【正文】 信號(hào)先分頻后才能接入LM2907，在這里用77LS393四位雙計(jì)數(shù)器（相當(dāng)于256分頻） ，8MHZ的信號(hào)經(jīng)256分頻后為32KHZ，在LM2907的工作范圍內(nèi)。LM2907為集成式頻率／電壓轉(zhuǎn)換器，芯片中包含了比較器、充電泵、高增益運(yùn)算放東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路大器，能將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，外型管腳如下圖所示：1 2 3 4 5 6 7891 01 11 21 31 4++充電泵N C N CN C N CV +圖311 LM2907引腳各引腳功能如下：１腳（F）和11腳（IN）為運(yùn)算放大器／比較器的輸入端；２腳接充電泵的定時(shí)電容（C1）３腳接充電泵的輸出電阻和積分電容（R1/C2）４腳（IN+）和10腳（UF1）為運(yùn)算放大器的輸入端；５腳為輸出晶體管的發(fā)射極（U0）８腳為輸出晶體管的集電極，一般接電源（UC）９腳為正電源端（VCC） ；12腳為接地端（GND） ；６，７，13，14腳未用其工作原理為：當(dāng)充電泵把從輸入級(jí)輸入來的頻率轉(zhuǎn)換成為直流電壓時(shí)，需外接定時(shí)電容C輸出電阻R1以及積分電容或?yàn)V波電容C2，當(dāng)?shù)谝患?jí)輸出的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)（這種情況可能發(fā)生在輸入端上有合適的過零電壓或差分輸入電壓時(shí)） ，定時(shí)電容在電壓差Vcc/2的兩電壓值之間被線性地充電或放電，在輸入頻率信號(hào)的半周期中，定時(shí)電容上的電荷變化量為C1*Vcc/2，泵入電容中的平均電流或流出電容中的平均電流為：ΔＱ／Ｔ＝Ic（AVG）＝fin* C1*Vcc 輸出電路把這一電流準(zhǔn)確地送到負(fù)載電阻（輸出電阻）R1中，R1電阻的另一端接地，這樣濾波后的電流被濾波電容積分后得到輸出電壓：Ｖｏ＝Vcc*fin* C1*R1* K其中Ｋ為增益常數(shù)，典型值為１。如電壓比 V1 值小則說明沒超限，照常工作。在這里設(shè)計(jì)的這樣一個(gè)測頻計(jì)同樣要考慮到這樣一個(gè)問題，萬一超出了測量的范圍后怎么辦呢？日常生活中，當(dāng)發(fā)生故障或處于緊急狀態(tài)時(shí)，一般用警覺的報(bào)警信號(hào)或者提示信號(hào)來提醒人們，受此啟發(fā)，不妨也設(shè)計(jì)一個(gè)報(bào)警電路，當(dāng)測量超過其范圍時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警聲來提示。這種方法也便于對顯示位數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。在這里選擇 100Ω 的。所以在用之前要先檢測其為哪種數(shù)碼管。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管電亮，相應(yīng)的段被顯示。然后讓 74LS164 與數(shù)碼管連接，就完成了顯示電路，選用數(shù)碼管有兩種：共陰和共陽的。有了移位寄存器就可任意擴(kuò)展并行口了，在這里用八片74LS164 擴(kuò)展八個(gè) 8 位的并行輸出口。讓單片機(jī)的串行口工作在方式 0 的發(fā)送狀態(tài)，串行數(shù)據(jù)由 RXD 送出，讓 RXD 與 74LS164 的 A 或 B 端任一端相接，移時(shí)時(shí)鐘由 TXD 送出，讓起與 CLOCK 相連。這里選用 74LS164來擴(kuò)展并行輸出口，74LS164 是八位串入并出移位寄存器，先簡單介紹一下74LS164，其引出端的符號(hào)為：CLOCK 時(shí)鐘輸入端 CLEAR 同步清除輸入端（低電平有效）A ，B 串行數(shù)據(jù)輸入端QAQH 輸出端當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（Q AQH）均為低電平，串行數(shù)據(jù)輸入端（）可控制數(shù)據(jù)，當(dāng) 任意為一個(gè)低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下 Q0為低電平。頻率測量結(jié)果經(jīng)過譯碼，同過單片機(jī)的串行口送出。同步門控制電路與單片機(jī)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(jī)接口顯示電路單片機(jī)是電路的核心工作部分，它實(shí)現(xiàn)對電路的控制，數(shù)據(jù)的處理。其中，T0 對被測信號(hào) 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)。