【正文】 2．內(nèi)部結(jié)構(gòu) 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 25 ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A／ D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示，它由 8 路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8 位開關(guān)樹型 A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 測量結(jié)果。它由一個(gè) 8 路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成（見圖 1）。 ab c 圖 3. 6 施密特觸發(fā) 器對波形整形的原理圖 555 可以看成 一個(gè) RS 觸發(fā)器，它的位置電平 VT≤ 1/3VDD，而其復(fù)位電平VT+≥ 2/3VDD(閥值電平 )。所以此電路將信號的放大倍數(shù)為 10 倍。輸入單片機(jī)的信號必需是離散的數(shù)字信號或者是脈沖信號。當(dāng) AT89C52 執(zhí)行外部程序存儲器的指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期 PSEN 兩次有效，除了當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)， PSEN 將跳過兩個(gè)信號。 P3 口同時(shí)具有 AT89C51 的多種特殊功能，具體如下表 所示 。 P2 口在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如 MOVX ＠ DPTR）時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。 P1 口： P1 口是一帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。⑶由于它是以 8031 核構(gòu)成的，所以它與 MSC51 系 列單片機(jī)相兼容，這對于熟悉 MSC51 系列的廣大用戶來說，用 AT89 系列單片機(jī)取代 51 系列進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)是輕而易舉的。 分壓穩(wěn)壓電路波形轉(zhuǎn)換電路輸入交流電壓隔離降壓單片機(jī)處理控制電路分壓穩(wěn)壓電路A / D 轉(zhuǎn)換電路串口輸出顯示電路 圖 2. 17 電壓 、 頻率檢測系統(tǒng) 框圖 系統(tǒng)電路的工作原理簡述如下：交流電壓經(jīng)過隔離 變壓器 隔離降壓、限流 變?yōu)?A/D 轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)能接受電壓范圍，然后 分成兩路電壓輸入信號。而 Q 變?yōu)楦唠娖胶笫?T3 導(dǎo)通， CT 通過 T3 迅速放電至 VCT≈ 0，并使 比較器 C2 的輸出為 0。電路由兩部分組成，一部分是用觸發(fā)器、電壓比較器 (C1 和C2)和放電管 T3 構(gòu)成的定時(shí)電路，另一部分是用基準(zhǔn)電壓源、電壓跟隨器 A 和鏡像電流源構(gòu)成的電流源及開關(guān)控制電路。隨著充電過程的進(jìn)行 VA 逐漸升高。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 15 若將反相器輸出的施密特觸發(fā)器的輸出電壓經(jīng) RC 積分電路反饋到輸入端，就能構(gòu)成多諧振蕩器。2T1iiUu=39。采樣階段結(jié)束時(shí)，一方面因參考電壓 VREF 的極性與 UI 相反，積分器向相反方向積分。 第一階段，令開關(guān) S1 置于輸入信號 Ui 一側(cè)。于是 v1 再與（ 3/4） VREF 相比較，如 v1≥（ 3/4） VREF，則次高位 Dn2 存 1，否則 Dn2=0；如最高位為 0，則v0=VREF/4，與 v0 比較 ，如 v1≥VREF/4，則 Dn2 位存 1，否則存 0?? 。照此一直加到最小一個(gè)砝碼為止。 設(shè) uI 變化范圍是 0~VREF，輸出 3 位數(shù)字量為 D D D0， 3 位并行比較型A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系如 表 所示。 A/D 轉(zhuǎn)換器 +7C+6C+5C+4C+3C+2C?+1C7F6F5F4F3F2F1FRR / 2R E FV1 5/1 3 R E FVR E FVIuRRRRR2)2(1)2(0)2()M S B(L S B )(0D1D2DC P電 壓 比 較 器寄 存 器代碼轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)R3 V7Q0 7C0 1C6Q5Q4Q3Q2Q1Q1 DC 11 5/ER F 1 5/1 D1 D1 DC 1C 1C 11 D1 D1 DC 1C 1C 1?????? 圖 2. 10 三位并行 A/D 轉(zhuǎn)換器 原理圖 3 位并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器原理電路如圖 所示。定時(shí)計(jì)數(shù)沒有溢出的最大計(jì)數(shù)值為 65535。一個(gè)作為定時(shí)器，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號 TX；另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器，對 fX的變化次數(shù)直接進(jìn)行計(jì)數(shù)得 Nx，得 fx=Nx/Tz。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 6 輸入電路顯示控制電路時(shí)基閘門 A閘門 B計(jì)數(shù)器 A計(jì)數(shù)器 B運(yùn)算器f xf 0 圖 2. 4 多周期同步法測頻原理圖 同步法測量頻率時(shí)序圖如圖 所示。