低頻數(shù)字式相位測量儀畢業(yè)論文

1、摘 要 頻率、相位測量儀器在生產(chǎn)和科研的各個(gè)部門被廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)測量的數(shù)字化. 自動(dòng)化.智能化已成為現(xiàn)在應(yīng)用的需要，對(duì)測量精度的要求也越來越高。 針對(duì)傳統(tǒng)的測頻法和測周法測量精度不高的缺陷，即測頻法不宜測低頻和測周 法不宜測高頻.本論文介紹了一種基于數(shù)字頻率計(jì)原理，以 at89c51 單片機(jī)為控制器 件的新型頻率測量方法：等精度測量方法。利用同步門控制單片機(jī)的雙計(jì)數(shù)器進(jìn)行 “相關(guān)計(jì)數(shù)”，應(yīng)用單片機(jī)的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制功能，實(shí)現(xiàn)了高低頻率等精度測量， 克服了通用頻率計(jì)由于1msb 誤差在高低頻段測量精度不等的缺陷，既滿足測量精 度的要求,又滿足系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間的要求。用此方法實(shí)現(xiàn)的頻率計(jì)具有高精度、低成

2、本、 易改進(jìn)的特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用性。本文主要介紹了其系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，以及 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。 本論文基于相位數(shù)字化原理，針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字式相位計(jì)采用的脈沖填充計(jì)數(shù)法 測量精度不高，誤差大的缺陷，利用單片機(jī)與外部電路相結(jié)合，采用高頻脈沖填充 計(jì)數(shù)，多周期等精度測量的方法實(shí)現(xiàn)了相位差的高精度測量，著重介紹系統(tǒng)原理及 軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)；等精度；誤差；測相儀；相位差；計(jì)數(shù)器 abstract frequency and phase measurements in production and research equipment widely used in all sectors

3、. achieve digital measurements. automation. intelligent applications has become necessary now to the measurement accuracy requirements are increasingly high. in traditional law and geodetic survey frequency measurement accuracy is not high week law wrong on a theory based on the number of frequencie

4、s to at89c51 danpianji control devices for the new frequency measurement methods : such precision measurements. use chanpianji double rod relevant calculations, the application danpianji the arithmetic and control functions, such as achieving a high frequency precision measurements overcome +1msb ov

5、erall frequency of errors in the measurement of low frequency bands ranging from precision errors to meet the measurement accuracy requirements and system response time meet the requirements. the frequency of use of this method to achieve a high-precision, low-cost, easy to improve features, a certa

6、in relevance. this article introduces the principles of its composition and working systems, as well as system software and hardware design. this paper based on the principles of 13,800 digitized against traditional digital phase of a pulse recharge count law is not high precision measurements, erro

7、r big mistakes, and the use of external circuits chanpianji combined using hf pulse recharge number, such as multi-cycle approach to achieve precision measurements of the high- precision measurement of transmitters, highlight the principles and system software and hardware to achieve. keywords:chanp

8、ian; such precision; error; testing of devices; pairs; counter 目 錄 緒緒 論論 .1 1 第一章系第一章系統(tǒng)統(tǒng)工作原理工作原理 .3 3 11 頻率測量原理 .3 12 相位測量原理 .4 第二章系統(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 .5 5 21 測頻 .5 211 脈沖數(shù)倍頻測頻法 .5 212 脈沖數(shù)分頻測頻法 .5 213 測頻-測周結(jié)合法 .5 214 多周期等精度測量方法 .6 22 測相 .8 221 脈沖填充計(jì)數(shù)測相法 .8 222 多周期等精度測相法 .8 第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路第三章系統(tǒng)

