【文章內容簡介】 入信號的整數倍，實現多周期同步等精度測量。設置預置閘門時間 T1，同步控制電路使計數時間 T2延長至被測信號脈沖的整數倍，使計數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： 東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統總體設計思路及方案分析 ABA ’B ’C閘 門 信 號1 0 0 m s 定 時DT1實 際 閘 門1 0 0 m sΔ t 圖 25 測相等精度測量原理圖 其系統框圖為： 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 圖 26 測相系統框圖 其中 8MHZ 的晶振信號的由下圖產生 : 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 . 東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統總體設計思路及方案分析 這種方法是對前一種的完善，都是將相位差轉化成時間 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倍，提高的精度，同時擴展了測量的范圍，對高頻采用了分頻技術，要直接測到頻率太高的信號，硬件設備要求也必須高，成本也高，為減少成本，提高測量范圍，對頻率太高 的信號在測量前對它實行分頻，例如 100MHZ 的信號經過 200 分頻后就成 500KHZ，這樣的頻率 89C51 單片機是能接受的，實現了測量范圍的擴展。 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177。 1/n，要盡量減少誤 差，應采用多周期平均值法，即多次測量取平均值。 東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統硬件設計電路 第三章 系統硬件設計電路 3． 1 測頻電路 設計 1 信號放大整形電路 一般被測信號都是小功率的正弦波，在被測之前要轉換成等頻率的方波，所以在被測之前對信號要進行放大整形處理，放大器的品種很多，我們在著選擇用價格便宜的帶有真差動輸入的四低頻率運算放大器 LM324，與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它有一些顯著的優(yōu)點。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（對每一個放大器而言）。 共模輸入范圍包括負電源，因而消除了許多應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電源電壓。它有如下特點：①短路保護輸出。②真差動輸入級。③單電源工作： 伏到 32 伏。低輸入偏置電流：最大 100 納安。④每一封裝四個放大器，內部補償。⑤共模范圍擴大到負電源。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“ +”、“ ”為兩個信號輸入端，“ V+”、“ V”為正、負電源端，“ 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 31。 圖 31 LM324引腳 其放大電路如圖所示 東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統硬件設計電路 + 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 1 其中 Ci 起隔直通交的作用， 通常用 ,電路的電壓放大倍數 Av 僅由外接電阻決 定： Av=1+Rf/R4。在這里設置放大倍數為 11，選擇 Rf為 10K， R4 為 100K，因為考慮到 LM324 的工作電壓范圍大從 3伏到 32伏。這樣設計的同相交流放大器的輸入阻抗高， R1 和 R2提供基準偏置電壓為 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 ,穩(wěn)定偏置電壓的作用，當電壓低時放電，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 共模范圍擴大到負電源，也可以這樣設計放大電路，比上電路更簡便，不用提供偏置電壓，讓其接正負電源，這樣信號的負半部分就可以通過了。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 2 放大倍數 AV=1+Rf1/Rf2,R為匹配電阻，一般取值為 Rf1與 Rf2的并聯電阻值。 整形的實現選擇電壓比較器 LM339 芯片來實現，電壓比較器是對輸入信號進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 集成塊內部裝有四個獨立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是： (1）失調電壓小，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）對比較信號源的內阻限制較寬； (4）共模范圍很大，為 0～（ ） Vo； (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圖所示： 東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統硬件設計電路 圖 36 LM339引腳圖 LM339 類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“ +”表示，另一個稱為反相輸入端，用“ ”表示。