低頻數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x畢業(yè)論文

1、摘 要頻率、相位測(cè)量?jī)x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(cè)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(cè)量精度的要求也越來(lái)越高。針對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)頻法和測(cè)周法測(cè)量精度不高的缺陷，即測(cè)頻法不宜測(cè)低頻和測(cè)周法不宜測(cè)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(cè)量方法：等精度測(cè)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)了上下頻率等精度測(cè)量，克服了通用頻率計(jì)由于1MSB誤差在上下頻段測(cè)量精度不等的缺陷，既滿足測(cè)量精度的要求,又滿足系統(tǒng)反響時(shí)間的要求。用此方法實(shí)現(xiàn)的頻率計(jì)具有高精度、低本錢、易改良的特點(diǎn)，具有一

2、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(cè)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(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)了相位差的高精度測(cè)量，著重介紹系統(tǒng)原理及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；等精度；誤差；測(cè)相儀；相位差；計(jì)數(shù)器abstractFrequency and phase measurements in production and research equipment widely used in all sectors. Achieve digital mea

3、surements. 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 frequencies to AT89C51 Danpianj

4、i 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 overall frequency of er

5、rors 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 certain relevance. This ar

6、ticle 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, error big mistakes, and t

7、he 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:Chanpian; such precision; Er

8、ror; Testing of devices; Pairs; Counter目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc137354070 緒 論 PAGEREF _Toc137354070 h 1 HYPERLINK l _Toc137354071 第一章系統(tǒng)工作原理 PAGEREF _Toc137354071 h 3 HYPERLINK l _Toc137354072 11 頻率測(cè)量原理 PAGEREF _Toc137354072 h 3 HYPERLINK l _Toc137354073 12 相位測(cè)量原理 PAGEREF _Toc137354073 h 4

9、 HYPERLINK l _Toc137354074 第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析 PAGEREF _Toc137354074 h 5 HYPERLINK l _Toc137354075 21 測(cè)頻 PAGEREF _Toc137354075 h 5 HYPERLINK l _Toc137354076 211 脈沖數(shù)倍頻測(cè)頻法 PAGEREF _Toc137354076 h 5 HYPERLINK l _Toc137354077 212 脈沖數(shù)分頻測(cè)頻法 PAGEREF _Toc137354077 h 5 HYPERLINK l _Toc137354078 213 測(cè)頻-測(cè)周結(jié)合法 PAG

10、EREF _Toc137354078 h 5 HYPERLINK l _Toc137354079 214 多周期等精度測(cè)量方法 PAGEREF _Toc137354079 h 6 HYPERLINK l _Toc137354080 22 測(cè)相 PAGEREF _Toc137354080 h 8 HYPERLINK l _Toc137354081 221 脈沖填充計(jì)數(shù)測(cè)相法 PAGEREF _Toc137354081 h 8 HYPERLINK l _Toc137354082 222 多周期等精度測(cè)相法 PAGEREF _Toc137354082 h 8 HYPERLINK l _Toc1373

11、54083 第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路 PAGEREF _Toc137354083 h 11 HYPERLINK l _Toc137354084 31 測(cè)頻電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc137354084 h 11 HYPERLINK l _Toc137354085 311 信號(hào)放大整形電路 PAGEREF _Toc137354085 h 11 HYPERLINK l _Toc137354086 312 外局部頻電路 PAGEREF _Toc137354086 h 13 HYPERLINK l _Toc137354087 313 同步門邏輯控制電路 PAGEREF _Toc137354087

12、h 14 HYPERLINK l _Toc137354088 314 與單片機(jī)接口顯示電路 PAGEREF _Toc137354088 h 15 HYPERLINK l _Toc137354089 315 擴(kuò)展報(bào)警電路 PAGEREF _Toc137354089 h 16 HYPERLINK l _Toc137354090 32 測(cè)相電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc137354090 h 18 HYPERLINK l _Toc137354091 321 前級(jí)放大整形電路 PAGEREF _Toc137354091 h 18 HYPERLINK l _Toc137354092 322 相位差測(cè)

