【正文】 ． 2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì) ...........................................................22 4． 3 總體流程圖 .............................................................23 結(jié)論與分析 .............................................................. 24 致謝 ................................................................... 25 參考文獻(xiàn) ................................................................ 26 附錄 ................................................................... 27 東華理工學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 緒論 緒 論 隨著無線電技術(shù)的發(fā)展與普及，“頻率”已成為廣大群眾所熟悉的物理量調(diào)節(jié)收音機(jī)上的頻率刻度盤可使你選聽到你喜歡的電臺(tái)節(jié)目；調(diào)節(jié)電視機(jī)上的微調(diào)旋鈕可使得電視機(jī)對(duì)準(zhǔn)電視臺(tái)的廣播頻率，獲得圖象清晰的收看效果，這些已成為人們的生活常識(shí)。相位測(cè)量技術(shù)在國(guó)防 .科研 .生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，特別在電力 .機(jī)械等部門要求精度測(cè)量低頻相位，采用傳統(tǒng)的模擬指針式相位測(cè)量?jī)x表顯然不能夠滿足所需的精度要求?？梢姡S廣泛應(yīng)用的需要，高精密 .高準(zhǔn)確 .高智能化是大勢(shì)所趨 .一般的測(cè)量?jī)x測(cè)量范圍有限，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高頻信號(hào)的 測(cè)量也越來越受的親睞，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的數(shù)字化 .自動(dòng)化 .智能化已成為各類儀器儀表的設(shè)計(jì)方向。這樣設(shè)計(jì)測(cè)量誤差小，價(jià)格低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)了發(fā)展的需要。數(shù)字顯示相位儀不斷的涌現(xiàn)，具有速度高 .只能化 .電路簡(jiǎn)單 .工作可靠等特點(diǎn)。由于有著各種等級(jí)的時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)源，而且采用無線電波傳遞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻方便 .迅速 .實(shí)用。 ②測(cè)量范圍廣。處于這么寬范圍內(nèi)的頻率都可以做到高精度的測(cè)量。相位的測(cè)量應(yīng)更趨于數(shù)字化 .智能化 .精確 化。 東華理工學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 緒論 ｂ 頻率測(cè)量誤差小于 5HZ。 ｄ 設(shè)計(jì)測(cè)量超限報(bào)警電路 ⑵設(shè)計(jì)并制作一個(gè)相位測(cè)量?jī)x，包括： ａ 設(shè)計(jì)相位測(cè)量電路，對(duì) 1MHZ 信號(hào)頻率的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相位的測(cè)量，兩信號(hào)的相位差≤ 90度。 本論文主要詳細(xì)介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，共分為四章，第 1章 是“系統(tǒng)的工作原理”，介紹了傳統(tǒng)的測(cè)頻和測(cè)相的工作原理，是本設(shè)計(jì)的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。第三章是“系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)”，分模塊具體介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)所用芯片、功能原理和參數(shù)計(jì)算都作了詳盡的介紹。 東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)工作原理 第一章 系統(tǒng)工作原理 1． 1 頻率測(cè)量原理 若某一信號(hào)在 T 秒內(nèi)重復(fù)變化 N 次 ，則根據(jù)頻率的定義，可知該信號(hào)的頻率 Fzw為 ： Fz=N/T 由此傳統(tǒng)的測(cè)頻方法通常有兩種：一是直接測(cè)頻法，二是測(cè)周法。直接測(cè)頻的實(shí)現(xiàn)框圖如圖所示，脈沖形成電路將被測(cè)信號(hào)①轉(zhuǎn)變成脈沖②，其重復(fù)頻率等于被測(cè)信號(hào)頻率 fx，將它送入閘門。