用作比較兩個電壓時，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），另一端加一個待比較的信號電壓。當“ +”端電壓高于“ ”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“ ”端電壓高于“ +”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV 就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉換到另一種狀態(tài)，因此，把 LM339 用在弱信號檢測等場合是比較理想的。 LM339 的輸出端相當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 315K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電 壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。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 要將正弦波進行整形，將 LM339 構成遲滯比較器，跳變點為一固定值，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。在正反饋電路中接入一個非線性元件晶體二極管，加快比較器的響應速度，免除由于電路寄生耦合而產生的自激振蕩。利用二極管的單向導電性，分辨差別小于Δ U 的兩個輸入電壓值。 3． 1． 2 外部分頻電路 該電路 主要是來擴展測頻上限的，擴大頻率測量范圍的。因設計要求測頻范圍是東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統硬件設計電路 0— 10KHZ，是以單片機為核心的，從理論上講，當單片機系統的時鐘頻率為 12MHZ時，其內部計數器的最大計數頻率為 500KHZ，考慮到信號的占空比等因素，實際測量的最高頻率低于 500KHZ。為實現設計的要求，必須對高于 500KHZ 的信號進行分頻處理，系統在單片機的控制下，結合分頻電路，實現了測頻的上限的擴展和測量量程的自動切換，提高了頻率計的實用價值和智能化程度。分頻的實現可以用一片計數器芯片 8254，成本低，電路簡單，先介紹一下 8254 芯片， 8254 是可編程定時 /計數器，工作的最高頻率為 10MHZ，每個芯片內部有三個獨立的計數器，每個計數器都有自己的時鐘輸入 OUT 和門控制信號 GATE，門控信號為輸入信號，用來禁止 .允許或開始計數過程的。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的 N 分頻器。其工作特點為 :①計數器計數期間，輸入 OUT 為高電平，計數器回零時，輸出一個寬度等于時鐘周期的負脈沖，并自動重新裝入園計數初值，一個負脈沖過去后，輸出有恢復高電平并重新作減法計數。②在計數器工作 期間，如果向此計數器寫入新的計數初值，則計數器仍按原計數值計數，直到計數器回零并在輸出一個時鐘周期的負脈沖之后，才按新寫入的計數值計數。③門控信號 GATE 為高電平時允許計數。 要不要分頻是用軟件來判斷自動實現的，利用 GATE 的控制作用，把它與單片機的一個 I/O 口 ，用其來控制計數器的工作，當軟件識別不需要分頻時，使 GATE為低電平，計數器不工作，當需要分頻時，把 GATE 門打開，設置好分頻數 N，就能實現所需的分頻了。其與單片機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)器構成，這種觸發(fā)器的動作特點是輸出端狀態(tài)的轉換發(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上升沿到達時的東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統硬件設計電路 輸入狀態(tài)。因為觸發(fā)器輸入端狀態(tài)轉換發(fā)生在 CP 的上升沿，那么可以利用這種特點來實現實際閘門信號和被測信號的同步。在測量開始后，利用單片機的 作為預置門信號 Tg 的輸出線，當 =1 時，在被測信號的上升沿作用下 D 觸發(fā)器的輸出Q=1，使得單片機的 同時為 1，啟 動單片機內部的定時 /計數器開始工作。其中， T0 對被測信號 fx進行計數， T1對內部頻標 f0進行計數。當預置門時間到達 Tg后，預置門時間到達 Tg后，預置門關閉使得 =0，但觸發(fā)器的輸出 Q 仍然為 1，因此兩個計數器并不停止計數，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，同步門關閉，兩個計數器才同時停止計數。同步門控制電路與單片機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 與單片機接口顯示電路 單片機是電路的核心 工作部分，它實現對電路的控制，數據的處理。顯示電路采用靜態(tài)顯示方式。頻率測量結果經過譯碼，同過單片機的串行口送出。 89C51 有四個八位的并行 I/O口，用它們來控制外圍電路，片內有兩個 16位的定時器 /計數器 ，兩個外部中斷源 ，用來對測量被測信號和單片機內部頻標的脈沖進行計數，將計的數然后送微處理器處理，因被測信號的頻率高達 10KHZ，要用數碼管顯示出數據至少要用八個數碼管，單片機的八個并行口顯然遠遠的不夠用，需要擴展，單片機有一個串行口，可用來進行串行通信，擴展并行 I/O 口，既不占用 片外的 RAM地址，又節(jié)省硬