幅度頻率測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

1、幅度頻率測(cè)量電路的設(shè)計(jì)（H題）系統(tǒng)方案:用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。目前單片機(jī)種類很多，單片機(jī)功能越來(lái)越強(qiáng)，根據(jù)設(shè)計(jì)要 求選用TI公司的MSP43C單片機(jī)，該芯片內(nèi)含2個(gè)16為定時(shí)/計(jì)數(shù)器，能最大限 度的簡(jiǎn)化頻率計(jì)外圍器件。MSP430還有全功能串行口、程序存儲(chǔ)器等，因此該 方案具有硬件構(gòu)成簡(jiǎn)單、功能靈活、易于修改等有點(diǎn)。輸入信號(hào)放大 整形MSP430G2553控制電 路4顯示1rW電路亠|_|圖1 （系統(tǒng)框圖）如圖1所示，被測(cè)正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形電路，得到方波信號(hào)；在通過(guò) MSP430G255單片機(jī)進(jìn)行定時(shí)Ts內(nèi)產(chǎn)生方波N個(gè)（又f=N/T），從而達(dá)到測(cè)頻的 目的與要求，最后在數(shù)碼管上顯示頻率值。幅度頻率

2、測(cè)量電路設(shè)計(jì)任務(wù)方框圖:圖2 （系統(tǒng)框圖）二、單元電路設(shè)計(jì).波形變換電路采用過(guò)零比較器進(jìn)行波形變換。將輸入的正弦波變換為同頻率的方波信號(hào)。電路簡(jiǎn)單可以同時(shí)滿足和5V的幅值信號(hào)輸入 且轉(zhuǎn)換出來(lái)的方波波 形完全不失真，輸出電壓為 可調(diào) 改變負(fù)載電阻即可 。如附件圖2所示，是 用LMV393比較器組成的過(guò)零比較器。因?yàn)檫@款芯片屬于TI公司的，所以是首選。還有就是對(duì)這款芯片進(jìn)行測(cè)試測(cè) 試。當(dāng)輸入IHz-IOMHZ寸，輸入方波很穩(wěn)定。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路。幅度測(cè)量電路：幅度測(cè)量電路利用幅頻轉(zhuǎn)換電路， 將幅度轉(zhuǎn)換為頻率進(jìn)行測(cè)量， 主要利用AD820芯片、AD654 芯片完成。電路框圖如圖 I所示。圖1幅頻轉(zhuǎn)

3、換電路框圖 AD8201】是單雙電源、低功耗、精密場(chǎng)效應(yīng)輸人的運(yùn)算放大器，采信號(hào)輸入用雙電源工作時(shí)， 它的輸出電壓能夠達(dá)到電源的正負(fù)電源電壓。 設(shè)計(jì)中考慮到由于運(yùn)算放大 器AD820輸入級(jí)采用N溝道的場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 在正常工作時(shí)，輸入電流是負(fù)的，如果輸入端 電壓大于(V。一 0. 4V)，則使器件內(nèi)部結(jié)點(diǎn)變成正向偏置，輸入電流方向相反。為了防止 產(chǎn)生這種現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)在輸入端串聯(lián)一個(gè)電阻(典型值在1 kQ10 kfl之間)，但此電阻也會(huì)產(chǎn)生噪聲電壓，影響測(cè)量的精度。 在本設(shè)計(jì)中選用了 500 電阻。 同時(shí)，該電阻還能起限流 作用，防止輸入電壓大于(V。+0. 4 V)時(shí)，運(yùn)算放大器由于輸入電流過(guò)

4、大而損壞器件。在本 設(shè)計(jì)中采用單電源工作模式，運(yùn)算放大器的輸人端也允許輸入負(fù)電壓信號(hào)，而不損壞器件。 AD6542J芯片是一種低成本電壓頻率 (V/F)轉(zhuǎn)換器芯片，使用時(shí)只需個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，即可構(gòu)成應(yīng)用電路。電路設(shè)計(jì)中通過(guò)AD654的6、7腳之間的電容 C1, AD820正向輸入端3腳的串聯(lián)電阻R l和RRPI來(lái)調(diào)節(jié)電壓與頻率的關(guān)系，參見(jiàn)圖 1。RRPI是可調(diào)的滑動(dòng)變 阻器，通過(guò)調(diào)節(jié)其值的變化來(lái)調(diào)節(jié)電壓與頻率的關(guān)系，其轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(1) 所示。如=Ui10 X Cl X (R|+RRPI)J設(shè)計(jì)選用R1_200 l，Rp,pl=500 QCl=1 nF,幅度與頻率的關(guān)系約為 fo=Ui /(2 X

5、 103)(knz) 所以最后由數(shù)碼管頻率的顯示值可以很方便地得出幅度值。頻率測(cè)量電路 : 本設(shè)計(jì)對(duì)正弦波頻率的測(cè)量選用了計(jì)數(shù)法中的電子計(jì)數(shù)式的測(cè)量方式3| 。原理是根據(jù)頻率的定義：周期信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)變化的次數(shù)，即若在一定的時(shí)間間隔 T內(nèi)記錄這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為 J7、r,則其頻率可表示為 F=N/ T。其測(cè)量的原理框圖下圖 2所示。 圖 2 測(cè)量正弦頻率的原理框圖本設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)是ATMEL公司的AT89C51芯片4l ,它的突出特點(diǎn)是 Flash程序存儲(chǔ)器。它的主要功能如下：(1) 具有4KB的程序存儲(chǔ)器、128字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器。(2) 工作頻率在 33 MI-Iz

