【文章內(nèi)容簡介】 章 系統(tǒng)概述電壓/頻率轉(zhuǎn)換器把輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號。因此，系統(tǒng)的核心是對頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。綜合考慮頻率測量精度，范圍和測量反應(yīng)時(shí)間的要求，把測量工作分為兩種方法。對于 100Hz 以下的信號采用周期測量法；對于100Hz 以上的信號采用多周期同步法進(jìn)行測量，這樣能保證較高的測量精度。系統(tǒng)由單片機(jī) AT89C5電壓/頻率轉(zhuǎn)換器信號、預(yù)處理電路、串行通信電路、測量數(shù)據(jù)顯示電路和系統(tǒng)軟件所組成，其中信號預(yù)處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形和分頻電路。系統(tǒng)硬件框圖如圖 所示。信號預(yù)處理電路中的放大器實(shí)現(xiàn)對待測信號的放大，降低對待測信號的幅度要求；波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正弦波樣的正負(fù)交替的信號波形變換成可被單片機(jī)接受的 TTL/CMOS 兼容信號；分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)的頻率測量范圍。圖 系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)軟件包括測量初始化模塊、顯示模塊、信號多周期同步法測量模塊、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊、信號周期測量模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)模塊、浮點(diǎn)數(shù)格式化模塊、浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算模塊、浮點(diǎn)數(shù)到 BCD 碼轉(zhuǎn)換模塊。系統(tǒng)軟件框圖如圖 所示。圖 系統(tǒng)軟件框圖 基本工作過程本設(shè)計(jì)以 AT89C51 單片機(jī)為核心，利用它內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成待測信號頻率/周期的測量。單片機(jī) AT89C51 內(nèi)部具有 2 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，定時(shí)針數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時(shí)器時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期加 1(使用 12MHz 時(shí)鐘時(shí)，每 lμs 加 1)，這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時(shí)間間隔。在構(gòu)成為計(jì)數(shù)器時(shí)，在相應(yīng)的外引腳發(fā)生從 1 到 0 的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加 1，這樣在計(jì)數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸人每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測一次從 1 到 0 的跳變至少需要 2 個(gè)機(jī)器周期(24 個(gè)振蕩周期)，所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率的1/24(使用 12MHz 時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為 500KHz)。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作由相應(yīng)的運(yùn)行控制位 TR 控制，當(dāng) TR 置 1，定時(shí)/計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；當(dāng) TR 清 0，停止計(jì)數(shù)。測周法：對于低頻信號的測量，采用測周法。將單片機(jī)內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0定為 16 位定時(shí)器，對內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)，即方式控制字為01H。定時(shí)器的開關(guān)由程序根據(jù) ，檢測到上升沿時(shí)開 T0計(jì)數(shù)，當(dāng)緊接著的另一個(gè)上升沿被檢測到時(shí)關(guān) T0計(jì)數(shù)。T 0中的計(jì)數(shù)值為 nx，則被測信號周Tx=nxTs。在使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測量時(shí)，這時(shí)外部的待測信號通過頻率計(jì)的預(yù)處理電路變成寬度等于待測信號周期的方波，該方波同樣加至定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳。這時(shí)頻率計(jì)的工作過程為：首先定時(shí)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清 0，然后檢測方波高電平是否加至定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳；當(dāng)判定高電平加至定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳。