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正文內(nèi)容

畢業(yè)設(shè)計-基于單片機的低頻相位測量儀硬件電路設(shè)計(編輯修改稿)

2025-01-08 19:07 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 V; ( 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(nèi)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。 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。 低頻相位測量儀硬件電路設(shè)計 9 圖 42 LM339 外型及管腳排列圖 LM339 類似于增益不可調(diào)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(zhuǎn)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 3— 15K)。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。 鑒相器 鑒相器就是我們所說的異或門電路 [11], 在相位測量電路中起到了測量 時間差 ?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: 低頻相位測量儀硬件電路設(shè)計 10 圖 43 74LS86 管腳圖 引出端符號: 1A - 4A , 1B - 4B 為輸入端; 1Y - 4Y 為輸出端。 其邏輯表達式為: 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 相位測量 電路設(shè)計 由 前面所 說的相位和相位差的概念及聯(lián)系,以及相位差與時間差之間的比例關(guān)系為: ??:360: TT ? ( ) 可以通過測量時間差 ?T 及信號周期 T ,計算得到相位差 ? 。 低頻相位測量儀硬件電路設(shè)計 11 相位測量原理 結(jié)合我們設(shè)計的相位測量 電路原理 圖 44 所示 ,當輸入信號 UA、 UB經(jīng)過運算放大器 N N2 過零檢測之后,其輸出信號 UC、 UD分別通兩 JK 觸發(fā)器,兩個 JK 觸發(fā)器的輸出信號 UE、 UF經(jīng)過異或門,而 異或門的輸出 信號 UG是 一個脈沖寬度與 UA、UB 兩信號之間相位查成正比的脈沖序列信號。再將此脈沖序列信號送入到單片機外部中斷口,進行數(shù)據(jù)處理 [12]。 圖 44 相位測量電路電路圖 其 各點的 輸出波形如圖 45 所示: 低頻相位測量儀硬件電路設(shè)計 12 圖 45 相位測量電路 各點波形圖 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 為例來說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 處在計數(shù)狀態(tài))。清除端通過 R10 接到電源 +5V 上,并清除端通過 C1 接地,當接通電 源瞬間,清除端通過 C1 處于低電平,使 Q 端置于低電平; C1 逐漸充電完畢,這時清除端通過 R10 處于高電平。如果觸發(fā)端 C 端接收觸發(fā)脈沖時, Q 端由低電平變?yōu)楦唠娖?;再來下一個脈沖, Q 端又由高電平變?yōu)榈碗娖?,如此不斷反復? 低頻相位測量儀硬件電路設(shè)計 13 74LS113 的特性分析 74LS113 為雙下降沿 JK 觸發(fā)器(有預置端)的 簡要說明: 74S113 為帶預置的兩組 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: /CP /CP2 時鐘輸入端(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: 低頻相位測量儀硬件電路設(shè)計 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 (說明: H-高電平, L-低電平, X-任意, ↓-高到低電平跳變) 單片機最小系統(tǒng) 設(shè)計 這部分是由單片機、晶振電路、按鍵電路等組成。在設(shè)計中,我們充分利用單片機具有較強的運算能力和控制能力這一特點,使用單片機外部中斷 INT0、 INT1 接收外部送來的對應于被測信號的時間、周期差,并在單片機內(nèi)部完成相應的處理及相關(guān)運算。另外,在設(shè)計中使用單片機串口 UART,,將待顯示信息送給顯示模塊顯示。 設(shè)計中的單片機是 AT89C51[13],是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 8 位單片機,它的主要特性有:與 MCS— 51 兼容 , 其內(nèi)部有 4KB 可編程 Flash存儲器 ; 128*8 位內(nèi)部 RAM,有 1000 次寫 /擦循環(huán); 0—— 24MHz 全靜態(tài)工作模式 ; 32 根可編程 I/O 線;兩個 16位定時器 /計數(shù)器; 5 個中斷源;可編程串行通道;低功耗的閑置和掉電模式;片內(nèi)含有振蕩器和時鐘電路。因此, 它 完全可以滿足本系統(tǒng)設(shè)計的需求。 圖 47 為 AT89C51單片機最小系統(tǒng)圖 。 低頻相位測量儀硬件電路設(shè)計 15 圖 47 AT89C51 最小系統(tǒng)電路圖 AT89C51 的特性分析 主要參數(shù) 89C51 具有 4 個 I/O 口, 32 根 I/O 口線,兩個 16 位定時 /計數(shù)器,一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu),一個全雙工串行通信口,片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時, AT89C51 可降至 0Hz的靜 態(tài)邏輯操作,并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式??臻e方式停 CPU 的工作,但允許 RAM,定時 /計數(shù)器,串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存了 RAM 中的內(nèi)容,但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導下一個硬件復位。 引腳 功能 說明 電源和晶振 : VCC:運行和程序校檢時加 +5V。 GND:地。 圖 48 40 腳雙列直插( DIP)封裝圖 低頻相位測量儀硬件電路設(shè)計 16 XTAL1:振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2:反相放大器的輸出,輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器。 