因?yàn)橛|發(fā)器輸入端狀態(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)生在 CP 的上升沿，那么可以利用這種特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)實(shí)際閘門信號(hào)和被測信號(hào)的同步。其與單片機(jī)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。③門控信號(hào) GATE 為高電平時(shí)允許計(jì)數(shù)。其工作特點(diǎn)為:①計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)期間，輸入 OUT 為高電平，計(jì)數(shù)器回零時(shí)，輸出一個(gè)寬度等于時(shí)鐘周期的負(fù)脈沖，并自動(dòng)重新裝入園計(jì)數(shù)初值，一個(gè)負(fù)脈沖過去后，輸出有恢復(fù)高電平并重新作減法計(jì)數(shù)。它有六種不同的工作方式，GATE 信號(hào)的控制作用也不同。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求，必須對高于 500KHZ 的信號(hào)進(jìn)行分頻處理，系統(tǒng)在單片機(jī)的控制下，結(jié)合分頻電路，實(shí)現(xiàn)了測頻的上限的擴(kuò)展和測量量程的自動(dòng)切換，提高了頻率計(jì)的實(shí)用價(jià)值和智能化程度。3．1．2 外部分頻電路該電路主要是來擴(kuò)展測頻上限的，擴(kuò)大頻率測量范圍的。在正反饋電路中接入一個(gè)非線性元件晶體二極管，加快比較器的響應(yīng)速度，免除由于電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩。其整形電路如圖所示：+ L M 3 3 9+ 5 V U 0 39。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。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 315K） 。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。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。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。18V；(3）對比較信號(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。 整形的實(shí)現(xiàn)選擇電壓比較器 LM339 芯片來實(shí)現(xiàn)，電壓比較器是對輸入信號(hào)進(jìn)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(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。因 LM324 共模范圍擴(kuò)大到負(fù)電源，也可以這樣設(shè)計(jì)放大電路，比上電路更簡便，不用提供偏置電壓，讓其接正負(fù)電源，這樣信號(hào)的負(fù)半部分就可以通過了。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(dāng)電壓低時(shí)放電，電壓高時(shí)充電，保證了偏置電壓的穩(wěn)定。在這里設(shè)置放大倍數(shù)為 11，選擇 Rf 為 10K，R4 為 100K，因?yàn)榭紤]到 LM324 的工作電壓范圍大從 3 伏到 32 伏。 圖 31 LM324 引腳 其放大電路如圖所示東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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 。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi（）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。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。④每一封裝四個(gè)放大器，內(nèi)部補(bǔ)償。③單電源工作： 伏到 32 伏。它有如下特點(diǎn)：①短路保護(hù)輸出。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了許多應(yīng)用場合中采用的外部偏置元件的必要性。東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路3．1 測頻電路設(shè)計(jì)1 信號(hào)放大整形電路 一般被測信號(hào)都是小功率的正弦波，在被測之前要轉(zhuǎn)換成等頻率的方波，所以在被測之前對信號(hào)要進(jìn)行放大整形處理，放大器的品種很多，我們在著選擇用價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四低頻率運(yùn)算放大器 LM324，與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。