運(yùn)行控制位 TR 置 1，啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器對單片機(jī)的機(jī)器周期的計(jì)數(shù)，同時(shí)檢測方波高電平是否結(jié)束；當(dāng)判定高電平結(jié)束時(shí) TR 清 0，停止計(jì)數(shù)，然后從計(jì)數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示測量結(jié)果。圖 計(jì)數(shù)原理多周期同步法：T 0為 l6 位計(jì)數(shù)器，T 1為 l6 位定時(shí)器，對內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)。T 0、T 1分別受 INT0及 INT1(即 D 觸發(fā)器的 Q 端)控制，即方式控制字為09DH。待測信號分別輸入至 T0及 D 觸發(fā)器的 CLK 端。開始測量時(shí)。將單片機(jī)(即 D 觸發(fā)器的 D 端)置“1”，即參考閘門信號。一般來說，P 改變時(shí)， 正處于某一周期的高電平或低電平處，觸發(fā)器 Q 端的狀態(tài)并不會立即改變(即實(shí)際閘門信號)，而是在下個(gè)脈沖的上升沿到來時(shí)變?yōu)楦唠娖?，T 0與 T1才開始啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了二者的同步。在定時(shí)時(shí)刻到來后，將 ，但觸發(fā)器的 Q 端仍將維持高電平狀態(tài)，直至下一個(gè)的脈沖上升沿到達(dá)。在使用多周期同步法實(shí)現(xiàn)頻率測量時(shí)，這時(shí)外部的待測信號為計(jì)數(shù)器 T0的計(jì)數(shù)源；T 1為 l6 位定時(shí)器，對內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)。待測信號分別輸入至 T0及D 觸發(fā)器的 CLK 端。頻率計(jì)的工作過程為：首先定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，將單片機(jī) (即 D 觸發(fā)器的 D 端)置“1”，運(yùn)行控制位 TR 置 1，啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器；然后運(yùn)行軟件延時(shí)程序，同時(shí)計(jì)數(shù)器 T0對外部的待測信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，定時(shí)器 T1對內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)。延時(shí)結(jié)束時(shí) TR 清 0，停止計(jì)數(shù)；最后從計(jì)數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示測量結(jié)果。 量程自動(dòng)切換量程自動(dòng)切換過程由頻率計(jì)量程的高端開始。如在 100KHz～ 頻率范圍。頻率計(jì)每個(gè)工作循環(huán)開始時(shí)使用多周期同步法實(shí)現(xiàn)頻率測量，并自動(dòng)選通 10 分頻，完成測量后判斷測量結(jié)果是否大于 10KHz，如果成立，將結(jié)果10 后送去顯示，本輪工作循環(huán)結(jié)束；否則將直接選通，繼續(xù)進(jìn)行測量判斷，這時(shí)對應(yīng)的頻率測量范圍為 100Hz～。如果測量結(jié)果小于 100Hz，頻率計(jì)則使用測周法實(shí)現(xiàn)頻率測量。首先頻率計(jì)自動(dòng)選通 10 分頻，這時(shí)對應(yīng)的頻率測量范圍為 10Hz～。完成測量后判斷測量結(jié)果是否大于 1Hz，如果成立，將結(jié)果10 后送去顯示，本輪工作循環(huán)結(jié)束；否則將直接選通，繼續(xù)進(jìn)行測量判斷，這時(shí)對應(yīng)的頻率測量范圍為 1Hz～。測量結(jié)果通過浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算模塊將信號周期轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的頻率值，再將結(jié)果送去顯示。這樣無論采用何種方式，只要完成一次測量即可，頻率計(jì)自動(dòng)開始下一個(gè)測量循環(huán)，因此該頻率計(jì)具有連續(xù)測量的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。第 3章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 電壓—頻率轉(zhuǎn)換電路555 定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字—模擬混合集成電路。只要將 555 定時(shí)器的 ν 11和 ν 12連在一起就能很方便地接成施密特觸發(fā)器，然后在施密特觸發(fā)器的基礎(chǔ)上再將 ν 0經(jīng) RC 積分電路接回輸入端就構(gòu)成了多諧振蕩器(見圖 )。為了減輕門 G4的負(fù)載，在電容 C 的容量較大時(shí)不宜直接由 G4提供電容的充、放電電流。為此，將 TD與 R1接成了一反相器，它的輸出 Vo’與 Vo在高、低電平狀態(tài)上完全相同。將 Vo’經(jīng) R2和 C 組成的積分電路接到施密特觸發(fā)器的輸入端同樣也能構(gòu)成多諧振蕩器 [10]。如圖 所示，本電路由 555 和 R1，RP 1，C 1組成的多諧振蕩器及衰減電路等組成，作為電壓—頻率轉(zhuǎn)換器。