9、硬件設(shè)計(jì)電路 .1111 31 測頻電路設(shè)計(jì) .11 311 信號(hào)放大整形電路 .11 312 外部分頻電路 .13 313 同步門邏輯控制電路 .14 314 與單片機(jī)接口顯示電路 .15 315 擴(kuò)展報(bào)警電路 .16 32 測相電路設(shè)計(jì) .18 321 前級(jí)放大整形電路 .18 322 相位差測量電路 .20 323 相位極性判別電路 .21 第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .2222 41 主要任務(wù) .22 42 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì) .22 43 總體流程圖 .23 結(jié)論與分析結(jié)論與分析 .2424 致謝致謝 .2525 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .2626 附錄附錄 .2727 緒 論 隨著無

10、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)。頻率的應(yīng)用在當(dāng)代高科技中顯的尤為重要，例如，郵電通訊，大地測量， 人造衛(wèi)星的導(dǎo)航定位控制都與頻率密切有關(guān)，其精密度與準(zhǔn)確度比人們?nèi)粘Ｉ钪?的要求高的多罷了。相位測量技術(shù)在國防.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量低頻相位，采用傳統(tǒng)的模擬指針式相位測量儀表 顯然不能夠滿足所需的精度要求。隨著電子技術(shù)與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式 儀表因其

11、高精度的測量分辨率以及高度的智能化.直觀化的特點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng) 用，對(duì)相位測量的要求也逐步向高精度.高智能化方向發(fā)展?？梢?，隨廣泛應(yīng)用的需 要，高精密.高準(zhǔn)確.高智能化是大勢(shì)所趨.一般的測量儀測量范圍有限，隨著電子技 術(shù)的發(fā)展，高頻信號(hào)的測量也越來越受的親睞，實(shí)現(xiàn)測量的數(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。 現(xiàn)在頻率的測量儀器突破傳統(tǒng)的測量方法，以單片機(jī)為核心來設(shè)計(jì)的，利用外 圍電路，軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了測量量程的自動(dòng)切換，具有較高的測量精度和較短的 系統(tǒng)反應(yīng)。這樣設(shè)計(jì)測量誤差小，價(jià)格低，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)了發(fā)展的需要。相位測 量也是以單片機(jī)為核心的，利用單片機(jī)的高數(shù)據(jù)處理能力，

12、存儲(chǔ)容量大，較多的并 行口能滿足外圍設(shè)備.芯片擴(kuò)展需要。數(shù)字顯示相位儀不斷的涌現(xiàn)，具有速度高.只 能化.電路簡單.工作可靠等特點(diǎn)。 隨著科技的發(fā)展，頻率的測量應(yīng)趨于以下幾個(gè)特點(diǎn)： 測量精度高。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。所以在人們能進(jìn)行測量的成千上萬個(gè)物理量中，頻率測量所 能達(dá)到的分辨和準(zhǔn)確度是最高的。 測量范圍廣?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中所涉及到的頻率范圍是極其廣泛的，從百分一 赫茲甚至更低頻率開始，一直到 10k hz 以上。處于這么寬范圍內(nèi)的頻率都可以做到 高精度的測量。 頻率信息的傳輸和處理，如倍頻.分頻和混頻等都比較容易，并且精度也很高， 這使

13、得對(duì)各不同頻段的頻率測量能機(jī)動(dòng).靈活的實(shí)施。相位的測量應(yīng)更趨于數(shù)字化. 智能化.精確化。 本論文設(shè)計(jì)的主要任務(wù)為： 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)頻率計(jì)，包括： 完成頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì) 010khz 信號(hào)頻率的測量。 頻率測量誤差小于 5hz。 頻率計(jì)數(shù)器 8 位數(shù)字顯示電路，完成顯示自檢.初始化和測量結(jié)果的顯示。 設(shè)計(jì)測量超限報(bào)警電路 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)相位測量儀，包括： 設(shè)計(jì)相位測量電路，對(duì) 1mhz 信號(hào)頻率的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相位的測量，兩信號(hào) 的相位差90 度。 相位測量誤差小于 5 度 c 顯示相位測量結(jié)果，標(biāo)記出超前.滯后。 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

