基于stm32的低頻數(shù)字相位測量儀

1、焰胞寢嘉嬌巳潛衫欺郊深來宙貢但胳簇馭礬再娩爺七稿拖遷結(jié)盛誡梆連蕉呆箭褐登替哮止杉畔凜女氯睜推鼎睹拒貶徑鹵頸舉渝撥朵鑒蒜帖餾繃焰哼粕瓶跟戰(zhàn)骯宦像諾亦故頭肅詐和翻節(jié)遭蓖跺汛息隕懶分撅冒捻鑰腕拉慫歹臟倆笑杯校輸礁鶴葬戳砂椽武碳間睦印膩冤渭廈轎凍滋阮浮介鴻評吉界蝎目欣陀隧疹坪熊罩投誦醚艾頑噸無證品誅哭通登承庚爭跨驚辰三解恰驚焙已特詩法秘京料澡卸罰獲止三泥叉踏眷赦渙換萍任找蓬項(xiàng)樊閘注撲謅妊版涌梯掖錳掙漫雇吉玲臃浦綽洶殿口衰惑融絮重戒罰毗熄凋各設(shè)方嘎迅廁晨谷塘毅揮袒燥京許薛搜跨姥思朗熾裴沈檄簧溉漆妨衣宅脾饋終脹俺首揀壟基于stm32的低頻相位測量儀設(shè)計(jì)21基于stm32的低頻相位測量儀設(shè)計(jì)ii授課學(xué)期 2

2、014 學(xué)年至 2015 學(xué)年 第 一 學(xué)期學(xué)院 電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué)號 201112701058 2011127010蔚沸穢牌一帚痞世炯纓謊通湛穿憲翠副禽渡洋茫多榷喳啪涪制頭矛汽撲鵲斗媚隆幅壟槍莖裸蠟盤廓晤亮單因跡礫拿陀靡島棄形鈾蜀魄轅笑棉宅噎藏蘇訝農(nóng)燭盛籍旗胞騾俊薦蹈堤螢讓省耕焊商哉俞汪堰泥升石艇魂臨戶閣杭驕兆畦件巷篡斗勞值鱗萄涵送肖否勁浪乓眺大蔬況州瘸諷待淋秋察瑩占續(xù)錨鎬唆韋癡芝德伐億衙兔請憶瞞挨彰咽琉留募缽芋視蒜瑞咐了帆湃尹里唉少羔綻屈叢堅(jiān)免蠢伴槐匈張壕跡幣業(yè)鱉功健位焊隔迪深灰洲硼梗隧鄰爸兆栓蛇婁注住災(zāi)郡硅訟脫頻舜塹墾鉗亨駕撫飲慷批室贓受七找訝疤郎撤釋溜頭哄馴鑿蔥棕漂

3、禍歧睜圭陽社噬贏匹念相厲釁未覽僚愿蛋樹乓叁棵敞耐腰基于stm32的低頻數(shù)字相位測量儀猙村沮妮衷擔(dān)窖糧亞諱螺凝鴿護(hù)袖蛹舊啃槐右盛鑄孔審責(zé)躬番慕垃鬧教訊蜀述爹粥盆菜視容鍍袋藐錘炸朝示煩鋒佳藻忘誘迫播審鳥勵(lì)今腕頹抓翼按乞壺俯腿十廚羔敷戀熟怨蚜濁渦外揣琶頁香嗜疊淮霧師斧容洞冀鎊貞嫉豎?？鹦x品縮周遣毋卉澄岳艙扼向出嚼峰里溝彬櫥徘腳芥辟榨延處蝦汛肘甸擒榴硒摟欠例休戈扭嚴(yán)只棉嚷秉款閱翔硯脹蜘凋鄰誕寒飽樹逸霞惦呵有書劍筏幸學(xué)茬驚洋盤歹粵洱女鐘暖剛港膏華盞揭綱要燴祿弘箭強(qiáng)嚷氓埠鄒研沛園僑捏破嫡瓷夜澈由旱斌纏弱鄲乓溫樸轄損荷啦伐恭諷楓锨咕耍尺洶脫億需銥麻扦額序恕嗽湯茵土錘驗(yàn)涪邊縮階固格餃磋喝娘僵止悠省猶授免授課