13、量電路 PAGEREF _Toc137354092 h 20 HYPERLINK l _Toc137354093 323 相位極性判別電路 PAGEREF _Toc137354093 h 21 HYPERLINK l _Toc137354095 第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc137354095 h 22 HYPERLINK l _Toc137354096 41 主要任務(wù) PAGEREF _Toc137354096 h 22 HYPERLINK l _Toc137354097 42 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc137354097 h 22 HYPERLINK l _Toc

14、137354098 43 總體流程圖 PAGEREF _Toc137354098 h 23 HYPERLINK l _Toc137354099 結(jié)論與分析 PAGEREF _Toc137354099 h 24 HYPERLINK l _Toc137354100 致謝 PAGEREF _Toc137354100 h 25 HYPERLINK l _Toc137354101 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc137354101 h 26 HYPERLINK l _Toc137354102 附錄 PAGEREF _Toc137354102 h 27緒 論隨著無(wú)線電技術(shù)的開(kāi)展與普及，“頻率已成為廣闊群

15、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(tīng)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)的播送頻率，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(cè)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钪械囊蟾叩亩嗔T了。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。隨著電子技術(shù)與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的開(kāi)展，數(shù)字式儀表因其高精度的測(cè)量分辨率以及高度的智能化.直觀化的特點(diǎn)得到越來(lái)越廣

16、泛的應(yīng)用，對(duì)相位測(cè)量的要求也逐步向高精度.高智能化方向開(kāi)展?？梢?jiàn)，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(cè)量?jī)x測(cè)量范圍有限，隨著電子技術(shù)的開(kāi)展，高頻信號(hào)的測(cè)量也越來(lái)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?，F(xiàn)在頻率的測(cè)量?jī)x器突破傳統(tǒng)的測(cè)量方法，以單片機(jī)為核心來(lái)設(shè)計(jì)的，利用外圍電路，軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量量程的自動(dòng)切換，具有較高的測(cè)量精度和較短的系統(tǒng)反響。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)了開(kāi)展的需要。相位測(cè)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，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

17、現(xiàn)，具有速度高.只能化.電路簡(jiǎn)單.工作可靠等特點(diǎn)。隨著科技的開(kāi)展，頻率的測(cè)量應(yīng)趨于以下幾個(gè)特點(diǎn)： 測(cè)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(wú)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(cè)量的成千上萬(wàn)個(gè)物理量中，頻率測(cè)量所能到達(dá)的分辨和準(zhǔn)確度是最高的。測(cè)量范圍廣。現(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(kāi)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(cè)量。頻率信息的傳輸和處理，如倍頻.分頻和混頻等都比擬容易，并且精度也很高，這使得對(duì)各不同頻段的頻率測(cè)量能機(jī)動(dòng).靈活的實(shí)施。相位的測(cè)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

18、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(cè)量。 頻率測(cè)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(cè)量結(jié)果的顯示。 設(shè)計(jì)測(cè)量超限報(bào)警電路設(shè)計(jì)并制作一個(gè)相位測(cè)量?jī)x，包括： 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。 相位測(cè)量誤差小于5度c 顯示相位測(cè)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，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，

19、并比擬了不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇出設(shè)計(jì)的最正確實(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(cè)量原理假設(shè)某一信號(hào)在T秒內(nèi)重復(fù)變化N次，那么根據(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。所謂的直接測(cè)頻法是根據(jù)頻率的定義，把被測(cè)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(kāi)通時(shí)間T以秒計(jì)內(nèi)，通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)被測(cè)信

20、號(hào)的脈沖周數(shù)N，從而通過(guò)頻率定義計(jì)算出被測(cè)頻率。直接測(cè)頻的實(shí)現(xiàn)框圖如下圖，脈沖形成電路將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)變成脈沖，其重復(fù)頻率等于被測(cè)信號(hào)頻率fx，將它送入閘門。閘門的開(kāi)閉時(shí)間由門控信號(hào)控制。脈沖為在開(kāi)門時(shí)間T內(nèi)通過(guò)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(kāi)門時(shí)間T，假設(shè)在開(kāi)閘期間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為N，那么被測(cè)信號(hào)頻率為：fx=N/T 圖1-1 直接測(cè)頻法原理框圖根據(jù)誤差絕對(duì)值合成法那么，直接測(cè)頻誤差為： 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)。所謂的測(cè)周法是通過(guò)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的周期來(lái)計(jì)算頻率的，其測(cè)量原理框圖如下圖。被測(cè)信號(hào)經(jīng)脈沖