6、、靜態(tài)操作在 0. 24 MHz、工作電壓在 4. 0V6. 0 V 之間。(3) 有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、可編程UART通道1個(gè)。(4) 一個(gè)全雙工的異步串行口、32根雙向和可單獨(dú)尋址的I /O線。(5) 有 5 個(gè)中斷源、兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、有片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器、有布爾處理能力。 對(duì)單片機(jī)的程序編制采用匯編語(yǔ)言，是通過(guò) Keil 編程軟件編制、測(cè)試完成的，主要包括定 時(shí)、存儲(chǔ)、數(shù)值轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示幾個(gè)部分。其中對(duì)小于 lkHz 的頻率帶通濾波器：對(duì)于低通濾波器的設(shè)計(jì)，電容一般選取1000pF,對(duì)于高通濾波器的設(shè)計(jì)，電容一般選取，然后根據(jù)公式 R=1/2nfc計(jì)算得出與電容相組合的電阻值，即得到

7、此圖中R2 R6和R7,為了消除運(yùn)放的失調(diào)電流造成的誤差，盡量是運(yùn)放同相輸 入端與反向輸入端對(duì)地的直流電阻基本相等，同時(shí)巴特沃斯濾波器階數(shù)與增益有一定的關(guān)系(見(jiàn)表1)，根據(jù)這兩個(gè)條件可以列出兩個(gè)等式：30=R4*R5/(R4+R5),R5=R4(A-1),36=R8*R9/(R8+R9) , R8=R9(A-1)由此可以解出 R4 R5 R8、R9, 原則是根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況稍調(diào)整電阻值保持在一定限度內(nèi)即可， 不要相差太大，注意 頻率不要超過(guò)運(yùn)放的標(biāo)定頻率。三、理論分析與計(jì)算.誤差計(jì)算本設(shè)計(jì)采用組合測(cè)頻法，其誤差主要來(lái)自于計(jì)數(shù)誤差，測(cè)周法及測(cè)頻法對(duì)測(cè)頻的影響分析如下： 測(cè)頻法計(jì)數(shù)誤差分析：設(shè)被測(cè)信號(hào)

8、的頻率 f0，時(shí)間t內(nèi)檢測(cè)到N個(gè)周期信號(hào)，則fo -(3-1 )計(jì)數(shù)誤差對(duì)測(cè)頻誤差的影響可由對(duì)(2-1 )式求N的微分得出fx 1dNN(3-2)由產(chǎn)生計(jì)數(shù)誤差的原因可知，對(duì)于dN N部分,無(wú)論計(jì)時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短，計(jì)數(shù)法測(cè)頻總(3-3)又因?yàn)镹 11x，所以1因?yàn)楦鶕?jù)題目要求測(cè)1HZ-1MH頻的存在1個(gè)單位的量化誤差，即計(jì)數(shù)誤差dN為土 1，所以1Nx正弦波，誤差要求小于%而當(dāng)我們輸入1000Hz以上頻率時(shí)，采用直接測(cè)頻法， 誤差就會(huì)大于%所以要用測(cè)周期法來(lái)間接得出頻率。測(cè)周期時(shí)計(jì)數(shù)誤差的影響：用測(cè)周期法測(cè)頻時(shí)，頻率計(jì)算公式:fx1fK N又N對(duì)其微分得到fK(3-4)fxfKdfx dN 11 f

9、 x 1 N N所（3-5） dN N為量化誤差。待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量值通過(guò)浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算變換成頻率值,這時(shí)的誤差來(lái)源于浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的誤差。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).軟件程序設(shè)計(jì)特色采用組合測(cè)頻率，低頻時(shí)采用測(cè)周法，高頻時(shí)采用直接測(cè)頻法。低頻時(shí)，利用T1對(duì)信號(hào)的一個(gè)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)（ent），利用PI/O 口的對(duì)電平跳變沿敏感并產(chǎn)生 中斷來(lái)確定信號(hào)的周期長(zhǎng)度，設(shè) T1的時(shí)鐘為T,則信號(hào)的頻率f=1/ ;高頻時(shí)，T0 為計(jì)數(shù)模式，T1采用定時(shí)模式，T1定時(shí)為2秒，將信號(hào)作為TO的外部輸入時(shí)鐘， TO在T1的2秒時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)（ent），信號(hào)頻率f=ent/2。.程序流程圖如附件圖3所示：五、系統(tǒng)儀器六、設(shè)計(jì)遇到的問(wèn)題及解決方案硬件部分在設(shè)計(jì)波形變換電路時(shí)，選用遲滯比較器、施密特觸發(fā)器和過(guò)零比較器這三 種電路中哪一種來(lái)實(shí)現(xiàn)波形轉(zhuǎn)換， 有些不確定。但是經(jīng)過(guò)逐次仿真來(lái)驗(yàn)證，最后 選用由LMV393組成的過(guò)零比較器。軟件部分開(kāi)始使用測(cè)頻法，高頻時(shí)較精