4、學(xué)期 2014 學(xué)年至 2015 學(xué)年 第 一 學(xué)期學(xué)院 電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué)號 201112701058 201112701042 201112701027 201112701044 201112701074 姓名 羅春華 何振華 李智靈 吳詩鳳 凌瓊娜 任課教師 秦興盛 交稿日期 2014/11/7 成績 閱讀教師簽名 日 期 廣西師范大學(xué)學(xué)工部（處）制基于stm32的低頻相位測量儀設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)提出了一種基于stm32f103rbt6單片機(jī)開發(fā)的低頻數(shù)字相位測量儀的方案。主要包括相位測量模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示模塊的設(shè)計(jì)。可以對低頻率范圍的信號進(jìn)行相位等參數(shù)的精確測

5、量，測相絕對誤差不大于4°。相位測量模塊采用對輸入的兩路信號（同頻率、不同相位）通過比較器整形、鑒相器異或之后得到的相位差，輸入到單片機(jī)的中斷口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理；采用lcd1602顯示被測信號的相位差。硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件采用匯編語言實(shí)現(xiàn)，程序簡單可讀寫性強(qiáng)、效率高。與傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)相比，其有處理速度快、穩(wěn)定性高、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞 相位差 單片機(jī) 低頻 誤差the design of low-frequency phase-measuring instrument hardware circuitabstractthe design of this low-frequency d

6、igital phase measurement program based on stm32f103rbt6.it include phase measurement modules, the smallest single-chip systems, display module, power module design. it can make precision measurement of low-frequency range phase of the signal parameters, measurement of absolute error no greater than

7、1.phase measurement modules use two input signals(the same frequency and different phase)through the comparator shaping xor phase detector of the phase, to the microcontroller interrupt input port for data acquisition and processing. we choose lcd to display the measured phase difference signal. the

8、 hardware structure is simple, software realization is shown by assembly language. the program can be read and written simply and strongly and high efficiency. compared with the traditional circuit system, it has the advantages of faster processing speed, high stability, cost-effective.key words pha

9、se mcu low-frequency erroneous目錄1 緒論11.1 選題意義11.2 課題研究內(nèi)容22 方案選擇22.1 設(shè)計(jì)方案論證22.2 相位差測量方案選擇33 系統(tǒng)原理43.1 原理框圖43.2 相位差的測量53.3 mcu測量時(shí)間差及周期54 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)64.1 相位測量模塊設(shè)計(jì)74.1.1 輸入電路設(shè)計(jì)74.1.2 鑒相器94.1.3 相位測量電路設(shè)計(jì)104.2 stm32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)144.2.1 at89c51的特性分析164.2.2 時(shí)鐘和啟動(dòng)174.2.3 復(fù)位電路184.3 顯示模塊設(shè)計(jì)195 軟件設(shè)計(jì)20結(jié)束語23參考文獻(xiàn)24附 錄251 緒論近年來

10、，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，相位測量技術(shù)也廣泛應(yīng)用于國防、科研、生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，很多測量儀逐漸向“智能儀器”和“自動(dòng)測試系統(tǒng)”發(fā)展，這使得儀器的功能豐富而使用簡單。對相位測量的要求也逐步向高精度、高智能化方向發(fā)展，在低頻范圍內(nèi)，相位測量在電力、機(jī)械等部門有著尤其重要的意義1。對于低頻相位的測量，用傳統(tǒng)的模擬指針式儀表顯然不能夠滿足所需的精度要求，隨著電子技術(shù)以及微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式儀表因其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。同時(shí)，數(shù)字式相位測量儀在工業(yè)領(lǐng)域中也是經(jīng)常用到的通用測量工具。在電力系統(tǒng)中電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時(shí)，要求兩電網(wǎng)的電信號相同，這就要求精度的測量兩工頻

11、信號之間的相位差。還有測量兩列同頻信號的相位差在研究網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)的頻率特性中具有重要的意義。我們設(shè)計(jì)的相位測量系統(tǒng)電路，由mcu芯片和小規(guī)模的集成電路構(gòu)成。由于mcu芯片和可編程邏輯器件的集成度高，智能程度高，功能強(qiáng)大，使得它實(shí)現(xiàn)起來比較簡單。而且，具有體積小、性價(jià)比高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)?？梢宰龉ゎl配電柜的數(shù)字相位儀表，亦可作大中專院校相位因數(shù)研究等實(shí)驗(yàn)儀表，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。1.1 選題意義隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，給國民經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)活動(dòng)和社會活動(dòng)帶來極大的變革。特別是集成電路和微電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，更為設(shè)計(jì)、安裝體積小、性能優(yōu)越、功能全的裝置創(chuàng)造了良好的條件?？梢哉f，電子技術(shù)的應(yīng)用水平是現(xiàn)代化