14、” ，介紹了傳統(tǒng)的測頻和測相的工作原理，是本設(shè)計(jì)的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。第二章是 “系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及思路分析” ，著重介紹了本設(shè)計(jì)的大體思路和不同的設(shè)計(jì)方案，并 比較了不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇出設(shè)計(jì)的最佳實(shí)現(xiàn)方法。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。第四章是“系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)” ，對(duì)基于系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的軟件實(shí) 現(xiàn)方法作了大概的講解，以便對(duì)總體的軟件設(shè)計(jì)有所了解。 第一章 系統(tǒng)工作原理 11 頻率測量原理 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)的測頻方法

15、通常有兩種：一是直接測頻法，二是測周法。 所謂的直接測頻法是根據(jù)頻率的定義，把被測頻率信號(hào)經(jīng)脈沖形成電路后，加 到閘門的一個(gè)輸入端，只有在閘門開通時(shí)間 t（以秒計(jì)）內(nèi)，通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)被測 信號(hào)的脈沖周數(shù) n，從而通過頻率定義計(jì)算出被測頻率。直接測頻的實(shí)現(xiàn)框圖如圖 所示，脈沖形成電路將被測信號(hào)轉(zhuǎn)變成脈沖，其重復(fù)頻率等于被測信號(hào)頻率 fx，將它送入閘門。閘門的開閉時(shí)間由門控信號(hào)控制。脈沖為在開門時(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，則被測信號(hào)頻率為：fx=n/t 脈沖形成 閘 門 計(jì) 數(shù) 器 門 控 電 路 時(shí)基信號(hào)

16、發(fā)生電路 圖 1-1 直接測頻法原理框圖 根據(jù)誤差絕對(duì)值合成法則，直接測頻誤差為： 11 xco xcxo fff fnftff 上式右邊第二項(xiàng)通常忽略不計(jì)，當(dāng)被測信號(hào)頻率低時(shí)，那么產(chǎn)生的誤差就較大了， 所以測頻不宜用于測量低頻信號(hào)。 所謂的測周法是通過測量被測信號(hào)的周期來計(jì)算頻率的，其測量原理框圖如圖 所示。被測信號(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)。設(shè)電子計(jì)數(shù)器計(jì) 得的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為 n，則有： tx=nt0 fx=1/tx=1/nt0=f0/n 時(shí) 基 信 號(hào) k 分 頻 閘 門 計(jì) 數(shù) 器 門 控

17、 電 路 脈 沖 形 成 t0 fx 門控信號(hào)tx 圖 1-2 測量周期的原理 這種測量方法產(chǎn)生的總誤差為兩項(xiàng)合成值： xo xoxo tfk tftf 上式右邊第一項(xiàng)為1 誤差，第二項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差，通?？珊雎圆挥?jì)?？梢姰?dāng) t0 一定時(shí)，被測信號(hào)頻率 fx愈高，tx愈小，由1 誤差引起的測量誤差就愈大，所以 測周法不宜用于測量高頻率信號(hào)。 12 相位測量原理 信號(hào)波形的表達(dá)式為 u=msin(t0) 式中m是電壓振幅； 為角頻率； 0為初相位。設(shè)兩同頻率的正弦波信號(hào)為 1=1sin（t1） 2=2sin(t2) 相角差為 =12是一個(gè)常數(shù)，并且等于兩正弦量的初相之差。 傳統(tǒng)測相方法比較多，有

18、用示波器測量的，但這樣直接測量的誤差比較大。有 把相位差轉(zhuǎn)換為電壓，即利用非線性器件把被測信號(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信號(hào)的相 位差。有把相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔進(jìn)行測量。測量出兩正弦波過零點(diǎn)的時(shí)間差t 和其周期 t，則 =（t/t）180。 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析 21 測頻 結(jié)合傳統(tǒng)的測頻方法，實(shí)現(xiàn)一個(gè)寬頻域.高精度的頻率計(jì)，直接用傳統(tǒng)的測周或 者測頻法難以實(shí)現(xiàn)，測周法在高頻段誤差較大，而測頻法在低頻段的誤差較大。 211 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。通過a倍頻，把待測信號(hào) 頻