電位器 RP1 決定當(dāng)輸入電壓為 0V 時(shí)，使頻率計(jì)的讀數(shù)為 0HZ，RP 2用于在輸入電壓為 5V 時(shí)，使頻率計(jì)的讀數(shù)調(diào)節(jié)到 50Hz，即滿量程的調(diào)整，該電路可實(shí)現(xiàn)由頻率計(jì)替代測量電壓，可測量 0～5V 的直流電壓。通過增加衰減電路可進(jìn)一步擴(kuò)大測量范圍。圖 555 電路結(jié)構(gòu)圖 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路 單片機(jī)選型測量電路選用 AT89C51 作為頻率計(jì)的信號處理核心。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)。它的顯著優(yōu)點(diǎn)是：⑴內(nèi)含 FLASH 存儲器，這在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，可隨意進(jìn)行程序修改，既便錯(cuò)誤編程之后仍可以重新編程，故不存在廢品且大大縮短了程序的開發(fā)周期；同時(shí)在系統(tǒng)工作過程中能有效地保存數(shù)據(jù)信息。⑵采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，節(jié)省電能，這對于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有利。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 [1]。圖 AT89C51 單片機(jī)引腳圖AT89C51 包含 2 個(gè) 16 位定時(shí)鐘數(shù)器、1 個(gè)具有同步移位寄存器方式的串行輸入出口和 4K8 位片內(nèi) FLASH 程序存儲器。16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器用于實(shí)現(xiàn)待測信號的頻率測量或者待測信號的周期測量。同步移位寄存器方式的串行輸入出口用于把測量結(jié)果送到顯示電路。4K8 位片內(nèi) FLASH 程序存儲器用于放置系統(tǒng)軟件。89C51 與具有更大程序存儲器的芯片管腳兼容，如：89C52(8K8 位)或 89C55(32K8 位)，為系統(tǒng)軟件升級打下堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)(見圖 )[2]。 信號預(yù)處理電路單片機(jī)是數(shù)字信號處理工具。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。因此檢測來的正弦信號必需經(jīng)過預(yù)處理變?yōu)閱纹瑱C(jī)能接受的，且是采集簡便，計(jì)算工作量較少的信號。首先將信號通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號，同時(shí)也進(jìn)行線性放大，使之變?yōu)橐徊ㄐ握?guī)、幅值適當(dāng)?shù)恼倚盘?，然后?jīng)過零比較器變?yōu)榉讲ㄐ盘栠M(jìn)入單片機(jī)。 小信號放大電路此電路采用高速、寬頻帶運(yùn)放 OP37，并采用反饋電路，不僅使放大倍數(shù)為10 倍，并拓寬了頻帶， 最高工作頻率可達(dá)63MHz(見圖 )。 整形電路比較放大電路也采用 OP37 將輸入的非方波信號(如正弦波、三角波等)轉(zhuǎn)換為方波加以限幅，削波，再利用 7414 整形使其轉(zhuǎn)換成 TTL 電平的信號，74LS系列數(shù)字邏輯電路最高工作頻率可達(dá) 45MHz(見圖 )。圖 小信號放大電路圖 整形電路 分頻電路分頻電路采用十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器 74160，第二級輸出的方波加到 74160 的CLK，當(dāng)從 74160 的 TC 輸出可實(shí)現(xiàn) 10 分頻(多個(gè) 74160 的級連可以進(jìn)一步擴(kuò)展測頻范圍)。74LS 系列數(shù)字邏輯電路最高工作頻率可達(dá) 45MHz(見圖 )。圖 分頻電路 程控選通電路程控選通電路采用 CMOS 器件中的四輸入模擬開關(guān) CD4052 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程。模擬開關(guān)的選通線由單片機(jī)的 、P 。當(dāng) 、P 1 時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)選通直通電路測量，當(dāng) 、P 10 時(shí)，系統(tǒng)選通 10 分頻電路測量。因而大大簡化了硬件電路，避免了手動(dòng)的不便(見圖 )。圖 程控選通電路 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，由它來產(chǎn)生同步門信號 Ts。在測量開始后，利用單片機(jī)的 Tg的輸出線。當(dāng) =1 時(shí)，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)的 INT0,INT1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，T 0對被測信號 fx進(jìn)行計(jì)數(shù)，T 1對內(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)后，預(yù)置門關(guān)閉使得=0，但 D 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信號的上升沿到來時(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)(見圖 )。圖 同步門邏輯控制電 數(shù)據(jù)顯示電路顯示電路采用靜態(tài)顯示方式。頻率測量結(jié)果經(jīng)過譯碼，通過 89C51 的串行口送出。串行口工作于模式 O，即同步移位寄存器方式。波特率為振蕩頻