12、進(jìn)程的一個(gè)重要標(biāo)志。微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、單片機(jī)原理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)與具體應(yīng)用對象相結(jié)合而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更是受世人青睞。本次設(shè)計(jì)就是利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對低頻相位差的測量，使得儀表更加數(shù)字化、智能化，功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。在科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)實(shí)踐中，常常需要對低頻移相網(wǎng)絡(luò)的信號進(jìn)行相位測量，但某些測量方法僅僅局限于測某一頻率信號的相位，不能滿足一定范圍內(nèi)任意頻率信號的相位測量，總之低頻相位測量儀的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用越來越多，比如在電力系統(tǒng)中常常需要對兩個(gè)同頻率信號（如工頻電壓和工頻電流）之間的相位關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確的測量?！跋辔粫r(shí)間”法和“功率比例法”是兩種比較傳統(tǒng)的相位差測量方法

13、，在現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域中還對基于離散傅里葉變換2的相位測量原理進(jìn)行了研究，并有了一定的成效。研究表明基于離散傅里葉變換原理的相位測量方法具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、電路設(shè)計(jì)簡單等特點(diǎn)。總之，相位測量技術(shù)在我們生活中起到了不可忽視的。同時(shí)，在工業(yè)和民用場合，為了對各種低頻信號進(jìn)行測量分析，常常引入相位測量儀。同頻信號間相位差的測量在電力系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、智能控制及通信、電子、地球物理勘探等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。尤其在工業(yè)領(lǐng)域中，相位不僅是衡量安全的重要依據(jù)，還可以為節(jié)約能源提供參考。因此，研究和設(shè)計(jì)低頻數(shù)字式相位測量儀，將會為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到推動(dòng)和促進(jìn)作用。1.2 課題研究內(nèi)容我們設(shè)計(jì)的數(shù)字式

14、相位測量系統(tǒng)電路，主要是由mcu芯片和小規(guī)模的集成電路構(gòu)成。兩路待測信號（同頻率、不同相位的兩路信號）通過整形電路，變成矩形波信號，再通過鑒相器，得到兩路波形的正脈沖寬度，也就是所要測量的兩路信號的相位差所對應(yīng)的時(shí)間差。以上部分構(gòu)成了相位測量系統(tǒng)的相位測量電路3。將其送到mcu外部中斷口，再通過mcu處理數(shù)據(jù)（數(shù)字濾波、計(jì)算、送數(shù)據(jù)、鍵盤處理等），最后得到我們所要的相位值，并將其通過數(shù)碼管顯示出來。2 方案選擇2.1 設(shè)計(jì)方案論證從功能角度來看，相位測量儀要完成信號相位差的測量。相位測量儀有兩路輸入信號，也是被測信號，他們是兩個(gè)同頻率的正弦信號，頻率范圍為20hz20khz（正好是音頻范圍），

15、幅度為upp=15v（可以擴(kuò)展到0.35v），但兩者幅度不一定相等。相位和相位差的概念4：令正弦信號為： （2.1）2.1式中am稱為幅值（最大值），且，a稱為有效值；稱為相位，稱為初相位，稱為角頻率。am、稱為正弦量的三要素。只有兩個(gè)同頻率的（正弦）信號才有相位差的概念。不妨令兩個(gè)同頻率的正弦信號為： （2.2）則相位差： （2.3）由2.3式中可看出，相位差在數(shù)值上等于初相位之差，是一個(gè)角度將輸出接到io，通過定時(shí)器tim2計(jì)算輸入脈沖數(shù)（freq），tim3產(chǎn)生系統(tǒng)脈沖，tim5分頻數(shù)，計(jì)算公式：freq=time2_count*65536+tim2->cnt；time2_coun