21、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(kāi)閉，在開(kāi)閘期間，周期為To的時(shí)基信號(hào)通過(guò)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，那么有：Tx=NT0fx=1/Tx=1/NT0=f0/N 圖1-2 測(cè)量周期的原理這種測(cè)量方法產(chǎn)生的總誤差為兩項(xiàng)合成值：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)。可見(jiàn)當(dāng)T0一定時(shí)，被測(cè)信號(hào)頻率fx愈高，Tx愈小，由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)。12 相位測(cè)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=1sint1 2=2sin

22、(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(cè)相方法比擬多，有用示波器測(cè)量的，但這樣直接測(cè)量的誤差比擬大。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。有把相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量出兩正弦波過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差T和其周期T，那么=T/T180。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路及方案分析21 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。211 脈沖數(shù)倍頻測(cè)頻法此法克服了傳統(tǒng)

23、的測(cè)頻在低頻測(cè)量時(shí)精度不高的缺陷。通過(guò)A倍頻，把待測(cè)信號(hào)頻率放大A倍，以提高測(cè)量精度。其待測(cè)頻率為：fx=NAT但待測(cè)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(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。由于傳統(tǒng)測(cè)周法測(cè)量時(shí)要求待測(cè)信號(hào)的周期不能太短，所以可通過(guò)A分頻使待測(cè)信號(hào)的周期擴(kuò)大A倍，所測(cè)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(cè)頻-測(cè)周結(jié)合法鑒于兩種測(cè)量方法的測(cè)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(cè)頻法，在低頻段用測(cè)周法，設(shè)置一個(gè)劃分界限，例如10KHZ，用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換。其系統(tǒng)框圖為

24、：圖2-1 系統(tǒng)框圖這樣測(cè)量的誤差比擬大，因?yàn)殚l門的開(kāi)閉與被測(cè)脈沖周期沒(méi)有聯(lián)系，即不同步，設(shè)T為門控閘門時(shí)間，Tx為被測(cè)信號(hào)周期，t1為閘門開(kāi)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=N1Txt1(Txt2)=NTXt1t2N=T/TxN=t1/Txt2/Tx這樣所計(jì)的數(shù)N的誤差N就比擬的大。214 多周期等精度測(cè)量方法為防止以上缺陷，實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，可以采用多周期同步測(cè)量方法。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。測(cè)量原理圖如下：圖2-2 測(cè)量原理圖當(dāng)測(cè)量開(kāi)始后，由被測(cè)信號(hào)的上升

25、沿同時(shí)翻開(kāi)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(cè)信號(hào)同時(shí)開(kāi)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(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)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。那么：fx/Nx=f0/N0對(duì)其進(jìn)行誤差分析：設(shè)所測(cè)頻率的準(zhǔn)確值為fx0。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(wú)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，那么下式成立：fx/Nx=f0/N0fx0/Nx=f0/(N0N0)由此可分別摧得：fx=(f0/N0)Nxfx0=f0/(N0N

26、0)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(cè)信號(hào)頻率無(wú)關(guān)；增大Tg或提高f0可以增大N0，從而減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度；測(cè)量精度與預(yù)置門寬度和標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測(cè)信號(hào)頻率無(wú)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(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

27、，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1的計(jì)數(shù)誤差，使得測(cè)量誤差與被測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān)，這樣，可以通過(guò)對(duì)較少的低頻脈沖的測(cè)量到達(dá)同樣的精度，提高了對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量速度。等精度測(cè)頻的原理框圖如下： 圖2-3 等精度測(cè)頻原理框圖22 測(cè)相221 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(guò)零點(diǎn)與負(fù)相過(guò)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。

