【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 入信號(hào)的整數(shù)倍，實(shí)現(xiàn)多周期同步等精度測(cè)量。設(shè)置預(yù)置閘門時(shí)間 T1，同步控制電路使計(jì)數(shù)時(shí)間 T2延長(zhǎng)至被測(cè)信號(hào)脈沖的整數(shù)倍，使計(jì)數(shù)時(shí)間與被測(cè)信號(hào)脈沖保持同步，大大提高了測(cè)量精度，測(cè)量原理圖如下： 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析 ABA ’B ’C閘 門 信 號(hào)1 0 0 m s 定 時(shí)DT1實(shí) 際 閘 門1 0 0 m sΔ t 圖 25 測(cè)相等精度測(cè)量原理圖 其系統(tǒng)框圖為： 放 大整形A ’AB B ’ 鑒 相 器C+同 步 閘 門 分 頻8 M H ZT 1 I N T 1 I N T 0 T 0 P 1 . 08 9 C 5 1 晶 振 信 號(hào) 圖 26 測(cè)相系統(tǒng)框圖 其中 8MHZ 的晶振信號(hào)的由下圖產(chǎn)生 : 11 13 6 0 Ω3 6 0 Ω0 . 0 1 u F8 M H Z8 M H Z 圖 27 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)定性比較高 ,精度高 . 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析 這種方法是對(duì)前一種的完善，都是將相位差轉(zhuǎn)化成時(shí)間 測(cè)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(cè)量的方法，通過(guò)同步控制器，使測(cè)量閘門控制寬度是被測(cè)信號(hào)的的整數(shù)倍，提高的精度，同時(shí)擴(kuò)展了測(cè)量的范圍，對(duì)高頻采用了分頻技術(shù)，要直接測(cè)到頻率太高的信號(hào)，硬件設(shè)備要求也必須高，成本也高，為減少成本，提高測(cè)量范圍，對(duì)頻率太高 的信號(hào)在測(cè)量前對(duì)它實(shí)行分頻，例如 100MHZ 的信號(hào)經(jīng)過(guò) 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(cè)量范圍的擴(kuò)展。 等精度測(cè)量相位的誤差來(lái)源與等精度測(cè)頻相同，主要是來(lái)自與量化誤差177。 1/n，要盡量減少誤 差，應(yīng)采用多周期平均值法，即多次測(cè)量取平均值。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路 3． 1 測(cè)頻電路 設(shè)計(jì) 1 信號(hào)放大整形電路 一般被測(cè)信號(hào)都是小功率的正弦波，在被測(cè)之前要轉(zhuǎn)換成等頻率的方波，所以在被測(cè)之前對(duì)信號(hào)要進(jìn)行放大整形處理，放大器的品種很多，我們?cè)谥x擇用價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四低頻率運(yùn)算放大器 LM324，與單電源應(yīng)用場(chǎng)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 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(duì)每一個(gè)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(chǎng)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)：①短路保護(hù)輸出。②真差動(dòng)輸入級(jí)。③單電源工作： 伏到 32 伏。低輸入偏置電流：最大 100 納安。④每一封裝四個(gè)放大器，內(nèi)部補(bǔ)償。⑤共模范圍擴(kuò)大到負(fù)電源。⑥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(hào)來(lái)表示，它有 5個(gè)引出腳，其中“ +”、“ ”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“ V+”、“ V”為正、負(fù)電源端，“ Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中， Vi（ ）為反相輸入端 ，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)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(hào)與該輸入端的相位相同。 LM324 的引腳排列見圖 31。 圖 31 LM324引腳 其放大電路如圖所示 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路 + L M 3 2 4u i+ v c cc iR 4R fR 3C 2R 1R 2C 0U 0C i1 0 0 k1 0 0 k4 。 7 u F u i2 . 5 vu 0 圖 32 放大電路 1 圖 33 放大信號(hào) 1 其中 Ci 起隔直通交的作用， 通常用 ,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)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(hào)能通過(guò)，負(fù)半周期的信號(hào)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 ,穩(wěn)定偏置電壓的作用，當(dāng)電壓低時(shí)放電，電壓高時(shí)充電，保證了偏置電壓的穩(wěn)定。是輸入信號(hào)總體抬高了 1/2Vcc，保證了全信號(hào) 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(jiǎn)便，不用提供偏置電壓，讓其接正負(fù)電源，這樣信號(hào)的負(fù)半部分就可以通過(guò)了。其電路圖 + L M 3 2 4+ 5 V 5 V+u iR f 1R f 2RU 0+C i ttu iu 0 圖 34 放大電路 2 圖 35放大信號(hào) 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。 整形的實(shí)現(xiàn)選擇電壓比較器 LM339 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，電壓比較器是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鑒幅與比較的電路，是組成正弦波發(fā)生電路的基本單元電路， LM339 集成塊內(nèi)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）電源電壓范圍寬，單電源為 236V，雙電源電壓為177。 1V177。 18V； (3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬； (4）共模范圍很大，為 0～（ ） Vo； (5）差動(dòng)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圖所示： 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路 圖 36 LM339引腳圖 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 范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(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。 