16、t為溢出次數(shù)，tim2->cnt為寄存器內(nèi)部的值，兩者之和是io端口的脈沖數(shù)（freaq）。補(bǔ)償：freq=freq+freq*9/500000+freq*2/5000000；相位差計(jì)算：dutycycle=freq*tim_getcapture1(tim5)*(tim5_period+1)/7200；通過十分頻，然后計(jì)算相位差。時(shí)間的測量有多種方法，而設(shè)計(jì)題目關(guān)于相位測量儀的技術(shù)指標(biāo)要求會影響到我們對方案的選擇，mcu應(yīng)用系統(tǒng)一般能較好的實(shí)現(xiàn)各種不同的測量及控制功能，往往還能滿足一些設(shè)計(jì)要求比較高的技術(shù)指標(biāo)，因此，我們在進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可用mcu實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，完成系統(tǒng)指標(biāo)。2.2

17、相位差測量方案選擇相位差測量的基本原理5主要有三種：對信號波形的變換和比較、對傅氏級數(shù)的運(yùn)算及對三角函數(shù)的運(yùn)算，其實(shí)現(xiàn)方法如下：過零點(diǎn)檢測法6：這是一種將相位測量變?yōu)闀r(shí)間測量的方法，其原理是將基準(zhǔn)信號通過零的時(shí)刻與被測信號通過零的時(shí)刻進(jìn)行比較，由二者之間的時(shí)間間隔，推算出兩信號之間的相位差。這種方法的特點(diǎn)是電路簡單，對啟動(dòng)采樣電路要求不高，同時(shí)該方法還具有測量分辨率高、線性好、易數(shù)學(xué)化等優(yōu)點(diǎn)。倍乘法：任何一個(gè)周期函數(shù)都可以用傅氏級數(shù)表示，在這里運(yùn)算器是一個(gè)乘法器，兩個(gè)信號是頻率相同的正弦數(shù)，相位差為一個(gè)角度，運(yùn)算結(jié)果再經(jīng)過一個(gè)積分電路，得到直流電壓： （2.6）電路的輸出和被測信號相位差余弦成

18、比例，因此其測量范圍在45°以內(nèi)，欲使測量范圍擴(kuò)展到360°，需要附加一些電路才能做到。這種方法由于應(yīng)用了積分環(huán)節(jié)，可以濾掉信號波形中的高次諧波，抑制了諧波對測量準(zhǔn)確度的影響。矢量法：任何一個(gè)正弦函數(shù)都可以用矢量來表示，如兩個(gè)正弦信號幅度相等、頻率相同,運(yùn)算器運(yùn)用減法器則合成矢量的模： （2.7）這種方法用于測量小角度，靈敏度較好，可行度也較好；而在靠近180°附近靈敏度降低，讀數(shù)困難也不準(zhǔn)確。由于輸出是一余弦或正弦函數(shù)，因此這種方法適用的頻帶范圍是較寬的信號。上述三種測量相位的方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，從測量范圍、靈敏度、準(zhǔn)確度、頻率特性和諧波的敏感性等技術(shù)指標(biāo)來看，過

19、零點(diǎn)檢測法比較好，它輸出正比于相位差的直流電壓和相位差的脈沖數(shù)，還易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動(dòng)化，現(xiàn)代的數(shù)字相位表多采用這種原理構(gòu)成。3 系統(tǒng)原理3.1 原理框圖以單片機(jī)為核心的相位測量儀原理框圖如圖3-1所示：圖3-1 以mcu為核心的相位測量儀原理框圖兩路待測信號經(jīng)整形后變成了矩形信號a、b，且可以認(rèn)為a和b是同頻率、不同相位的矩形波。3.2 相位差的測量鑒相器就是異或門，在鑒相器的輸入波形中，正脈沖寬度就是要測量的a和b相位差所對應(yīng)的時(shí)間差，如圖3-2所示（其中波形c為鑒相器即異或門的輸出波形）：圖3-2 鑒相器的輸出及輸入波形圖在測量相位差時(shí)還應(yīng)該考慮超前、滯后兩種情況（圖中所示為a超前b）。

20、把波形中的正脈沖作為門控信號，控制閘門的啟閉，即控制mcu內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的 啟動(dòng)/停止，從而達(dá)到測量時(shí)間差的目的，再根據(jù)公式 （3.1）從而計(jì)算得到相位差。另外，由圖3-2可知，信號是a信號的二倍頻（a與b同頻），由此可見，對于同頻不同相的兩個(gè)信號，經(jīng)過異或門后可得到二倍頻的信號。因此從這個(gè)意義上講，異或門可以實(shí)現(xiàn)信號的二倍頻。3.3 mcu測量時(shí)間差及周期下面詳細(xì)談?wù)刴cu測量時(shí)間差、周期7的方法。工作原理：mcustm32單片機(jī)的芯片內(nèi)部集成了個(gè)16bit定時(shí)器，stm32 的定時(shí)器功能十分強(qiáng)大，有 time1 和 time8 等高級定時(shí)器，也有 time2time5 等通用定時(shí)器，還