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。 放 大 整 形 過零鑒 相 Ψ — T 變 換 相位差 信號(hào) 閘 門 1 計(jì) 數(shù) 器 1 單 片 機(jī) 控 制 閘 門 2 計(jì) 數(shù) 器 2f 1f 2晶振信號(hào)圖 24 測相的原理框圖2．2．2 多周期等精度測相法基于測頻等精度測量法思想，實(shí)現(xiàn)相位差的高精度測量，通過同步門控制使測量信號(hào)的寬度為輸入信號(hào)的整數(shù)倍，實(shí)現(xiàn)多周期同步等精度測量。使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對該脈沖序列和基準(zhǔn)源脈沖序列進(jìn)行同時(shí)計(jì)數(shù)得到兩個(gè)計(jì)數(shù)值 N0和 N1，再對計(jì)數(shù)進(jìn)行計(jì)算處理，即可得出兩信號(hào)的相位差: ψ=(N 1/N2)180.這種單周期的對相位的測量計(jì)數(shù)方法，測量誤差有點(diǎn)大，因?yàn)橛?jì)數(shù)器是用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器 ，開始計(jì)數(shù)時(shí)與被測信號(hào)不同步，計(jì)數(shù)一定時(shí)間后停止計(jì)數(shù)也是隨機(jī)的，與被測信號(hào)無關(guān)，這樣的話測得的脈沖個(gè)數(shù)與實(shí)際脈沖數(shù)就存在177。1的計(jì)數(shù)誤差，使得測量誤差與被測信號(hào)無關(guān)，這樣，可以通過對較少的低頻脈沖的測量達(dá)到同樣的精度，提高了對低頻信號(hào)的測量速度。在此時(shí)間內(nèi)f 0的計(jì)數(shù)N 0最多相差一個(gè)脈沖，即︱ΔN 0︱≤1，則下式成立：fx/Nx=f0/N0fx0/Nx=f0/(N0＋ΔN 0)東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析由此可分別摧得：fx=(f0/N0)Nxfx0=「f 0/(N0＋ΔN 0)」N x根據(jù)相對誤差公式有：Δf x0/fx0=︱f x0－f x︱/f x0將上面的式子進(jìn)行整理后可得：Δf x0/fx0=︱ΔN 0︱/N 0因?yàn)? ︱ΔN 0︱≤1所以 ︱ΔN 0︱/N 0≤1/N 0即相對誤差： ︱δ f︱=Δf x0/fx0≤1/N 0其中： N 0=Tsf0由上式可以得出結(jié)論：⑴相對誤差δ f與被測信號(hào)頻率無關(guān)；⑵增大T g或提高f 0可以增大N 0，從而減小測量誤差，提高測量精度；⑶測量精度與預(yù)置門寬度和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測信號(hào)頻率無關(guān)；⑷標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為Δf 0/f0,由于石英晶體的頻率穩(wěn)定度很高，標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差很小。那么：fx/Nx=f0/N0對其進(jìn)行誤差分析：設(shè)所測頻率的準(zhǔn)確值為f x0。測量原理圖如下：頻標(biāo) f0待測頻率 fx測量開始預(yù)置門時(shí)間 Tg同步門時(shí)間Tx待測計(jì)數(shù)值Nx頻標(biāo)計(jì)數(shù)值N0圖 22 測量原理圖當(dāng)測量開始后，由被測信號(hào)的上升沿同時(shí)打開預(yù)置門和同步門啟動(dòng)兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)和待測信號(hào)同時(shí)開始計(jì)數(shù)。2．1．4 多周期等精度測量方法為避免以上缺陷，實(shí)現(xiàn)高精度的測量，可以采用多周期同步測量方法。由此想到將兩者結(jié)合，同時(shí)使用兩種方法，在高頻段用測頻法，在低頻段用測周法，設(shè)置一個(gè)劃分界限，例如 10KHZ，用軟件來實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換。由于傳統(tǒng)測周法測量時(shí)要求待測信號(hào)的周期不能太短，所以可通過A分頻使待測信號(hào)的周期擴(kuò)大A倍，所測頻率為： fx=AN/T精度在高頻雖然有所提高，但控制電路有點(diǎn)復(fù)雜。其待測頻率為：fx=N／AT但待測信號(hào)脈沖間隔減小，間隔誤差降低，控制電路較復(fù)雜。2．1．1 脈沖數(shù)倍頻測頻法此法克服了傳統(tǒng)的測頻在低頻測量時(shí)精度不高的缺陷。 。有把相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔進(jìn)行測量。傳統(tǒng)測相方法比較多，有用示波器測量的，但這樣直接測量的誤差比較大。