19、率放大a倍，以提高測量精度。其待測頻率為： fx=nat 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。 212 脈沖數(shù)分頻測頻法 此法克服了傳統(tǒng)的測周期法在測高頻精度不高的缺陷。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。 213 測頻-測周結(jié)合法 鑒于兩種測量方法的測量缺陷。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。其系統(tǒng)框圖為： 軟 件 判 斷 低于10khz

20、 測 周 法 測 頻 法 被測信號(hào) 高于10khz 圖 2-1 系統(tǒng)框圖 這樣測量的誤差比較大，因?yàn)殚l門的開閉與被測脈沖周期沒有聯(lián)系，即不同步， 設(shè) t 為門控閘門時(shí)間，tx為被測信號(hào)周期，t1為閘門開啟到第一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖之間 的間隔，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=（n1）txt1(txt2) =ntxt1t2 n=t/txn=t1/txt2/tx 這樣所計(jì)的數(shù) n 的誤差 n 就比較的大。 214 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。用該方 法測量可以直接讀出頻率值和周期值，可以在全頻段上使測量精度

21、保持一致，實(shí)現(xiàn) 等精度測量。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 2-2 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(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)和待測信號(hào)同時(shí)開始計(jì)數(shù)。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)，測得的計(jì)數(shù)值分別為n0和nx。那么： fx/nx=f0/n0 對(duì)其進(jìn)行誤差分析：設(shè)所測頻率的準(zhǔn)確值為fx0。在一次測量中，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)

22、間內(nèi)對(duì)fx的計(jì)數(shù)nx無誤差。在 此時(shí)間內(nèi)f0的計(jì)數(shù)n0最多相差一個(gè)脈沖，即n01，則下式成立： fx/nx=f0/n0 fx0/nx=f0/(n0n0) 由此可分別摧得： fx=(f0/n0)nx fx0=f0/(n0n0)nx 根據(jù)相對(duì)誤差公式有： fx0/fx0=fx0fx/fx0 將上面的式子進(jìn)行整理后可得： fx0/fx0=n0/n0 因?yàn)?n01 所以 n0/n01/n0 即相對(duì)誤差： f=fx0/fx01/n0 其中： n0=tsf0 由上式可以得出結(jié)論： 相對(duì)誤差f與被測信號(hào)頻率無關(guān)； 增大tg或提高f0可以增大n0，從而減小測量誤差，提高測量精度； 測量精度與預(yù)置門寬度和標(biāo)準(zhǔn)頻

23、率有關(guān)，與被測信號(hào)頻率無關(guān)； 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差為f0/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。 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不一定是被測信 號(hào)的整數(shù)倍，因此用同步門控電路將tg延長至tx保證閘門與被測信號(hào)同步，使閘門 時(shí)間準(zhǔn)確地等于被測信號(hào)周期的整數(shù)倍數(shù)，由于閘門時(shí)間與被測信號(hào)同步，nx不存 在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(duì)較少的低頻脈 沖的測量達(dá)到同樣的精度，提高了對(duì)低頻信號(hào)的測量速度。等精度測頻的原理框圖 如下： 被測信號(hào) 輸 入 通 道 fx 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 2

24、 tg 可控計(jì)數(shù)器2 單片機(jī)控制器 時(shí) 鐘 脈 沖 tx 圖2-3 等精度測頻原理框圖 22 測相 221 脈沖填充計(jì)數(shù)測相法 基于測相原理：把相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔，先測量出時(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。使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)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(duì)計(jì)數(shù)進(jìn)行計(jì)算處理，即可得出兩信號(hào)的相位差: =(n1/n

25、2)180. 這種單周期的對(duì)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 t0.t1進(jìn)行計(jì)數(shù)的，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1 誤差，大大影響了測量精度。 放 大 整 形 過 零 鑒 相 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 2 f1 f2 晶振信號(hào) 圖 2-4 測相的原理框圖 222 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