脈沖 ⑤為在開門時(shí)間 T內(nèi)通過閘門的脈沖，被送至計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，時(shí)基信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生準(zhǔn)確的開門時(shí)間 T，若在開閘期間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為 N，則被測(cè)信號(hào)頻率為： fx=N/T 脈 沖 形 成 閘 門 計(jì) 數(shù) 器 門 控 電 路①②③④⑤ 時(shí) 基 信 號(hào) 發(fā) 生 電 路 圖 11 直接測(cè)頻法原理框圖 根據(jù)誤差絕對(duì)值合成法則，直接測(cè)頻誤差為： 11x C ox C x of f ff N f T f f? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ?Δ 上式右邊第二項(xiàng)通常忽略不計(jì)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率低時(shí)，那么產(chǎn)生的誤差就較大了，所以測(cè)頻不宜用于測(cè)量低頻信號(hào)。被測(cè)信號(hào)經(jīng)脈沖形成電路變成方波，加到門控電路形成門控信號(hào) Tx 控制閘門開閉，在開閘期間，周期為 To 的時(shí)基信號(hào)通過閘門送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 1 誤差，第二項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差，通?？珊雎圆挥?jì)。 1 誤差引起的測(cè)量誤差就愈大，所以測(cè)周法不宜用于測(cè)量高頻率信號(hào)。設(shè)兩同頻率的正弦波信號(hào)為 ｕ 1=Ｕ 1sin（ω t＋ψ 1） ｕ 2=Ｕ 2sin(ω t＋ψ 2) 相角差為ψ =ψ 1－ψ 2是一個(gè)常數(shù)，并且等于兩正弦量的初相之差。有把相位差轉(zhuǎn)換為電壓，即利用非線性器件把被測(cè)信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換為電壓或電流的增量，在電壓表或電流表盤上刻度上的相位刻度，由電表指示可直讀被測(cè)信號(hào)的相位差。測(cè)量出兩正弦波過零點(diǎn)的時(shí)間差△ T 和其周期T，則ψ =（Δ T/T） 180。 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 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析 2． 1 測(cè)頻 結(jié)合傳統(tǒng)的測(cè)頻方法，實(shí)現(xiàn)一個(gè)寬頻 域 .高精度的頻率計(jì)，直接用傳統(tǒng)的測(cè)周或者測(cè)頻法難以實(shí)現(xiàn)，測(cè)周法在高頻段誤差較大，而測(cè)頻法在低頻段的誤差較大。通過 A倍頻，把待測(cè)信號(hào)頻率放大 A倍，以提高測(cè)量精度。 2． 1． 2 脈沖數(shù)分頻測(cè)頻法 此法克服了傳統(tǒng)的測(cè)周期法在測(cè)高頻精度不高的缺陷。 2． 1． 3 測(cè)頻 測(cè)周結(jié)合法 鑒于兩種測(cè)量方法的測(cè)量缺陷。其系統(tǒng)框圖為： 軟 件 判 斷 低 于 1 0 K H Z 測(cè) 周 法 測(cè) 頻 法被 測(cè) 信 號(hào) 高 于 1 0 K H Z 圖 21 系統(tǒng)框圖 這樣測(cè)量的誤差比較大，因?yàn)殚l門的開閉與被測(cè)脈沖周期沒有聯(lián)系，即不同步，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 設(shè) T 為門控閘門時(shí)間， Tx為被測(cè)信號(hào)周期，Δ t1為閘門開啟到第一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖之間的間隔，Δ t2 為閘門關(guān)閉到下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖之間的間隔， N 為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，那么： T=（ N－ 1） Tx＋Δ t1＋ (Tx－Δ t2) =NTX＋Δ t1－Δ t2 Δ N=T/Tx－ N=Δ t1/Tx－Δ t2/Tx 這樣所計(jì)的數(shù) N的誤差Δ N就比較的大。用該方法測(cè)量可以直接讀出頻率值和周期值，可以在全頻段上使測(cè)量精度保持一致，實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量。 到達(dá)預(yù)置時(shí)間 Tg后，預(yù)置門關(guān)閉，但兩個(gè)計(jì)數(shù)器并不停止計(jì)數(shù)，隨后而至的待測(cè)信號(hào)的上升沿到來時(shí)，同步門關(guān)閉，兩個(gè)計(jì)數(shù)器才同時(shí)停止計(jì)數(shù)，測(cè)得的計(jì)數(shù)值分別為 N0和 Nx。在一次測(cè)量中，由于 fx計(jì)數(shù)的停止時(shí)間是由該信號(hào)的上升沿控制的，因此，在 Tg時(shí)間內(nèi)對(duì) fx的計(jì)數(shù) Nx無誤差。 由于控制計(jì)數(shù)的兩閘門的大體時(shí)間 Tg是由人工預(yù)置的，通常 Tg不一定是被測(cè)信號(hào)的整數(shù)倍，因此用同步門控電路將 Tg延長(zhǎng)至 TX保證閘門與被測(cè)信號(hào)同步，使閘門時(shí)間準(zhǔn)確地等 于被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍數(shù)，由于閘門時(shí)間與被測(cè)信號(hào)同步， Nx不存在177。