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）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(lèi)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rW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

2、數(shù)碼管上顯示頻率值。幅度頻率測(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)2.1.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(mǎn)足0.5V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3.2V 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。7: TEA*4-5*.U2JTEXT1CI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1Hz-10MHz時(shí)，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)

3、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)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

4、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)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 RI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 (RI+RRPI)J設(shè)計(jì)選用 R1_200 I

5、 ，Rp,pl=500 Q，Cl=1 nF， 幅度與頻率的關(guān)系約為fo=Ui /(2 x 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。yi 11電粗需獰片.1NFh *4*5J-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。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里燈凰咚司 MJJ ( I遊膊亞護(hù)些段可71#電廊| T 1本設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)是ATME公司的A

6、T89C51 芯片41，它的突出特點(diǎn)是Flash程序存儲(chǔ)器。 它的主要功能如下：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、靜態(tài)操作在0.24 MHz工作電壓在4. 0V6. 0 V之間。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(xiàn)。(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IkHz的頻率帶通濾波器：對(duì)于低通

7、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0.1uF，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)

8、定頻率。R1i exlOOflpF042KR4 XICOJpFR61SKU1A LM3S8PO.luF O.luTJ-5U1BLM358PA75( 1LP此：X./K三、理論分析與計(jì)算3.1. 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)的頻率f0，時(shí)間t內(nèi)檢測(cè)到N個(gè)周期(3-1 )信號(hào)，則fo 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(3-2)dfxdN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)頻總存在1個(gè)單位的量化誤差，即計(jì)數(shù)誤差dN為土 1，（3-3）又因?yàn)镹x

9、，所以11-因?yàn)楦鶕?jù)題目要求測(cè)1HZ-1MH頻的正弦波，誤差要求小于0.1%。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0.1%。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：fx右竽對(duì)其微分得到dfxdN11f x 1NN(3-4)fKfx fK（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)4.1. 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)（

10、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(mén),則信號(hào)的頻率f=1/（cnt.T）;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T(mén)0的外部 輸入時(shí)鐘，T0在T1的2秒時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)（cnt），信號(hào)頻率f=cnt/2。4.2. 程序流程圖如附件圖3所示：系統(tǒng)初婦化Q測(cè)頻法P計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)屮f二您“ T 口 顯示A五、系統(tǒng)儀器六、設(shè)計(jì)遇到的問(wèn)題及解決方案6.1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。6.2軟件部分開(kāi)始使用