I/O 口 : P0: P0 口是一組 8 位漏極開路的雙向 I/O 口,也即地址 /數(shù)據(jù)總線復用口。 作為輸出口用時,每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路,對端口寫 “ 1” 可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時,這組口線分時轉(zhuǎn)換地址(低 8 位)和數(shù)據(jù)總線復用,在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 Flash 編程時, P0 口接收指令字節(jié),而在程序校驗時,輸出指令字節(jié),校驗時,要求外接上拉電阻。 P1: P1 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙向 I/O 口, P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流) 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 “ 1” ,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平,此時可作輸入口。作輸入口使用時,因 為內(nèi)部存在上拉電阻,某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流( IU)。 Flash 編程和程序校驗期間, P1 接收低 8 位地址。 P2: P2 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙向 I/O 口, P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流) 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 “ 1”, 通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平,此時可作輸入口。作輸入口使用時,因為內(nèi)部存在上拉電阻,某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流( IU)。 在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(例如執(zhí)行 MOVX @DPTR 指令)時, P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪 問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(例如執(zhí)行 MOVX @ RI 指令)時, P2 口線上的內(nèi)容(也即特殊功能寄存器( SFR)區(qū)中 R2 寄存器中的內(nèi)容),在整個訪問期間不改變。 Flash 編程或校驗時, P2 亦接收高位地址和其它控制信號。 P3: P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流) 4 個 TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入 “ 1” 時,它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可以作為輸入端口。作輸入端時,被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流( IU)。 低頻相位測量儀硬件電路設(shè)計 17 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外,更重要的用途 是它的第二功能,如表 44 所示: 表 44 89c51— P3 口功能表 端口引腳 第二功能 RXD(串行輸入口) TXD(串行輸出口) /INT0(外部中斷 0) /INT1(外部中斷 1) T0(定時 /計數(shù)器 0) T1(定時 /計數(shù)器 1) /WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) /RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 RXD、 TXD:分別為串行輸入口、輸出口,分別 作輸入和輸出用。 0INT 、 1INT :外部中斷 0、 1,輸入。 控制線 : RST:復位輸入信號,高電平有效。在振蕩器工作時, RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平使單片機復位。 PROGALE/ :地址鎖存允許信號,輸出。當訪問外部程序或數(shù)據(jù)存儲器時, ALE(地址所存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器 ,ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號,因此它可以對外部時鐘或用于定時母的。要注意的是:每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 對 Flash 存儲器編程期間,該引腳還用于輸入編程脈沖( PROG )。 如有必要,可通過對特殊功能寄存器( SFR)區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位,可禁止 ALE 操作。該位置后,只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才會被激活。此外,該引腳會被微弱拉高,單片機執(zhí)行外部程序時,應設(shè)置 ALE 無效。 PSEN :片外程序存儲器選通信號,低電平有效。程序儲存允許( PSEN )輸出是外部程序存儲器的讀選通信號,當 AT89C51 由外部存儲器讀取指令(或數(shù)據(jù))時,低頻相位測量儀硬件電路設(shè)計 18 每個機器周期兩次 PSEN 有效,即輸出兩個脈沖。在此期間,當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器,這兩次有效的 PSEN 信號不出 現(xiàn)。 ppVEA/ :外部訪問允許。 欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器(地址為0000H—— FFFFH), EA 端必須保持低電平(接地)。需要注意的是:如果加密位 LB1被編程,復位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。 如 EA 端為高電平(接 ccV 端), CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程
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