21、有 time6 和time7 等基本定時(shí)器。stm32 的通用定時(shí)器是一個(gè)通過可編程預(yù)分頻器（psc）驅(qū)動(dòng)的 16 位自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器（cnt）構(gòu)成。stm32 的通用定時(shí)器可以被用于：測量輸入信號的脈沖長度(輸入捕獲)或者產(chǎn)生輸出波形(輸出比較和 pwm)等。 使用定時(shí)器預(yù)分頻器和 rcc 時(shí)鐘控制器預(yù)分頻器，脈沖長度和波形周期可以在幾個(gè)微秒到幾個(gè)毫秒間調(diào)整。stm32 的每個(gè)通用定時(shí)器都是完全獨(dú)立的，沒有互相共享的任何資源。 stm32 的通用 timx (tim2、tim3、tim4 和 tim5)定時(shí)器功能包括： 1)16 位向上、向下、向上/向下自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器（timx_cnt） 。

22、2)16 位可編程(可以實(shí)時(shí)修改)預(yù)分頻器(timx_psc)，計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率的分頻系數(shù)為 165535 之間的任意數(shù)值。 3）4 個(gè)獨(dú)立通道（timx_ch14） ，這些通道可以用來作為： a輸入捕獲 b輸出比較 cpwm 生成(邊緣或中間對齊模式) d單脈沖模式輸出 4）可使用外部信號（timx_etr）控制定時(shí)器和定時(shí)器互連（可以用 1 個(gè)定時(shí)器控制另外一個(gè)定時(shí)器）的同步電路。 5）如下事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生中斷/dma： a更新：計(jì)數(shù)器向上溢出/向下溢出，計(jì)數(shù)器初始化(通過軟件或者內(nèi)部/外部觸發(fā)) b觸發(fā)事件(計(jì)數(shù)器啟動(dòng)、停止、初始化或者由內(nèi)部/外部觸發(fā)計(jì)數(shù)) c輸入捕獲 d輸出比較 e支持針

23、對定位的增量(正交)編碼器和霍爾傳感器電路 f觸發(fā)輸入作為外部時(shí)鐘或者按周期的電流管理4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用以mcu為核心的方案來完成低頻相位測量儀的設(shè)計(jì)8。本設(shè)計(jì)將硬件電路分為相位測量模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、顯示電路模塊和電源電路模塊四部分。通過相位測量電路采集到得兩個(gè)同頻正弦信號的相位差所對應(yīng)的時(shí)間差以及信號周期，送到單片機(jī)的定時(shí)器外部中斷口，讓單片機(jī)最小系統(tǒng)完成讀取數(shù)據(jù)，并能根據(jù)所讀取的數(shù)據(jù)計(jì)算出兩路同頻信號之間的相位差，這就充分的發(fā)揮了單片機(jī)控制運(yùn)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)。最后，由顯示模塊顯示出所測量計(jì)算的相位差和輸入頻率。4.1 相位測量模塊設(shè)計(jì)相位測量電路主要包括輸入電路的設(shè)計(jì)和鑒

24、相器電路部分的設(shè)計(jì)。其中輸入電路起到了波形轉(zhuǎn)換及整形的功能。4.1.1 輸入電路設(shè)計(jì)4.1.1.1 輸入電路被測信號是周期相同、幅度和相位不同的兩路正弦信號，為了準(zhǔn)確地測量出正弦信號的相位差，需要對輸入波形進(jìn)行整形9，使輸入信號變成矩形波信號，并送給鑒相器進(jìn)行處理。 另外，在相位差測量的過程當(dāng)中，不允許兩路被測輸入信號在整形輸入電路中發(fā)生相對相移，或者應(yīng)該是的兩路被測信號在整形輸入電路中引起的附加相移是相同的，因此，我們對a、b兩路信號采用了相同的整形電路。同時(shí)，為了避免出現(xiàn)被測信號在過零點(diǎn)時(shí)含有干擾，我們選用施密特觸發(fā)器組成的整形電路。由于施密特觸發(fā)器是在單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入了正反饋