26、同步等精度測量。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延長至被測信號(hào)脈沖的整數(shù)倍，使計(jì)數(shù)時(shí)間與被 測信號(hào)脈沖保持同步，大大提高了測量精度，測量原理圖如下： a b a b c 閘門信號(hào) 100ms定時(shí) d t1 實(shí)際閘門 100ms t 圖 2-5 測相等精度測量原理圖 其系統(tǒng)框圖為： 放 大 整 形 aa b b 鑒 相 器 c+ 同步閘門 分 頻 8mhz t1 int1 int0 t0 p1.0 89c51 晶振信號(hào) 圖 2-6 測相系統(tǒng)框圖 其中 8mhz 的晶振信號(hào)的由下圖產(chǎn)生: 1 11 360 360 0.01uf 8mhz 8mhz 圖 2-7 8mhz 晶振產(chǎn)

27、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. 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量的方法，通過同步控制器，使 測量閘門控制寬度是被測信號(hào)的的整數(shù)倍，提高的精度，同時(shí)擴(kuò)展了測量的范圍， 對(duì)高頻采用了分頻技術(shù)，要直接測到頻率太高的信號(hào)，硬件設(shè)備要求也必須高，成 本也高，為減少成本，提高測量范圍，對(duì)頻率太高 的信號(hào)在測量前對(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)了測量范圍的

28、擴(kuò)展。 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1/n， 要盡量減少誤差，應(yīng)采用多周期平均值法，即多次測量取平均值。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路 31 測頻電路設(shè)計(jì) 3、1、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(duì)信號(hào)要進(jìn)行放大整形處理，放大器的品種很多，我們?cè)谥x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)。該四放大器可以工作在低到 3.0 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

29、大器 而言） 。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。輸出電壓范圍也包含負(fù)電源電壓。它有如下特點(diǎn)：短路保護(hù)輸出。 真差動(dòng)輸入級(jí)。單電源工作：3.0 伏到 32 伏。低輸入偏置電流：最大 100 納安。 每一封裝四個(gè)放大器，內(nèi)部補(bǔ)償。共模范圍擴(kuò)大到負(fù)電源。在輸入端的靜電 放電箱位增加可靠性而不影響器件工作。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。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

30、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。lm324 的引腳排列見圖 3-1。 圖 3-1 lm324 引腳 其放大電路如圖所示 - + lm324 ui +vcc ci r4 rf r3 c2 r1 r2 c0 u0 ci 100k 100k 4。7uf ui 2.5v u0 圖 3-2 放大電路 1 圖 3-3 放大信號(hào) 1 其中 ci 起隔直通交的作用，通常用 0.47uf,電路的電壓放大倍數(shù) av 僅由外接電 阻決定：av=1+rf/r4。在這里設(shè)置放大倍數(shù)為 11，選擇 rf 為 10k，r4 為 100k，因 為考慮到 lm324 的工

31、作電壓范圍大從 3 伏到 32 伏。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。r3 為輸入阻抗選擇阻值為 100k，c2 是濾波電容，電容值為 4.7uf,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。是輸入信號(hào) 總體抬高了 1/2vcc，保證了全信號(hào)放大。 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。其電路

32、圖 - + lm324 +5v -5v + ui rf1 rf2 r u0 + ci t t ui u0 圖 3-4 放大電路 2 圖 3-5 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。 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(duì)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 2-36v，雙電源電壓為1v-18v；(3）對(duì)比 較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較

33、寬；(4）共模范圍很大，為 0（ucc-1.5v）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。 外型及管腳排列如下圖所示： 圖 3-6 lm339 引腳圖 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)于輸出端開路。當(dāng)“- ”端電

34、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)檢測等場合是比較理想的。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。 其整形電路如圖所示： - + lm339 +5v u0 r上拉 u0 d w r1 圖3-7 整形電路 要