其整形電路如圖所示： + L M 3 3 9+ 5 V U 0 39。R 上 拉U 0DWR 1 圖 37 整形電路 要將正弦波進(jìn)行整形，將 LM339 構(gòu)成遲滯比較器，跳變點(diǎn)為一固定值，由 R1 和滑動(dòng)變阻器來(lái)決定跳變電壓，選擇跳變值大致為 2伏， R1 為 10K。在正反饋電路中接入一個(gè)非線性元件晶體二極管，加快比較器的響應(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?，分辨差別小于Δ U 的兩個(gè)輸入電壓值。 3． 1． 2 外部分頻電路 該電路 主要是來(lái)擴(kuò)展測(cè)頻上限的，擴(kuò)大頻率測(cè)量范圍的。因設(shè)計(jì)要求測(cè)頻范圍是東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路 0— 10KHZ，是以單片機(jī)為核心的，從理論上講，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為 12MHZ時(shí)，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(hào)的占空比等因素，實(shí)際測(cè)量的最高頻率低于 500KHZ。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求，必須對(duì)高于 500KHZ 的信號(hào)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(cè)頻的上限的擴(kuò)展和測(cè)量量程的自動(dòng)切換，提高了頻率計(jì)的實(shí)用價(jià)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，成本低，電路簡(jiǎn)單，先介紹一下 8254 芯片， 8254 是可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器，工作的最高頻率為 10MHZ，每個(gè)芯片內(nèi)部有三個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器都有自己的時(shí)鐘輸入 OUT 和門控制信號(hào) GATE，門控信號(hào)為輸入信號(hào)，用來(lái)禁止 .允許或開始計(jì)數(shù)過(guò)程的。它有六種不同的工作方式， GATE 信號(hào)的控制作用也不同。它的工作方式 2 是一種具有自動(dòng)裝入時(shí)間常數(shù)的 N 分頻器。其工作特點(diǎn)為 :①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(shí)，輸出一個(gè)寬度等于時(shí)鐘周期的負(fù)脈沖，并自動(dòng)重新裝入園計(jì)數(shù)初值，一個(gè)負(fù)脈沖過(guò)去后，輸出有恢復(fù)高電平并重新作減法計(jì)數(shù)。②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，則計(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(gè)時(shí)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)。③門控信號(hào) GATE 為高電平時(shí)允許計(jì)數(shù)。 要不要分頻是用軟件來(lái)判斷自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，利用 GATE 的控制作用，把它與單片機(jī)的一個(gè) I/O 口 ，用其來(lái)控制計(jì)數(shù)器的工作，當(dāng)軟件識(shí)別不需要分頻時(shí)，使 GATE為低電平，計(jì)數(shù)器不工作，當(dāng)需要分頻時(shí)，把 GATE 門打開，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)的接口電路如圖所示： C L K 0D 0..D 7C SA 1A 2R DW RP 0 . 0..P 0 . 7P 2 . 0P 2 . 1P 2 . 2R DW RP 1 . 4f xU 0 39。8 2 5 4A T 8 9 C 5 1G A T E 0O U T 0 圖 38 分頻電路 3． 1． 3 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(dòng)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(lái)的狀態(tài)僅僅取決于 CP上升沿到達(dá)時(shí)的東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路 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(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際閘門信號(hào)和被測(cè)信號(hào)的同步。在測(cè)量開始后，利用單片機(jī)的 作為預(yù)置門信號(hào) Tg 的輸出線，當(dāng) =1 時(shí)，在被測(cè)信號(hào)的上升沿作用下 D 觸發(fā)器的輸出Q=1，使得單片機(jī)的 同時(shí)為 1，啟 動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí) /計(jì)數(shù)器開始工作。其中， T0 對(duì)被測(cè)信號(hào) fx進(jìn)行計(jì)數(shù)， T1對(duì)內(nèi)部頻標(biāo) f0進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)預(yù)置門時(shí)間到達(dá) Tg后，預(yù)置門時(shí)間到達(dá) Tg后，預(yù)置門關(guān)閉使得 =0，但觸發(fā)器的輸出 Q 仍然為 1，因此兩個(gè)計(jì)數(shù)器并不停止計(jì)數(shù)，直到隨后而至的待測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，才使得 D觸發(fā)器的輸出 Q=0，同步門關(guān)閉，兩個(gè)計(jì)數(shù)器才同時(shí)停止計(jì)數(shù)。同步門控制電路與單片機(jī)的接口電路如圖所示 : D C PQP 1 . 0 I N T 0 I N T 1 T 08 9 c 5 1f x 圖 39 同步門控制電路 3． 1． 4 與單片機(jī)接口顯示電路 單片機(jī)是電路的核心 工作部分，它實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)譯碼，同過(guò)單片機(jī)的串行口送出。 89C51 有四個(gè)八位的并行 I/O口，用它們來(lái)控制外圍電路，片內(nèi)有兩個(gè) 16位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ，兩個(gè)外部中斷源 ，用來(lái)對(duì)測(cè)量被測(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)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(gè)數(shù)碼管，單片機(jī)的八個(gè)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(gè)串行口，可用來(lái)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