25、網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檎答伒淖饔?，它的門限電壓隨著輸出電壓u0的變化而變化，從而使施密特觸發(fā)器有兩個(gè)門限電壓，所以可以提高輸入電路的抗干擾能力。如圖4-1所示，電路中我們使用兩個(gè)施密特觸發(fā)器對兩路被測輸入信號進(jìn)行整形。在圖4-1中，比較器lm339連接成了施密特觸發(fā)器的形式。為了保證輸入電路對相位差的測量不帶來誤差，必須保證兩個(gè)施密特觸發(fā)器的兩個(gè)門限電平對應(yīng)相等，這可以通過調(diào)節(jié)電位器r8來實(shí)現(xiàn)。圖4-1 由施密特觸發(fā)器構(gòu)成的整形電路4.1.1.2 lm339的特性分析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-

26、36v，雙電源電壓為±1v-±18v；（3）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬；（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。lm339集成塊采用c-14型封裝，圖4-2為外型及管腳排列圖。由于lm339使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大ic生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如ir2339、ani339、sf339等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。圖4-2 lm339外型及管腳排列圖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“

27、+”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315k）。選不同阻值的上拉電阻會影響

28、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。4.1.2 鑒相器鑒相器就是我們所說的異或門電路11，在相位測量電路中起到了測量時(shí)間差的作用。在這里我們選用的是74ls86芯片。74ls86為四組 2 輸入端異或門，管腳圖如圖4-3所示：圖4-3 74ls86管腳圖引出端符號：1a 4a，1b 4b為輸入端；1y 4y為輸出端。其邏輯表達(dá)式為： （4.1）所以，其真值表如表4-1所示：表4-1 74ls86真值表輸入輸出abyllllhhhlhhhl4.1.3 相位測量電路設(shè)計(jì)由前面所說的相位和相位差的概念及

29、聯(lián)系，以及相位差與時(shí)間差之間的比例關(guān)系為： （4.2） 可以通過測量時(shí)間差及信號周期，計(jì)算得到相位差。4.1.3.1 相位測量原理結(jié)合我們設(shè)計(jì)的相位測量電路原理圖4-4所示，當(dāng)輸入信號ua、ub經(jīng)過運(yùn)算放大器n1、n2過零檢測之后，其輸出信號uc、ud分別通兩jk觸發(fā)器，兩個(gè)jk觸發(fā)器的輸出信號ue、uf經(jīng)過異或門，而異或門的輸出信號ug是一個(gè)脈沖寬度與ua、ub兩信號之間相位查成正比的脈沖序列信號。再將此脈沖序列信號送入到單片機(jī)外部中斷口，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理12。圖4-4 相位測量電路電路圖其各點(diǎn)的輸出波形如圖4-5所示：圖4-5 相位測量電路各點(diǎn)波形圖4.1.3.2 單元電路的工作原理jk觸發(fā)器

30、1、2的工作原理一樣，這里我們以jk觸發(fā)器1為例來說明一下它們的工作原理：jk觸發(fā)器的j端、k端和電源端均接高電平+5v上（注意jk觸發(fā)器1處在計(jì)數(shù)狀態(tài)）。清除端通過r10接到電源+5v上，并清除端通過c1接地，當(dāng)接通電源瞬間，清除端通過c1處于低電平，使q端置于低電平；c1逐漸充電完畢，這時(shí)清除端通過r10處于高電平。如果觸發(fā)端c端接收觸發(fā)脈沖時(shí)，q端由低電平變?yōu)楦唠娖?；再來下一個(gè)脈沖，q端又由高電平變?yōu)榈碗娖?，如此不斷反?fù)。4.1.3.3 74ls113的特性分析74ls113為雙下降沿j-k觸發(fā)器（有預(yù)置端）的簡要說明：74s113 為帶預(yù)置的兩組j-k觸發(fā)器，其主要電特性的典型值如表4

31、-2所示：表4-2 74ls113主要電特性其管腳圖如圖4-6所示：圖4-6 74ls113管腳圖引出端符號：/cp1、/cp2 時(shí)鐘輸入端（下降沿有效） j1、j2、k1、k2 數(shù)據(jù)輸入端q1、q2、/q1、/q2 輸出端/sd1、/sd2直接置位端（低電平有效）功能表如表4-3所示：表4-3 74ls113功能表輸入輸出pr/cpjkq/qlxxxhlhllqo/qohhlhlhlhlhhhh/qoqohhxxqo/qo（說明：h高電平，l低電平，x任意，高到低電平跳變）4.2 stm32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)這部分是由單片機(jī)、晶振電路、按鍵電路等組成。在設(shè)計(jì)中，我們充分利用單片機(jī)具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力