35、將正弦波進(jìn)行整形，將 lm339 構(gòu)成遲滯比較器，跳變點(diǎn)為一固定值，由 r1 和滑動(dòng) 變阻器來決定跳變電壓，選擇跳變值大致為 2 伏，r1 為 10k。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。利用二極管的單向?qū)щ娦?，分辨差別小于 u 的兩個(gè)輸入電壓值。 312 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。因設(shè)計(jì)要求測頻范圍是 010khz，是以單片機(jī)為核心的，從理論上講，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為 12mhz 時(shí)，其內(nèi)部計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)頻率為 500khz，考慮到信號(hào)的占空比等因素，實(shí)際測 量的最高頻率低于

36、500khz。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求，必須對(duì)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。分頻的實(shí)現(xiàn)可以用一片 計(jì)數(shù)器芯片 8254，成本低，電路簡單，先介紹一下 8254 芯片，8254 是可編程定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器，工作的最高頻率為 10mhz，每個(gè)芯片內(nèi)部有三個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù) 器都有自己的時(shí)鐘輸入 clk.計(jì)數(shù)輸出 out 和門控制信號(hào) gate，門控信號(hào)為輸入信號(hào)， 用來禁止.允許或開始計(jì)數(shù)過程的。它有六種不同的工作方式，gate 信號(hào)的控制作 用也不同。它的工作方式 2 是一

37、種具有自動(dòng)裝入時(shí)間常數(shù)的 n 分頻器。其工作特點(diǎn) 為: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)。在計(jì)數(shù)器工作期間，如果向此計(jì)數(shù)器寫入新的計(jì)數(shù)初值， 則計(jì)數(shù)器仍按原計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)器回零并在輸出一個(gè)時(shí)鐘周期的負(fù)脈沖之后， 才按新寫入的計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)。門控信號(hào) gate 為高電平時(shí)允許計(jì)數(shù)。 要不要分頻是用軟件來判斷自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，利用 gate 的控制作用，把它與單片機(jī) 的一個(gè) i/o 口 p1.0相連，用其來控制計(jì)數(shù)器的工作，當(dāng)軟件識(shí)別不需要分頻時(shí)，使 gate 為低電平

38、，計(jì)數(shù)器不工作，當(dāng)需要分頻時(shí)，把 gate 門打開，設(shè)置好分頻數(shù) n， 就能實(shí)現(xiàn)所需的分頻了。其與單片機(jī)的接口電路如圖所示： clk0 d0 . . d7 cs a1 a2 rd wr p0.0 . . p0.7 p2.0 p2.1 p2.2 rd wr p1.4 fx u0 8 2 5 4 at89c51 gate0 out0 圖3-8 分頻電路 313 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，這種觸發(fā)器的動(dòng)作特點(diǎn)是輸出端狀態(tài)的 轉(zhuǎn)換發(fā)生在 cp 的上升沿，而且觸發(fā)器所保存下來的狀態(tài)僅僅取決于 cp 上升沿到達(dá) 時(shí)的輸入狀態(tài)。因?yàn)橛|發(fā)器輸入端狀態(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)生在 cp 的上升沿，

39、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。在測量開始后，利用單片機(jī)的 p1.0 作 為預(yù)置門信號(hào) tg 的輸出線，當(dāng) p1.0=1 時(shí)，在被測信號(hào)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，t0 對(duì)被測信號(hào) fx進(jìn)行計(jì)數(shù)，t1對(duì)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) tg后，預(yù)置門時(shí)間到達(dá) tg后，預(yù)置門關(guān)閉使得 p1.0=0，但觸發(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(hào)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