而實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮到為了提高測量精度 和保證測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)刷新，可根據(jù)不同的頻率范圍選擇適當(dāng)?shù)闹芷跀?shù) M，然后取其平均值來減少測量誤差。 利用 51 系列單片機(jī)，采用上述測量原理，標(biāo)準(zhǔn)閘門信號或標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號可由單片機(jī)內(nèi)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器提供，只需采用簡單的程序控制就可測得對應(yīng)的經(jīng)過信號預(yù)處理的 fX或 TX。 頻率的測量原理 交變信號或脈沖信號的頻率是指在單位時(shí)間內(nèi)由信號所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)，即 fX=N/t。 這種測量裝置硬件結(jié)構(gòu)簡單、 測量 誤差小、價(jià)格低， 具有很高的實(shí)用價(jià)值 ，可以作為 測試儀器使用，也可以作為監(jiān)測裝置的一部分。 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、 測量誤差小 ， 具有很高的實(shí)用價(jià)值 。 尤其在 狹小的空間操作 時(shí) ，經(jīng)常要面對功能眾多、大小不等、量程各異的儀表盤，這些儀表盤不僅占用空間， 而且不夠直觀，容易造成 工作 人員的誤操作或反應(yīng)滯后，給操作帶來不必要的麻煩。 設(shè)計(jì)的意義 本設(shè)計(jì) 提出一種進(jìn)行交流電頻率、電壓測量的方法，以簡化系統(tǒng)的操作空間。 1 HZ。 1 誤差引起的測頻誤差可達(dá) 10%。 是利 用周期和頻率之間互為倒數(shù)的關(guān)系，通過測量周期性矩形脈沖信號一個(gè)或多個(gè)周期的時(shí)間，取其一個(gè)周期的倒數(shù)即為該脈沖信號的頻率。當(dāng)單片機(jī)給出閘門關(guān)閉信號后，計(jì)數(shù)器并不立即停止計(jì)數(shù)而是等到被測信號上升沿到來的時(shí)刻才真正結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測量過程 (見圖 )。設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖 所示。 設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖 所示： 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 9 開始T 0 、 T 1 初始化啟動 T 0 、 T 1T 1 定時(shí) 1 sT 0 、 T 1 停止工作f = M數(shù)碼管顯示結(jié)束T 0 累積計(jì)數(shù) MYN 圖 2. 9 直接測頻法原理框圖 在計(jì)數(shù)器工作方 式下，加至外部引腳的待測信號發(fā)生從 0 到 1 的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加 1，這樣在定時(shí)閘門信號的控制下可以用來測量待測信號的頻率。雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器則屬于間接型 A/D 轉(zhuǎn)換器。比較器的輸出狀態(tài)由 D 觸發(fā)器存儲， CP 作用后，觸發(fā)器的輸出狀態(tài) Q7 ~Q1 與對應(yīng)的比較器的輸出狀態(tài) C07 ~C01 相同。 2. 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器的工作原理 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 12 移位寄存器數(shù)據(jù)就寄存器D / A 轉(zhuǎn)換器控制邏輯電路電壓比較器時(shí)鐘Dn 1Dn 2D 1D 0數(shù)字量輸出V REF啟動脈沖v 0模擬量輸入 v 1 圖 2. 11 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器的工作原理 圖 逐次逼近轉(zhuǎn)換過程和用天平稱物重非常相似。比較結(jié)果存于數(shù)據(jù)寄存器的 Dn1 位。( M S B )( L S B )GGU???1S0S0d2nd 1nd C PU O 1 圖 2. 12 雙積分型 AD 轉(zhuǎn)換器的框圖 轉(zhuǎn)換開 始前，先將計(jì)數(shù)器清零，并接通 S0使電容 C 完全放電。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到滿量程 N 時(shí)，計(jì)數(shù)器由全 “ 1” 復(fù) “ 0” ，這個(gè)時(shí)間正好等于固定的積分時(shí)間 T1。若輸入電壓 UI1UI， U?O1UO1，則 22TT?? ，它們之間也都滿足固定的比例關(guān)系，如圖 所示。 有良好的精度、線性和積分輸入特點(diǎn)，此外它的應(yīng)用電路簡單，外圍元件要求不高，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)速不低于一般的雙積分 A/D 器件，且價(jià)格低，因此 V/F 轉(zhuǎn)換技術(shù)廣泛用于非快速 A/D 過程中。 、放電型壓控振蕩器 圖 是用 CMOS 電路構(gòu)成的電容交叉充、放電型壓控振蕩器的原理圖。如此周 而復(fù)始，在輸出端 Vo 就得到了矩形輸出脈沖。而 Q 端的低電平使 T3 截止，所以 CT 也同時(shí)開始充電。 顯示用 LCD 來顯示， 能 更直觀的顯示電壓、頻率的值。 AT89 系列單片機(jī)是美國 ATMEL 公司近年來推出的一種新型高性能低價(jià)位，低電壓，低功耗的 8位 CMOS 微型計(jì)算機(jī)。在這種模式下， P0 口具有內(nèi)部上拉電阻。 P2 口的輸出緩沖能驅(qū)動 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。 P3 口的輸出緩沖能驅(qū)動 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。 