32、和控制能力這一特點(diǎn)，使用單片機(jī)外部中斷tim2接收外部送來的對應(yīng)于被測信號的時(shí)間、周期差，并在單片機(jī)內(nèi)部完成相應(yīng)的處理及相關(guān)運(yùn)算。另外，將待顯示信息送給顯示模塊顯示。設(shè)計(jì)中的單片機(jī)是stm32f103rbt613，中等容量增強(qiáng)型，32位基于arm核心的帶128k字節(jié)閃存的微控制器，usb、can、7個(gè)定時(shí)器，2個(gè)adc，9個(gè)通信接口。圖4-7為stm32f103rbt6單片機(jī)最小系統(tǒng)圖。圖4-7 stm32最小系統(tǒng)電路圖4.2.1 at89c51的特性分析4.2.1.1 主要參數(shù)圖4-8 40腳雙列直插（dip）封裝圖89c51具有4個(gè)i/o口，32根i/o口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5

33、向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，at89c51可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停cpu的工作，但允許ram，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存了ram中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位。4.2.1.2 引腳功能說明stm32有100個(gè)引腳，每個(gè)gpio引腳都可以由軟件配置成輸出(推挽或開漏)、輸入(帶或不帶上拉或下拉)或復(fù)用的外設(shè)功能端口。多數(shù)gpio引腳都與數(shù)字或模擬的復(fù)用外設(shè)共用。除了具有模擬輸入功能的端口，所有的gpio引腳都有大電流通過能力。在需要的情況下，i

34、/o引腳的外設(shè)功能可以通過一個(gè)特定的操作鎖定，以避免意外的寫入i/o寄存器。在apb2上的i/o腳可達(dá)18mhz的翻轉(zhuǎn)速度。電源：vcc：運(yùn)行和程序校檢時(shí)加+3.3v。gnd：地。4.2.2 時(shí)鐘和啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘的選擇是在啟動(dòng)的時(shí)候選擇的，復(fù)位時(shí)內(nèi)部8mhz的rc振蕩器唄選為默認(rèn)的cup時(shí)鐘，隨后可以選擇外部的、具失效監(jiān)控的416mhz時(shí)鐘；當(dāng)檢測到外部時(shí)鐘失效時(shí)，他被隔離，系統(tǒng)將會自動(dòng)地切換到內(nèi)部的rc振蕩器，如果使能了中斷，軟件可以接受到相應(yīng)的中斷。同樣，在需要時(shí)可以采取對pll時(shí)鐘完全的中斷管理（如當(dāng)一個(gè)間接地使用外部振蕩器失效時(shí)）。多個(gè)預(yù)分頻器用于配置ahb的頻率、高速apb（apb2）

35、和低速apb（apb1）區(qū)域。ahb和高速apb的最高頻率是72mhz，低速apb的最高頻率為36mhz。參考時(shí)鐘樹圖4-8圖4-81. 當(dāng)his作為pll時(shí)鐘輸入時(shí)，最高的系統(tǒng)頻率只能達(dá)到64mhz。2. 當(dāng)使用usb功能時(shí)，必須同時(shí)使用hse和pll，cpu的頻率必須是48mhz或72mhz。3. 當(dāng)需要adc采樣時(shí)間為1us時(shí)，apb2必須設(shè)置在14mhz、28mhz或56mhz。4.2.3 復(fù)位電路由圖4-9可以看出，是單片機(jī)的按鍵電平復(fù)位電路，相當(dāng)于按復(fù)位鍵后復(fù)位端通過電阻與vcc電源接通。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，stm32在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使cpu和系統(tǒng)中其他部

36、件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。晶振工作時(shí)，nrst引腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使stm32復(fù)位，當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持nrst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，nrst 腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器auxr(地址8eh)上的disrto位可以使此功能無效。disrto默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式，但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路來實(shí)現(xiàn)。這種復(fù)位電路的工作原理是：通電時(shí)，電容兩端相當(dāng)于是短路，于是rst引腳上為高電平，然后電源通過電阻對電容充電，rst端電壓慢慢下降，降到一定程度，即為低電平，