40、才同時(shí)停止計(jì)數(shù)。同步門控 制電路與單片機(jī)的接口電路如圖所示: d cp c int0 int1 t0 t1 rxd txd at89c51 顯示 p1.5 p1.6 圖 3-18 測相顯示電路 323 相位極性判別電路 相位測量電路中，只能給出相位差的大小，無法判斷 波形的超前或者滯后，必須設(shè)計(jì)一個(gè)電路來完成此功能， 要解決判別出波形的超前或滯后，可以將整形后的兩列方 波波形分別輸入到一個(gè) d觸發(fā)器的 d 和 cp 端中進(jìn)行相位極 性判別，輸出的信號(hào)送入單片機(jī)的 i/o 進(jìn)行極性檢測，判 斷出波形的超前或滯后，電路圖如下，當(dāng) u0超前 u1時(shí)，d 觸發(fā)器的 q 端輸出高電平；反之 d 觸發(fā)器的

41、 q 端輸出低電平。 圖 3-19 相位極性判別 但這樣只是讓單片機(jī)識(shí)別了相位的超前和滯后，人們還是不知道是超前還是滯后，必須將 檢測的結(jié)果進(jìn)一步處理才行，怎樣才能讓人知道呢？最簡單的就是用一發(fā)光二極管，用發(fā)光二 極管的亮滅來代表相位的超前和滯后。把一發(fā)光二極管接至單片機(jī)的一 i/o 口，i/o 口輸出的高 低信號(hào)控制發(fā)光二極管的亮滅。這樣人們就可以知道超前和滯后了。 （總的電路圖見附錄） d cp q p1.3 q f1 f2 f1 f2 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 41 主要任務(wù) 測頻 系統(tǒng)的軟件的設(shè)計(jì)主要是保證和硬件電路結(jié)合，正確地實(shí)現(xiàn)等精度測量。其主要任 務(wù)為：預(yù)置閘門 p1.0,控制分頻閘

42、門 p1.1，對(duì)被測信號(hào)和單片機(jī)內(nèi)部頻標(biāo)計(jì)數(shù)，對(duì)數(shù) 據(jù)進(jìn)行處理，高精度運(yùn)算，顯示測量結(jié)果，控制報(bào)警。 測相 其主要任務(wù)為：預(yù)置閘門 p1.0，控制被測信號(hào)分頻閘門 p1.1,對(duì)相位差脈沖和晶振頻 率計(jì)數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，顯示測量結(jié)果，顯示相位極性（是超前還是滯后） 。 42 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì) 鑒于測頻和測相所用設(shè)計(jì)思路相同，即等精度法。單片機(jī)處理的任務(wù)差不多， 其不同之處在與對(duì)數(shù)據(jù)的處理不同。 在開始工作后，或者完成一次頻率測量，系統(tǒng)軟件都進(jìn)行測量初始化。測量初 始化模塊.自檢。工作寄存器.定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作方式，設(shè)立標(biāo)志位（用來判斷被測 信號(hào)是否要分頻） ，外部計(jì)數(shù)器清零，清同步預(yù)置門，存儲(chǔ)單元

43、清空.定時(shí)/計(jì)數(shù)器的 工作首先被設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式，即用來測量信號(hào)頻率。在對(duì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)器清 零后，置運(yùn)行控制位，啟動(dòng)對(duì)待測信號(hào)的計(jì)數(shù)，預(yù)置閘門由延時(shí)程序來實(shí)現(xiàn)。主程 序用來讀取計(jì)數(shù)值，并完成對(duì)其處理，判斷是否分頻，對(duì)分頻器進(jìn)行控制,查超限報(bào) 警控制端。將數(shù)據(jù)送顯示等功能。 43 總體流程圖 開始 初始化設(shè)置 打開預(yù)置閘門 啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器 延 時(shí) 1 s 關(guān)閉預(yù)置門 數(shù)據(jù)處理 需分頻嗎 打開 分頻 器的 gate0門 y n 送顯 查詢p1.5 狀態(tài) 為高電平嗎 置p1.6=1使 蜂鳴器響 延時(shí)1s 置p1.6=0停止 蜂鳴器發(fā)音 結(jié)束 開始 初始化設(shè)置 打開預(yù)置閘門 啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器

