【文章內容簡介】 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，實現(xiàn)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(shù)時間 T2延長至被測信號脈沖的整數(shù)倍，使計數(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：東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)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(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 晶振信號圖 26 測相系統(tǒng)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,定性比較高,精度高.東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)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(shù)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(xiàn)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(tǒng)硬件設計電路第三章 系統(tǒng)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(tǒng)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 Fu 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(shù) Av 僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4。在這里設置放大倍數(shù)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 ittu iu 0圖 34 放大電路 2 圖 35 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。 整形的實現(xiàn)選擇電壓比較器 LM339 芯片來實現(xiàn)，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(tǒng)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 ΔU 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(tǒng)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(tǒng)的時鐘頻率為 12MHZ時，其內部計數(shù)器的最大計數(shù)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(xiàn)設計的要求，必須對高于 500KHZ 的信號進行分頻處理，系統(tǒng)在單片機的控制下，結合分頻電路，實現(xiàn)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(xiàn)可以用一片計數(shù)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(shù)器，工作的最高頻率為 10MHZ，每個芯片內部有三個獨立的計數(shù)器，每個計數(shù)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。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。其工作特點為:①計數(shù)器計數(shù)期間，輸入 OUT 為高電平，計數(shù)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(shù)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(shù)。②在計數(shù)器工作期間，如果向此計數(shù)器寫入新的計數(shù)初值，則計數(shù)器仍按原計數(shù)值計數(shù)，直到計數(shù)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(shù)值計數(shù)。③門控信號 GATE 為高電平時允許計數(shù)。要不要分頻是用軟件來判斷自動實現(xiàn)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(shù)器的工作，當軟件識別不需要分頻時，使GATE 為低電平，計數(shù)器不工作，當需要分頻時，把 GATE 門打開，設置好分頻數(shù) N，就能實現(xiàn)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 上升沿到達東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)硬件設計電路時的輸入狀態(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(xiàn)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(shù)器開始工作。其中，T0 對被測信號 fx進行計數(shù)，T 1對內部頻標 f0進行計數(shù)。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(shù)器并不停止計數(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，同步門關閉，兩個計數(shù)器才同時停止計數(shù)。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(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