圍內(nèi)。定時電容C1可為充電泵提供內(nèi)部補(bǔ)償，為了獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，其值應(yīng)大于500pF，太小的電容值會在R1上產(chǎn)生誤差電流，特別在低溫應(yīng)用時更是如此。所以選擇C1

48、為1000PF，R1為10K。C2為0.47uF，8MHZ所對應(yīng)的電壓為1.6V。其轉(zhuǎn)換電路如下列圖所示：圖3-12 頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換后的電壓接如一電壓比擬器，這里就用前面介紹的LM339來實(shí)現(xiàn)，因8MHZ所對應(yīng)的電壓為1.6V，1.6V的比擬電壓比擬難實(shí)現(xiàn)，試設(shè)置為1V，選擇R1為20K，R2為40K(兩個20K串聯(lián)。LM339的輸出端接入單片機(jī)的P1.5，通過查詢P1.5口的狀態(tài)，假設(shè)為高電平，使P1.6輸出高電平，經(jīng)7406反向后得低電平，在壓電蜂鳴器上加上了近5V的直流電壓，由壓電效應(yīng)而發(fā)出蜂鳴音。假設(shè)為低電平，使P1.6輸出低電平，7406輸出高電平，約+5V，壓電蜂鳴器兩端

49、的直流電壓降至接近0V，就不會發(fā)音。其電路實(shí)現(xiàn)圖如下所示：圖3-13 報(bào)警電路32 測相電路設(shè)計(jì)321 前級放大整形電路這局部電路主要是由電壓跟隨器.放大器和比擬器組成的，可完成對兩列同頻信號的放大.整形，取出相位差信號。信號先經(jīng)一級電壓跟隨器后再進(jìn)行放大，電壓跟隨器可以提高測量儀的輸入阻抗。電壓跟隨器選用價格廉價的帶有真差動輸入的低頻率四運(yùn)放大器LM324，這個芯片在前面有介紹。放大器也選用LM324。其電路圖如下所示：圖3-14 前級信號放大電路在這里放大器為什么選擇前面介紹的前一種而不用電路簡單的第二種，將信號整體抬高一定電壓有利于后級的整形電路能輸出對稱的方波。整形電路用的是遲滯比擬器

50、，用一滑動變阻器來調(diào)整跳變電壓,以便輸出對稱的方波,如處理不當(dāng)可能輸出的就不是對稱的方波了。用LM339構(gòu)成遲滯回環(huán)比擬器，目的是為了有效地防止過零信號的干擾和抖動所引起的電壓跳變，在單限比擬器中，輸入電壓在閥值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出的躍變，不管這種微小變化是源于輸入信號還是外部干擾，遲滯比擬器具有滯回特性，具有一定的抗干擾能力，兩閥值電壓的差值愈大，電路的抗干擾能力愈強(qiáng)。最后再通過一級單們限電壓比擬器輸出TTL信號。經(jīng)放大整形處理后的兩信號輸入到74LS136“異或門得到相位差信號，以方波的脈沖序列輸出，電路圖如下圖：圖3-15 前級整形電路在此，設(shè)置比擬起的跳變電壓為1伏，由

51、R1.R2.Rf對電壓的分壓得到，選擇R1為20K，R2為60K三個20K的電阻串聯(lián)得到，Rf為20K。 圖3-16 放大整形波形圖322 相位差測量電路先將相位差信號和8MHZ的晶振通過74LS00“與非門后得到調(diào)制信號B，因測量是以單片機(jī)為核心的，不得不先考慮它的工作條件，單片機(jī)系統(tǒng)時鐘頻率為12MHZ，其內(nèi)部計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)器的最大工作頻率為500KHZ，設(shè)計(jì)要求對高達(dá)1MHZ的信號能夠測量，如對信號不進(jìn)行處理，超過500KHZ的信號就不能被測到了，8MHZ的晶振信號也是不能被單片機(jī)接受的，所以必須對被測信號和晶振頻率進(jìn)行分頻處理，分頻器也是用前面介紹的8254計(jì)數(shù)/定時器，用一片就可實(shí)

52、現(xiàn)了，只需用到其中的兩個定時/計(jì)數(shù)器CLK0和CLK1，對被測信號進(jìn)行10分頻，對8MHZ的晶振信號進(jìn)行20分頻，分頻與否由單片機(jī)來控制，將GATE0.GATE1與單片機(jī)的I/O口相連，上電后，不經(jīng)分頻的信號經(jīng)單片機(jī)處理，用軟件來判斷是否分頻，如要分頻，把GATE門翻開，分頻后的信號重新送單片機(jī)處理，然后再送數(shù)碼管顯示。分頻局部電路如下圖： 圖3-17 測相分頻電路同步等精度測量局部：結(jié)合測頻電路里同步門邏輯控制電路，同樣用一D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，思想與前面是一樣的，電路也是一樣的。顯示局部：因設(shè)計(jì)要求兩信號差小于90度，用兩片數(shù)碼管就可以滿足設(shè)計(jì)要求了，同樣是用串行口擴(kuò)展并行口，接兩片數(shù)碼管就可以

53、了。測量顯示電路如下圖：圖3-18 測相顯示電路323 相位極性判別電路 相位測量電路中，只能給出相位差的大小，無法判斷波形的超前或者滯后，必須設(shè)計(jì)一個電路來完成此功能，要解決判別出波形的超前或滯后，可以將整形后的兩列方波波形分別輸入到一個D觸發(fā)器的D和CP端中進(jìn)行相位極性判別，輸出的信號送入單片機(jī)的I/O進(jìn)行極性檢測，判斷出波形的超前或滯后，電路圖如下，當(dāng)U0超前U1時，D觸發(fā)器的Q 端輸出高電平；反之D觸發(fā)器的Q端輸出低電平。 圖3-19 相位極性判別 但這樣只是讓單片機(jī)識別了相位的超前和滯后，人們還是不知道是超前還是滯后，必須將檢測的結(jié)果進(jìn)一步處理才行，怎樣才能讓人知道呢？最簡單的就是用一發(fā)光二極管，用發(fā)光二極管的亮滅來代表相位的超前和滯后。把一發(fā)光二極管接至單片機(jī)的一I/O口，I/O口輸出的上下信號控制發(fā)光二極管的亮滅。這樣人們就可以知道超前和滯后了。 總的電路圖見附錄第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)41 主要任務(wù) 測頻系統(tǒng)的軟件的設(shè)計(jì)主要是保證和硬件電路結(jié)合，正確地實(shí)現(xiàn)等精度測量。其主要任務(wù)為：預(yù)置閘門P1.0,控制分頻閘門P1.1，對被測信號和單片機(jī)內(nèi)部頻標(biāo)計(jì)數(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，高精度運(yùn)算，顯示測量結(jié)果，控制報(bào)警。 測相其主要任務(wù)為：預(yù)置閘門P1.0