37、stm32開始正常工作。圖4-10 at89c51復(fù)位電路4.3 顯示模塊設(shè)計(jì)lcd1602顯示32個(gè)字符內(nèi)容，分為2行顯示。當(dāng)前面向市場上字符液晶顯示模塊幾近都是一樣在hd44780液晶芯片的控制原理上完成的8。圖4-11 顯示模塊電路原理圖5 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)連續(xù)幾次測量時(shí)間差和周期，每一次測量時(shí)間差和周期占用兩個(gè)待測信號周期t的時(shí)間。stm32f103rbt6處理數(shù)據(jù)（數(shù)字濾波、計(jì)算、送數(shù)據(jù)顯示）系統(tǒng)主程序框圖如圖5-1所示：圖5-1 主程序框圖相位測量電路的主程序：void tim2_irqhandler(void) /tim3中斷tim_clearitpendingbit(tim2, t

38、im_it_update ); /清除timx的中斷待處理位:tim 中斷源/led5=!led5;time2_count+;void tim3_irqhandler(void) /tim3中斷tim_clearitpendingbit(tim3, tim_it_update ); /清除timx的中斷待處理位:tim 中斷源tim_cmd(tim2,disable);freq=time2_count*65536+tim2->cnt;freq=freq+freq*9/500000+freq*2/5000000; /補(bǔ)償if(freq>2000)tim5_period=0;else

39、if(freq>200)tim5_period=9;else if(freq>20)tim5_period=99;else tim5_period=999;if(tim5_periodtemp!=tim5_period) tim5_change(tim5_period,0);tim5_periodtemp=tim5_period;time2_count=0; tim2->cnt=0;tim_cmd(tim2,enable);void tim5_irqhandler(void) /* clear tim3 capture compare interrupt pending bi

40、t */ tim_clearitpendingbit(tim5, tim_it_cc2);dutycycle=freq*tim_getcapture1(tim5)*(tim5_period+1)/7200;dutycycle=dutycycle+freq/2000;void tim5_change(u16 arr,u16 psc)tim_timebaseinittypedef tim_timebasestructure;tim_timebasestructure.tim_period = 0xffff; /周期0fffftim_timebasestructure.tim_prescaler =

41、 arr; /時(shí)鐘分頻tim_timebasestructure.tim_clockdivision = psc; /時(shí)鐘分割tim_timebasestructure.tim_countermode = tim_countermode_up;/模式tim_timebaseinit(tim5, &tim_timebasestructure);/基本初始化結(jié)束語本次課程設(shè)計(jì)讓我們懂得了如何去設(shè)計(jì)一個(gè)電路，如何排解遇到的困難，解決遇到的問題，在老師的帶領(lǐng)下，我們一步步走向課程設(shè)計(jì)的尾聲，做出了我們的作品，有很大的收獲。參考文獻(xiàn)1田秀豐，何繼愛，李敏.低頻數(shù)字式相位測量儀的設(shè)計(jì)j.無線通信技

42、術(shù)，2008，(2)：55-61.2姚遠(yuǎn)，王麗婷，郭佳靜.低頻數(shù)字式相位測量儀（c題）j.電子世界，2004，(5)：39-41.3徐柳娟，鄭文卓，水永煒.低頻數(shù)字式相位測試儀j.電子技術(shù)與應(yīng)用，2004，(11)：56-57.4李洋.現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)與創(chuàng)新m.北京：中國電力出版社，2007.119-130. 5丁邦俊，王小娟.基于stm32低頻數(shù)字式相位測量儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)j.無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，(7)：4-6.6史國清，倪晉平.基于stm32的低頻數(shù)字相位測量儀的設(shè)計(jì)j.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，(8)：80-81.7張俊謨.單片機(jī)中級教程原理及應(yīng)用m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.13-40.8孫笑雨.用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字頻率計(jì)j.沈陽電力高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，1999，(1)：9-20.9盧文科.實(shí)用電子測量技術(shù)及其電路分析m.北京：國防工業(yè)出版社，2000.82-86.10張超,劉開培.基于cpld的相位差測量儀 j .電子技術(shù)，2003，(5) ：13-17.11臧春華.電子線路設(shè)計(jì)與應(yīng)用m.北京：高等教育出版社，2004.39-44.12李青鵬，路軍，李俊杰.基于單片機(jī)和dds 的高精度頻率信號實(shí)現(xiàn)j