28、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/N2)180.這種單周期的對(duì)相位的測(cè)量計(jì)數(shù)方法，測(cè)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(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)與被測(cè)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(cè)信號(hào)無(wú)關(guān)，這樣的話測(cè)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(cè)量精度。圖2-4 測(cè)相的原理框圖222 多周期等精度測(cè)相法基于測(cè)頻等精度測(cè)量法思想，實(shí)現(xiàn)相位差的高精度測(cè)量，通過(guò)同步門控制使測(cè)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(cè)量。設(shè)置預(yù)置閘門時(shí)間

29、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：圖2-5 測(cè)相等精度測(cè)量原理圖其系統(tǒng)框圖為： 圖2-6 測(cè)相系統(tǒng)框圖其中8MHZ的晶振信號(hào)的由下列圖產(chǎn)生:圖2-7 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)定性比擬高,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(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(guò)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

30、測(cè)到頻率太高的信號(hào)，硬件設(shè)備要求也必須高，本錢也高，為減少本錢，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(guò)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。等精度測(cè)量相位的誤差來(lái)源與等精度測(cè)頻相同，主要是來(lái)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，即屢次測(cè)量取平均值。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路31 測(cè)頻電路設(shè)計(jì)3、1、1 信號(hào)放大整形電路 一般被測(cè)信號(hào)都是小功率的正弦波，在被測(cè)之前要轉(zhuǎn)換成等頻率的方波，所以在被測(cè)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)格廉價(jià)的帶有真差動(dòng)輸入的四低

31、頻率運(yùn)算放大器LM324，與單電源應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)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(lái)表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+、“-為兩個(gè)信號(hào)

32、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(jiàn)圖3-1。 圖3-1 LM324引腳 其放大電路如下圖 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?yàn)榭紤]到LM324的工作電壓范圍大從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)

33、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(guò)，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(jiǎn)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)半局部就可以通過(guò)了。其電路圖 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。

34、 整形的實(shí)現(xiàn)選擇電壓比擬器LM339芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，電壓比擬器是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鑒幅與比擬的電路，是組成正弦波發(fā)生電路的根本單元電路，LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比擬器，該電壓比擬器的特點(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比照擬信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；(4共模范圍很大，為0Ucc-1.5VVo；(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列圖所示： 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)比擬器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為

35、同相輸入端，用“+表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-表示。用作比擬兩個(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)待比擬的信號(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(kāi)路。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。兩個(gè)輸入端電壓差異大于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(cè)等場(chǎng)合是比擬理想的。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

36、出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓根本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比擬器的輸出端允許連接在一起使用。其整形電路如下圖：圖3-7 整形電路要將正弦波進(jìn)行整形，將LM339構(gòu)成遲滯比擬器，跳變點(diǎn)為一固定值，由R1和滑動(dòng)變阻器來(lái)決定跳變電壓，選擇跳變值大致為2伏，R1為10K。在正反響電路中接入一個(gè)非線性元件晶體二極管，加快比擬器的響應(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娦裕直娌町愋∮赨的兩個(gè)輸入電壓值。312 外局部頻電路該電路主要是來(lái)擴(kuò)展測(cè)頻上限的，擴(kuò)大頻率測(cè)量范圍的。因設(shè)計(jì)要求測(cè)頻范圍是010KHZ，是以單片機(jī)為核心的，從理論上講，

37、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(cè)量的最高頻率低于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(cè)頻的上限的擴(kuò)展和測(cè)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，本錢低，電路簡(jiǎn)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(lái)禁止.允許或開(kāi)

38、始計(jì)數(shù)過(guò)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(guò)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，那么計(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(lái)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(lái)控制計(jì)數(shù)器的

39、工作，當(dāng)軟件識(shí)別不需要分頻時(shí)，使GATE為低電平，計(jì)數(shù)器不工作，當(dāng)需要分頻時(shí)，把GATE門翻開(kāi)，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)的接口電路如下圖： 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(lái)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，那么可以利用這種特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際閘門信號(hào)和被測(cè)信號(hào)的同步。在測(cè)量開(kāi)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(cè)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)