一般情況下， ALE 是以晶振頻率的 1/6 輸出，可以用作外部時(shí)鐘或定時(shí)目的。 XTAL1：振蕩器反相放大器以及內(nèi)部時(shí)鐘電路的輸入端。 圖 3. 2 頻率信號預(yù)處理電路 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 22 降壓 電路 交流電要經(jīng)過變壓器件降壓后才可以通過放大、整形電路將信號送入 單片機(jī)進(jìn)行處理。 電路如圖 所示。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 24 A/D 轉(zhuǎn) 換電路 單片機(jī)本身只能識別和處理一種離散的數(shù)字信號，而在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，需要監(jiān)測和控制的是一些電壓、電流等隨時(shí)間連續(xù)變化的電物理量，所以為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的控制和檢測， A／ D轉(zhuǎn)換電路是必不可少的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕? IN0～ IN7： 8 路模擬量輸入端。 它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號， 只選通 8 路模擬輸入信號中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。在輸出端得到規(guī)則的矩形脈沖，對波形進(jìn)行了變換和整形。 本設(shè)計(jì)采用 555 構(gòu)成的施密特觸發(fā)器作為整形電路。由單片機(jī)來處理后送到顯示器進(jìn)行直觀顯示。需要主要的是，如果加密位 1 被編程，復(fù)位時(shí) EA 端會自動內(nèi)部鎖存。 ALE/PROG :當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許是一輸出脈沖，用以鎖存地址的低 8 位字節(jié)。 當(dāng) EPROM 編程或校驗(yàn)時(shí)， P2 口同時(shí)接收高 8 位地址和一些控制信號。當(dāng)作為輸入端使用時(shí)， P1 口因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，所以當(dāng)外部被拉低時(shí)會輸出一個(gè)低電流（ IIL）。當(dāng)對 0 端口寫入 1 時(shí)，可以作為高阻抗輸入端使用。 這樣可以很好的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所要求的功能。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文說明書 17 系統(tǒng) 方案選擇 根據(jù)前面電壓、頻率的測量原理，以及本設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，綜合考慮電壓、頻率測量精度 以及外測量范圍、反應(yīng)時(shí)間等等， 頻率測量選 擇 用 直接測頻率 法來測量 ， 采用這種方法測量簡單而且可以保證測量的準(zhǔn)確度。 Q 端的高電平使 T2 導(dǎo)通， Vo=0。隨著充電過程的進(jìn)行 VB逐漸升高。 (a) 電路結(jié)構(gòu) (b) 電壓波形 圖 2. 14 施密特觸發(fā)器型壓控振蕩器的原理性電路和電壓波形 由圖 的電壓波形可以看出，當(dāng)充、放電電流 I0 增大時(shí)，充電時(shí)間 T1和放電時(shí)間 T2 隨之減小，故振蕩周期縮短、震蕩頻率增加。不過在工業(yè)控制系統(tǒng)中的許多場合，毫秒級的轉(zhuǎn)換時(shí)間已經(jīng)足足有余，雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)正好有了用武之地。因此得到： I1R EF2 URCTVRCT ? 即 IREF12 UVTT ? 式表明，反向積分時(shí)間 T2 與輸入模擬電壓成正比。這一過程稱為轉(zhuǎn)換電路對輸入模擬電壓的采樣過程。圖 給出的是 VT 型雙積分式 AD 轉(zhuǎn)換器的原理圖。 對 的電路，它由啟動脈沖啟動后，在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖作用下，控制電路使時(shí)序產(chǎn) 生器的最高位置 1，其他位置 0，其輸出經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器將 1000?? 0，送入 D/A 轉(zhuǎn)換器。并行 A/D 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間 短，可小到幾十納秒，但所用的元器件較多，如一個(gè) n位轉(zhuǎn)換器，所用的比較器的個(gè)數(shù)為 2n1 個(gè)。輸入電壓為 uI，它的大小決定各比較器的輸出狀態(tài)，例如，當(dāng) 0≤ uI＜（ VREF/15）時(shí)， C1~C7 的輸出狀態(tài)都為 0；當(dāng)（ 3VREF/15）＜ uI＜（ 5VREF/15）時(shí)，比較器 C1 和 C2 的輸出 C01=C02=1,其余各比較器輸出狀態(tài)都為 0。并行比較型和逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器屬于這一類。計(jì)數(shù)法測量頻率時(shí)序如圖 所示。最后分別取出計(jì)數(shù)器 T0 中的計(jì)數(shù)值 N和定時(shí)器 T1 的內(nèi)部計(jì)時(shí)時(shí)間 T1 代入公式f=N/T1 進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，送數(shù)碼管顯示被測脈沖頻率。 多周期同步法 適用于中頻信號 。定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T1與之相類似。對于低頻信號，如果利用電子計(jì)數(shù)器直接測頻，由于177。 技術(shù)指標(biāo) ① 電壓范圍： 0250V； ② 頻率范圍 ： 09999HZ； ③ 檢測周期：≥１０次／秒