【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 /外部觸發(fā)計(jì)數(shù) ) C．輸入捕獲 D．輸出比較 E．支持針對(duì)定位的增量 (正交 )編碼器和霍爾傳感器電路 F．觸發(fā)輸入作為外部時(shí)鐘或者按周期的電流管理 4 系統(tǒng)硬件 電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用以 MCU 為核心的方案來(lái)完成低頻相位測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) [8]。本設(shè)計(jì)將硬件電路分為 相位測(cè)量 模塊 、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、顯示 電路模塊 和電源電路 模塊 四部分 。 通過(guò)相位測(cè)量電路采集到得兩個(gè)同頻正弦信號(hào)的相位差所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差以及信號(hào)周期，送到單片機(jī)的 定時(shí)器 外部中斷口，讓單片機(jī)最小系統(tǒng)完成讀取數(shù)據(jù)，并能根據(jù)所讀取的 數(shù)據(jù)計(jì)算出兩路同頻信號(hào)之間的相位差 ， 這就充分的發(fā)揮了單片機(jī)控制運(yùn)算基于 stm32 的低頻相位測(cè)量?jī)x 設(shè)計(jì) 7 能力強(qiáng)的特點(diǎn) 。最后，由 顯示模塊 顯示出所測(cè)量計(jì)算 的 相位差 和輸入頻率 。 相位測(cè)量 模塊 設(shè)計(jì) 相位測(cè)量電路主要包括輸入電路的設(shè)計(jì)和鑒相器電路 部分 的 設(shè)計(jì)。其中輸入電路起到了波形轉(zhuǎn)換及整形的功能。 輸入電路 設(shè)計(jì) 輸入電路 被測(cè)信號(hào)是周期相同、幅度和相位不同的兩路正弦信號(hào)，為了準(zhǔn)確地測(cè)量出正弦信號(hào)的相位差，需要 對(duì) 輸入波形進(jìn)行整形 [9]，使輸入信號(hào)變成矩形波信號(hào)，并送給鑒相器進(jìn)行處理。 另外，在相位差測(cè)量的過(guò)程當(dāng)中，不允許兩路被測(cè)輸入信號(hào)在整形輸入電路中發(fā)生相對(duì)相移，或者應(yīng)該是的兩路被測(cè)信號(hào)在整形輸入電路中引起的附加相移是相同的，因此，我們對(duì) A、 B 兩路信號(hào)采用了相同的整形電路。 同時(shí)，為了避免出現(xiàn)被測(cè)信號(hào)在過(guò)零點(diǎn)時(shí) 含有干擾，我們選用施密特觸發(fā)器組成的 整形電路。由于施密特觸發(fā)器是在單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入了正反饋網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檎答伒淖饔茫拈T限電壓隨著輸出電壓 U0 的變化而變化，從而使施密特觸發(fā)器有兩個(gè)門限電壓，所以可以提高輸入電路的抗干擾能力。如圖 41 所示 ，電路中我們使用兩個(gè)施密特觸發(fā)器對(duì)兩路被測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行整形。在圖 41 中，比較器LM339 連接成了施密特觸發(fā)器的形式。為了保證輸入電路對(duì)相位差的測(cè)量不帶來(lái)誤差，必須保證兩個(gè)施密特觸發(fā)器的兩個(gè)門限電平對(duì)應(yīng)相等，這可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R8 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 基于 stm32 的低頻相位測(cè)量?jī)x 設(shè)計(jì) 8 231A84U1ALM358AN567B84U1BLM358ANVCCVCCGNDGND2KR14KR2R3GND2KR44KR5R6GND671B312U2BLM339VCCVCCGNDGND1KR71KR810KR91KR101KR111KR1210KR131KR14123P1Header 3GND12P2GND1CLK11K21J31PRE41Q51Q6GND72Q82Q92PRE102J112K122CLK13VCC1474LS113U374LS113VCCGNDVCCVCC8914C312U2CLM339 圖 41 由施密特觸發(fā)器構(gòu)成的整形電路 LM339 的特性分析 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。 LM339 集成塊采用 C14 型封裝，圖 42 為外型及管腳排列圖。由于 LM339 使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大 IC 生產(chǎn) 廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR233 ANI33 SF339 等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。 基于 stm32 的低頻相位測(cè)量?jī)x 設(shè)計(jì) 9 圖 42 LM339 外型及管腳排列圖 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(kāi)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 3— 15K）。