40、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(kāi)始工作。其中，T0對(duì)被測(cè)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(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)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)的接口電路如下圖:圖3-9 同步門控制電路314 與單片機(jī)接口顯示電路單片機(jī)是電路的核心工作局部，它實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制，數(shù)據(jù)的處理。顯示電路采用靜態(tài)顯示方式。頻率測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)譯碼，同過(guò)單片機(jī)的串行口送出。89C51有四

41、個(gè)八位的并行I/O口，用它們來(lái)控制外圍電路，片內(nèi)有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0.T1，兩個(gè)外部中斷源INT0.INT1，用來(lái)對(duì)測(cè)量被測(cè)信號(hào)和單片機(jī)內(nèi)部頻標(biāo)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)的數(shù)然后送微處理器處理，因被測(cè)信號(hào)的頻率高達(dá)10KHZ，要用數(shù)碼管顯示出數(shù)據(jù)至少要用八個(gè)數(shù)碼管，單片機(jī)的八個(gè)并行口顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)的不夠用，需要擴(kuò)展，單片機(jī)有一個(gè)串行口，可用來(lái)進(jìn)行串行通信，擴(kuò)展并行I/O口，既不占用片外的RAM地址，又節(jié)省硬件開(kāi)銷，是一種經(jīng)濟(jì).實(shí)用的方法。這里選用74LS164來(lái)擴(kuò)展并行輸出口，74LS164是八位串入并出移位存放器，先簡(jiǎn)單介紹一下74LS164，其引出端的符號(hào)為：CLOCK 時(shí)鐘輸入端 CLE

42、AR 同步去除輸入端低電平有效A ，B 串行數(shù)據(jù)輸入端QA-QH 輸出端當(dāng)去除端CLEAR為低電平時(shí)，輸出端QA-QH均為低電平，串行數(shù)據(jù)輸入端A.B可控制數(shù)據(jù)，當(dāng)A.B任意為一個(gè)低電平，那么禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端CLOCK脈沖上升沿作用下Q0為低電平。當(dāng)A.B有一個(gè)為高電平，那么另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK上升沿作用下決定Q0的狀態(tài)。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。去除端CLEAR與單片機(jī)的一個(gè)I/O口相連，讓單片機(jī)來(lái)控制。有了移位存放器就可任意擴(kuò)展并行口了，在這

43、里用八片74LS164擴(kuò)展八個(gè)8位的并行輸出口。74LS164將串行數(shù)據(jù)換成并行數(shù)據(jù)，進(jìn)行鎖存。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(yáng)的。共陰極的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管電亮，相應(yīng)的段被顯示。共陽(yáng)極的陽(yáng)極連接在一起，通常此公共陽(yáng)極接正電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管接低電平時(shí)，發(fā)光二極管被電亮，相應(yīng)的段被顯示。所以在用之前要先檢測(cè)其為哪種數(shù)碼管。數(shù)碼管也不能直接和74LS164直接相連，因?yàn)樗墓ぷ髟试S電流為6MA-30MA，所以之間要接一定阻值的電阻，作限流作用，一般選用100-300的，選用

44、的電阻不同，其數(shù)碼管的亮度也不同。在這里選擇100的。 使用這種方法主程序可不必掃描顯示器，從而單片機(jī)可以進(jìn)行下一測(cè)量。這種方法也便于對(duì)顯示位數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。單片機(jī)的接口顯示電路如下圖：圖3-10 顯示電路315 擴(kuò)展報(bào)警電路作為測(cè)量?jī)x器，一般都有它的測(cè)量范圍，。在這里設(shè)計(jì)的這樣一個(gè)測(cè)頻計(jì)同樣要考慮到這樣一個(gè)問(wèn)題，萬(wàn)一超出了測(cè)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(jué)的報(bào)警信號(hào)或者提示信號(hào)來(lái)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(cè)量超過(guò)其范圍時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警聲來(lái)提示。警報(bào)電路是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，先將頻率轉(zhuǎn)換成電壓，并計(jì)算出8MHZ頻率轉(zhuǎn)換出的電壓，設(shè)值為V1，再用一