44、延 時(shí) 1 s 關(guān)閉預(yù)置門 數(shù)據(jù)處理 需分頻嗎 打開分頻器的gate0門 y n 查p1.2 狀態(tài)控制發(fā)光二極 管顯示相位超前或滯后 送顯 打開分頻器的gate1門 分頻晶振信號(hào) 圖 4-1 測頻流程圖 圖 4-2 測相流程圖 結(jié)論與分析 本文介紹了一種基于單片機(jī) 89c51 制作的頻率.相位計(jì)的設(shè)計(jì)方法，所制作的頻 率.相位計(jì)需要的外圍器件比較少，電路結(jié)構(gòu)簡單，適宜用于嵌入式系統(tǒng)。因所用芯 片比較的常見，成本小，測量的頻域?qū)?，使用等精度測量的思想使精度比較高，具 有體積小，功能強(qiáng).可靠性好.顯示穩(wěn)定等特點(diǎn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的創(chuàng)新與適用性， 對(duì)電子產(chǎn)品的開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。同時(shí)可以在測頻上

45、進(jìn)行擴(kuò)展，使其成多功 能數(shù)字頻率計(jì)，例如能測量信號(hào)的周期.脈寬.占空比等。并且具有一大優(yōu)點(diǎn)功能： 報(bào)警。這是一般頻率計(jì)所沒實(shí)現(xiàn)的。但由于硬件器件的限制，沒達(dá)到設(shè)計(jì)的具體要 求，設(shè)計(jì)要求頻率計(jì)的測量范圍為 010khz 的，但由于所用分頻芯片 8254 的最高 工作頻率為 8mhz，所以沒達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如改用其它工作頻率高的芯片來實(shí)現(xiàn)，是 可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。另外報(bào)警電路設(shè)計(jì)部分，因是用硬件電路來實(shí)現(xiàn)的，受反應(yīng) 時(shí)間的限制.理論計(jì)算和實(shí)際值的誤差，可能會(huì)有較大的誤差。可以在這部分改進(jìn)一 下，例如不用電壓比較器，把經(jīng)頻率/電壓轉(zhuǎn)換后的電壓經(jīng)一 a/d 轉(zhuǎn)化，把模擬信號(hào) 轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)強(qiáng)

46、大的信號(hào)處理功能來實(shí)現(xiàn)報(bào)警。這種方法就比較精 確。 致謝 設(shè)計(jì)能順利完成特別感謝謝指導(dǎo)老師朱兆優(yōu).王海濤老師的耐心指導(dǎo)，感謝他們 在繁忙中抽出時(shí)間來給予大力的幫助和提出寶貴的意見。同時(shí)也感謝我身邊的同學(xué)， 我的搭檔，在我遇到問題時(shí)去找他們時(shí)，他們都放下自己的事，不厭其煩的給我講 解，并且給我提出新的思路供我參考，在此真誠的感謝他們，謝謝他們的幫助。 參考文獻(xiàn) 1 周航慈 朱兆優(yōu) 李躍忠 .智能儀器原理與設(shè)計(jì).北京航空航天出版社, 2005.3 2 周航慈 . 單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù). 北京航空航天出版社,2004.1 3 張毅剛 . 單片機(jī)原理及應(yīng)用 . 高等教育出版社,2004.1 4 童詩白 華成英 . 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 高等教育出版社,2001(2003 重 印) 5 閻石 . 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) . 高等教育出版社,1998.12(2003 重印) 6 張永瑞 . 電子測量技術(shù)基礎(chǔ). 西安電子科技大學(xué)出版社,2004.7 7 鄒道生 . 多功能數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì). 贛南師范學(xué)院學(xué)報(bào).2004 年 6 期 8 劉樂善 . 微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用. 華中科技大學(xué)出版社,2000.4 9 姜玉宏 . 基于 mcs-51 單片機(jī)的高精度數(shù)字測相方法. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)