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。 鑒相器 鑒相器就是我們 所說(shuō)的異或門電路 [11]， 在相位測(cè)量電路中起到了測(cè)量 時(shí)間差 ?T的作用。在這里我們選用的是 74LS86 芯片。 74LS86 為四組 2 輸入端異或門， 管腳圖如圖 43 所示： 圖 43 74LS86 管腳圖 引出端符號(hào)： 1A － 4A ， 1B － 4B 為輸入端； 基于 stm32 的低頻相位測(cè)量?jī)x 設(shè)計(jì) 10 1Y － 4Y 為輸出端。 其邏輯表達(dá)式為： BABABAY ???? （ ） 所以，其真值表如表 41 所示： 表 41 74LS86 真值表 輸入 輸出 A B Y L L L L H H H L H H H L 相位測(cè)量 電路設(shè)計(jì) 由 前面所 說(shuō)的相位和相位差的概念及聯(lián)系，以及相位差與時(shí)間差之間的比例關(guān)系為： ??:360: TT ? （ ） 可以通過(guò)測(cè)量時(shí)間差 ?T 及信號(hào)周期 T ，計(jì)算得到相位差 ? 。 相位測(cè)量原理 結(jié)合我們?cè)O(shè)計(jì)的相位測(cè)量 電路原理 圖 44 所示 ，當(dāng)輸入信號(hào) UA、 UB 經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器 N N2 過(guò)零檢測(cè)之后，其輸出信號(hào) UC、 UD 分別通兩 JK 觸發(fā)器，兩個(gè) JK 觸發(fā)器的輸出信號(hào) UE、 UF 經(jīng)過(guò)異或門，而異或門的輸出 信號(hào) UG是 一個(gè)脈沖寬度與 UA、UB 兩信號(hào)之間相位查成正比的脈沖序列信號(hào)。再將此脈沖序列信號(hào)送入到單片機(jī)外部中斷口，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 [12]。 基于 stm32 的低頻相位測(cè)量?jī)x 設(shè)計(jì) 11 231A84U1ALM358AN567B84U1BLM358ANVCCVCCGNDGND2KR14KR2R3GND2KR44KR5R6GND671B312U2BLM339VCCVCCGNDGND1KR71KR810KR91KR101KR111KR1210KR131KR14123P1Header 3GND12P2GND1CLK11K21J31PRE41Q51Q6GND72Q82Q92PRE102J112K122CLK13VCC1474LS113U374LS113123U4ASN74AHC86NVCCGNDVCCVCCD112P3GND12P4GNDVCC8914C312U2CLM339 圖 44 相位測(cè)量電路電路圖 其 各點(diǎn)的 輸出波形如圖 45 所示： 基于 stm32 的低頻相位測(cè)量?jī)x 設(shè)計(jì) 12 圖 45 相位測(cè)量電路 各點(diǎn)波形圖 單元電路的工作原理 JK 觸發(fā)器 2 的工作原理一樣，這里我們以 JK 觸發(fā)器 1 為例來(lái)說(shuō)明一下它們的工作原理： JK 觸發(fā)器的 J 端、 K 端和電源端均接高電平 +5V 上（注意 JK 觸發(fā)器 1 處在計(jì)數(shù)狀態(tài)）。清除端通過(guò) R10 接到電源 +5V 上，并清除端通 過(guò) C1 接地，當(dāng)接通電源瞬間，清除端通過(guò) C1 處于低電平，使 Q 端置于低電平； C1 逐漸充電完畢，這時(shí)清除端通過(guò) R10 處于高電平。如果觸發(fā)端 C 端接收觸發(fā)脈沖時(shí)， Q 端由低電平變?yōu)楦唠娖?；再?lái)下一個(gè)脈沖， Q 端又由高電平變?yōu)榈碗娖?，如此不斷反?fù)。 基于 stm32 的低頻相位測(cè)量?jī)x 設(shè)計(jì) 13 74LS113 的特性分析 74LS113 為雙下降沿 JK 觸發(fā)器（有預(yù)置端）的 簡(jiǎn)要說(shuō)明： 74S113 為帶預(yù)置的兩組 JK 觸發(fā)器，其主要電特性的典型值如表 42 所示： 表 42 74LS113 主要電特性 其管腳圖如圖 46 所示： 圖 46 74LS113 管腳圖 引出 端符號(hào)： /CP /CP2 時(shí)鐘輸入端（下降沿有效） J J K K2 數(shù)據(jù)輸入端 Q Q /Q /Q2 輸出端 /SD /SD2 直接置位端（低電平有效） 功能表如表 43 所示： 基于 stm32 的低頻相位測(cè)量?jī)x 設(shè)計(jì) 14 表 43 74LS113 功能表 輸入 輸出 PR /CP J K Q /Q L X X X H L H ↓ L L QO /QO H ↓ H L H L H ↓ L H L H H ↓ H H /QO QO H H X X QO /QO （說(shuō)明： H－高電平， L－低電平， X－任意，↓－高到低電平跳變） STM32 最小系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 這部分是由單片機(jī)、晶振電路、按鍵電路等組成。在設(shè)計(jì)中，我們充分利用單片機(jī)具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和控制能力這一特點(diǎn)，使用單片機(jī)外部中斷 TIM2 接收外部送來(lái)的對(duì)應(yīng)于被測(cè)信號(hào)的時(shí)間、周期差，并在單片機(jī)內(nèi)部完成相應(yīng)的處理及相關(guān)運(yùn)算。另外，將待顯示信息送給顯示模塊顯示。 設(shè)計(jì)中的單片機(jī)是 stm32f103rbt