45、電壓比擬器把轉(zhuǎn)換后的電壓與V1進(jìn)行比擬，如果比V1值大，說(shuō)明所測(cè)頻率超限，那么啟動(dòng)報(bào)警信號(hào)使蜂鳴器響，并與單片機(jī)相連控制顯示器使其不顯示。如電壓比V1值小那么說(shuō)明沒(méi)超限，照常工作。實(shí)現(xiàn)頻率/電壓的轉(zhuǎn)換，有專門的芯片，在這里選用LM2907頻率電壓轉(zhuǎn)換器。LM2907為集成式頻率電壓轉(zhuǎn)換器，芯片中包含了比擬器、充電泵、高增益運(yùn)算放大器，能將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，外型管腳如下列圖所示：圖3-11 LM2907引腳各引腳功能如下：腳F和11腳IN-為運(yùn)算放大器比擬器的輸入端；腳接充電泵的定時(shí)電容C1腳接充電泵的輸出電阻和積分電容R1/C2腳IN+和10腳UF1為運(yùn)算放大器的輸入端；腳為輸出晶體

46、管的發(fā)射極U0腳為輸出晶體管的集電極，一般接電源UC腳為正電源端VCC；12腳為接地端GND；，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(lái)的頻率轉(zhuǎn)換成為直流電壓時(shí)，需外接定時(shí)電容C1、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)生在輸入端上有適宜的過(guò)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：IcAVGfin* 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

47、接地，這樣濾波后的電流被濾波電容積分后得到輸出電壓：Vcc*fin* C1*R1* K其中為增益常數(shù)，典型值為。電容C2的值取決于紋波電壓的大小和實(shí)際應(yīng)用中所需要的響應(yīng)時(shí)間。一般LM2907工作頻率為幾十K到幾百K赫茲，工作電壓接5V，超限頻率為8MHZ，所以必須接一分頻器，把8MHZ的信號(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)。定時(shí)電容C1可為充電泵提供內(nèi)部補(bǔ)償，為了獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，其值應(yīng)大于500pF，太小的電容值會(huì)在R1上產(chǎn)生誤差電流，特別在低溫應(yīng)用時(shí)更是如此。所以選擇C1

48、為1000PF，R1為10K。C2為0.47uF，8MHZ所對(duì)應(yīng)的電壓為1.6V。其轉(zhuǎn)換電路如下列圖所示：圖3-12 頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換后的電壓接如一電壓比擬器，這里就用前面介紹的LM339來(lái)實(shí)現(xiàn)，因8MHZ所對(duì)應(yīng)的電壓為1.6V，1.6V的比擬電壓比擬難實(shí)現(xiàn)，試設(shè)置為1V，選擇R1為20K，R2為40K(兩個(gè)20K串聯(lián)。LM339的輸出端接入單片機(jī)的P1.5，通過(guò)查詢P1.5口的狀態(tài)，假設(shè)為高電平，使P1.6輸出高電平，經(jīng)7406反向后得低電平，在壓電蜂鳴器上加上了近5V的直流電壓，由壓電效應(yīng)而發(fā)出蜂鳴音。假設(shè)為低電平，使P1.6輸出低電平，7406輸出高電平，約+5V，壓電蜂鳴器兩端

49、的直流電壓降至接近0V，就不會(huì)發(fā)音。其電路實(shí)現(xiàn)圖如下所示：圖3-13 報(bào)警電路32 測(cè)相電路設(shè)計(jì)321 前級(jí)放大整形電路這局部電路主要是由電壓跟隨器.放大器和比擬器組成的，可完成對(duì)兩列同頻信號(hào)的放大.整形，取出相位差信號(hào)。信號(hào)先經(jīng)一級(jí)電壓跟隨器后再進(jìn)行放大，電壓跟隨器可以提高測(cè)量?jī)x的輸入阻抗。電壓跟隨器選用價(jià)格廉價(jià)的帶有真差動(dòng)輸入的低頻率四運(yùn)放大器LM324，這個(gè)芯片在前面有介紹。放大器也選用LM324。其電路圖如下所示：圖3-14 前級(jí)信號(hào)放大電路在這里放大器為什么選擇前面介紹的前一種而不用電路簡(jiǎn)單的第二種，將信號(hào)整體抬高一定電壓有利于后級(jí)的整形電路能輸出對(duì)稱的方波。整形電路用的是遲滯比擬器