等精度測(cè)頻的原理框圖如下： 被 測(cè) 信 號(hào) 輸 入 通 道f x 閘 門 1 可 控 計(jì) 數(shù) 器 1 同 步 可 控 電 路 閘 門 時(shí) 間 預(yù) 置 電 路 閘 門 2T g 可 控 計(jì) 數(shù) 器 2 單 片 機(jī) 控 制 器 時(shí) 鐘 脈 沖T x 圖 23 等精度測(cè)頻原理框圖 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 2． 2 測(cè)相 2． 2． 1 脈沖填充計(jì)數(shù)測(cè)相法 基于測(cè)相原理：把相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔，先測(cè)量出時(shí)間間隔再換算為相位差，采用脈沖填充計(jì)數(shù)法，將正弦波信號(hào)整形成方波信號(hào)，其前后沿分別對(duì)應(yīng)于正弦波的正 相過零點(diǎn)與負(fù)相過零點(diǎn)，對(duì)兩路方波信號(hào)進(jìn)行“異或”操作后得到這兩路信號(hào)的相位差信號(hào) A，將相位差與晶振的基準(zhǔn)頻率信號(hào) B 進(jìn)行“與”操作，得到一系列的高頻窄脈沖序列 C。 1誤差，大大影響了測(cè)量精度。設(shè)置預(yù)置閘門時(shí)間 T1，同步控制電路使計(jì)數(shù)時(shí)間 T2延長(zhǎng)至被測(cè)信號(hào)脈沖的整數(shù)倍，使計(jì)數(shù)時(shí)間與被測(cè)信號(hào)脈沖保持同步，大大提高了測(cè)量精度，測(cè)量原理圖如下： 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 ABA ’B ’C閘 門 信 號(hào)1 0 0 m s 定 時(shí)DT1實(shí) 際 閘 門1 0 0 m sΔ t 圖 25 測(cè)相等精度測(cè)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(hào) 圖 26 測(cè)相系統(tǒng)框圖 其中 8MHZ 的晶振信號(hào)的由下圖產(chǎn)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(chǎn)生電路 這是在多諧震蕩器電路中接入石英晶體 ,組成的石英晶體多諧震蕩器 .輸出的頻率穩(wěn)定性比較高 ,精度高 . 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 這種方法是對(duì)前一種的完善，都是將相位差轉(zhuǎn)化成時(shí)間 測(cè)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(cè)量的方法，通過同步控制器，使測(cè)量閘門控制寬度是被測(cè)信號(hào)的的整數(shù)倍，提高的精度，同時(shí)擴(kuò)展了測(cè)量的范圍，對(duì)高頻采用了分頻技術(shù)，要直接測(cè)到頻率太高的信號(hào)，硬件設(shè)備要求也必須高，成本也高，為減少成本，提高測(cè)量范圍，對(duì)頻率太高 的信號(hào)在測(cè)量前對(duì)它實(shí)行分頻，例如 100MHZ 的信號(hào)經(jīng)過 200 分頻后就成 500KHZ，這樣的頻率 89C51 單片機(jī)是能接受的，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量范圍的擴(kuò)展。 1/n，要盡量減少誤 差，應(yīng)采用多周期平均值法，即多次測(cè)量取平均值。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(duì)每一個(gè)放大器而言）。輸出電壓范圍也包含負(fù)電源電壓。②真差動(dòng)輸入級(jí)。低輸入偏置電流：最大 100 納安。⑤共模范圍擴(kuò)大到負(fù)電源。每一組運(yùn)算放大器可用圖 1所示的符號(hào)來表示，它有 5個(gè)引出腳，其中“ +”、“ ”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“ V+”、“ V”為正、負(fù)電源端，“ Vo”為輸出端。 LM324 的引腳排列見圖 31。 7 u F u i2 . 5 vu 0 圖 32 放大電路 1 圖 33 放大信號(hào) 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。這樣設(shè)計(jì)的同相交流放大器的輸入阻抗高， R1 和 R2提供基準(zhǔn)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(hào)能通過，負(fù)半周期的信號(hào)就被隔掉了。是輸入信號(hào)總體抬高了 1/2Vcc，保證了全信號(hào) 放大。其電路圖 + L M 3 2 4+ 5 V 5 V+u iR f 1R f 2RU 0+C i ttu iu 0 圖 34 放大電路 2 圖 35放大信號(hào) 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。 1V177。外型及管腳排列如下圖所示： 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 圖 36 LM339引腳圖 LM339 類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“ +”表