50、，用一滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)整跳變電壓,以便輸出對(duì)稱的方波,如處理不當(dāng)可能輸出的就不是對(duì)稱的方波了。用LM339構(gòu)成遲滯回環(huán)比擬器，目的是為了有效地防止過(guò)零信號(hào)的干擾和抖動(dòng)所引起的電壓跳變，在單限比擬器中，輸入電壓在閥值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出的躍變，不管這種微小變化是源于輸入信號(hào)還是外部干擾，遲滯比擬器具有滯回特性，具有一定的抗干擾能力，兩閥值電壓的差值愈大，電路的抗干擾能力愈強(qiáng)。最后再通過(guò)一級(jí)單們限電壓比擬器輸出TTL信號(hào)。經(jīng)放大整形處理后的兩信號(hào)輸入到74LS136“異或門得到相位差信號(hào)，以方波的脈沖序列輸出，電路圖如下圖：圖3-15 前級(jí)整形電路在此，設(shè)置比擬起的跳變電壓為1伏，由

51、R1.R2.Rf對(duì)電壓的分壓得到，選擇R1為20K，R2為60K三個(gè)20K的電阻串聯(lián)得到，Rf為20K。 圖3-16 放大整形波形圖322 相位差測(cè)量電路先將相位差信號(hào)和8MHZ的晶振通過(guò)74LS00“與非門后得到調(diào)制信號(hào)B，因測(cè)量是以單片機(jī)為核心的，不得不先考慮它的工作條件，單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12MHZ，其內(nèi)部計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)器的最大工作頻率為500KHZ，設(shè)計(jì)要求對(duì)高達(dá)1MHZ的信號(hào)能夠測(cè)量，如對(duì)信號(hào)不進(jìn)行處理，超過(guò)500KHZ的信號(hào)就不能被測(cè)到了，8MHZ的晶振信號(hào)也是不能被單片機(jī)接受的，所以必須對(duì)被測(cè)信號(hào)和晶振頻率進(jìn)行分頻處理，分頻器也是用前面介紹的8254計(jì)數(shù)/定時(shí)器，用一片就可實(shí)

52、現(xiàn)了，只需用到其中的兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器CLK0和CLK1，對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行10分頻，對(duì)8MHZ的晶振信號(hào)進(jìn)行20分頻，分頻與否由單片機(jī)來(lái)控制，將GATE0.GATE1與單片機(jī)的I/O口相連，上電后，不經(jīng)分頻的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理，用軟件來(lái)判斷是否分頻，如要分頻，把GATE門翻開(kāi)，分頻后的信號(hào)重新送單片機(jī)處理，然后再送數(shù)碼管顯示。分頻局部電路如下圖： 圖3-17 測(cè)相分頻電路同步等精度測(cè)量局部：結(jié)合測(cè)頻電路里同步門邏輯控制電路，同樣用一D觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，思想與前面是一樣的，電路也是一樣的。顯示局部：因設(shè)計(jì)要求兩信號(hào)差小于90度，用兩片數(shù)碼管就可以滿足設(shè)計(jì)要求了，同樣是用串行口擴(kuò)展并行口，接兩片數(shù)碼管就可以

53、了。測(cè)量顯示電路如下圖：圖3-18 測(cè)相顯示電路323 相位極性判別電路 相位測(cè)量電路中，只能給出相位差的大小，無(wú)法判斷波形的超前或者滯后，必須設(shè)計(jì)一個(gè)電路來(lái)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(cè)，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(cè)的結(jié)果進(jìn)一步處理才行，怎樣才能讓人知道呢？最簡(jiǎn)單的就是用一發(fā)光二極管，用發(fā)光二極管的亮滅來(lái)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口輸出的上下信號(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(jiàn)附錄第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)41 主要任務(wù) 測(cè)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(cè)量。其主要任務(wù)為：預(yù)置閘門P1.0,控制分頻閘門P1.1，對(duì)被測(cè)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(cè)量結(jié)果，控制報(bào)警。 測(cè)相其主要任務(wù)為：預(yù)置閘門P1.0