低頻相位測量儀硬件電路設計(方案很好)

1、低頻相位測量儀硬件電路設計低頻相位測量儀硬件電路設計摘 要本設計提出了一種基于AT89C51單片機開發(fā)的低頻數字相位測量儀的方案。主要包括相位測量模塊、單片機最小系統(tǒng)、顯示模塊、電源模塊的設計?？梢詫Φ皖l率范圍的信號進行相位等參數的精確測量，測相絕對誤差不大于1°。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，輸入到單片機的中斷口進行數據采集處理；采用數碼管顯示被測信號的相位差。硬件結構簡單，軟件采用匯編語言實現，程序簡單可讀寫性強、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、性價比高的優(yōu)點。關鍵詞 相位差 單片機 低頻

2、誤差331.1 課題研究內容我們設計的數字式相位測量系統(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的時間差。以上部分構成了相位測量系統(tǒng)的相位測量電路3。將其送到MCU外部中斷口，再通過MCU處理數據（數字濾波、計算、送數據、鍵盤處理等），最后得到我們所要的相位值，并將其通過數碼管顯示出來。2 方案選擇2.1 設計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，他們是兩個同頻率的正弦信號，頻率

3、范圍為20Hz20KHz（正好是音頻范圍），幅度為UPP=15V（可以擴展到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。只有兩個同頻率的（正弦）信號才有相位差的概念。不妨令兩個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，相位差在數值上等于初相位之差，是一個角度不妨令，其中是相位差對應的時間差，且令為信號周期，則有比例關系： （2.4）可以推導得到： （2.5）式子2.5中可以說明，相位差與一一對應，可以通過測量時間

4、差及信號周期，計算得到相位差，這就是相位差的基本測量原理。由于相位差的基本測量原理可知，相位差的測量本質上是時間差及信號周期的測量，也就是時間的測量，而時間的測量不可避免地要用到電子計數器。時間的測量有多種方法，而設計題目關于相位測量儀的技術指標要求會影響到我們對方案的選擇，MCU應用系統(tǒng)一般能較好的實現各種不同的測量及控制功能，往往還能滿足一些設計要求比較高的技術指標，因此，我們在進行電子系統(tǒng)設計時，可用MCU實現系統(tǒng)功能，完成系統(tǒng)指標。2.2 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、對傅氏級數的運算及對三角函數的運算，其實現方法如下：過零點檢測法6：這是

5、一種將相位測量變?yōu)闀r間測量的方法，其原理是將基準信號通過零的時刻與被測信號通過零的時刻進行比較，由二者之間的時間間隔，推算出兩信號之間的相位差。這種方法的特點是電路簡單，對啟動采樣電路要求不高，同時該方法還具有測量分辨率高、線性好、易數學化等優(yōu)點。倍乘法：任何一個周期函數都可以用傅氏級數表示，在這里運算器是一個乘法器，兩個信號是頻率相同的正弦數，相位差為一個角度，運算結果再經過一個積分電路，得到直流電壓： （2.6）電路的輸出和被測信號相位差余弦成比例，因此其測量范圍在45°以內，欲使測量范圍擴展到360°，需要附加一些電路才能做到。這種方法由于應用了積分環(huán)節(jié)，可以濾掉信號

6、波形中的高次諧波，抑制了諧波對測量準確度的影響。矢量法：任何一個正弦函數都可以用矢量來表示，如兩個正弦信號幅度相等、頻率相同,運算器運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，讀數困難也不準確。由于輸出是一余弦或正弦函數，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，從測量范圍、靈敏度、準確度、頻率特性和諧波的敏感性等技術指標來看，過零點檢測法比較好，它輸出正比于相位差的直流電壓和相位差的脈沖數，還易于實現數字化和自動化，現代的數字相位表多采用這種原理構成。3 系統(tǒng)原理3.1 原

7、理框圖以單片機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整形后變成了矩形信號A、B，且可以認為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相位差所對應的時間差，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還應該考慮超前、滯后兩種情況（圖中所示為A超前B）。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內部定時器/計數器的 啟動/停止，從而達到測量時間差的目的，再根據公式 （3.1）從而計算

8、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信號，經過異或門后可得到二倍頻的信號。因此從這個意義上講，異或門可以實現信號的二倍頻。3.3 MCU測量時間差及周期下面詳細談談MCU測量時間差、周期7的方法。工作原理：MCU51單片機的芯片內部集成了兩個16bit的硬件定時器/計數器，他們是、。MCU芯片內部的硬件定時器/計數器有三個特點：第一：定時器/計數器可以與CPU并行工作；第二：定時器/計數器可以采用中斷方式與系統(tǒng)協調工作；第三：定時器/計數器可以有軟件或硬件控制啟動和停止。單片機的定時器/計數器受TMOD及TCON的控制，如圖3-3

9、所示：圖3-3 TMOD和TCON若GATE=0，則由TRI控制定時器/計數器的啟動和停止，為純軟件控制方式。若GATE=1，TRI=1，則由INTI引腳的外部信號控制定時器/計數器的啟動和停止，是純硬件控制方式。若GATE=1，則由TRI和INTI引腳的外部信號混合控制定時器/計數器的啟動和停止，是軟、硬件結合的控制方式。定時器/計數器工作在定時工作方式時，其計數器對內部機器周期進行加1技術，而定時器/計數器的工作啟動、停止采用外部硬件控制。4 系統(tǒng)硬件電路設計本系統(tǒng)采用以MCU為核心的方案來完成低頻相位測量儀的設計8。本設計將硬件電路分為相位測量模塊、單片機最小系統(tǒng)電路、顯示電路模塊和電源

10、電路模塊四部分。通過相位測量電路采集到得兩個同頻正弦信號的相位差所對應的時間差以及信號周期，送到單片機的外部中斷口，讓單片機最小系統(tǒng)完成讀取數據，并能根據所讀取的數據計算出兩路同頻信號之間的相位差，這就充分的發(fā)揮了單片機控制運算能力強的特點。最后，由顯示模塊顯示出所測量計算的相位差。4.1 相位測量模塊設計相位測量電路主要包括輸入電路的設計和鑒相器電路部分的設計。其中輸入電路起到了波形轉換及整形的功能。4.1.1 輸入電路設計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，為了準確地測量出正弦信號的相位差，需要對輸入波形進行整形9，使輸入信號變成矩形波信號，并送給鑒相

11、器進行處理。 另外，在相位差測量的過程當中，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，為了避免出現被測信號在過零點時含有干擾，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上引入了正反饋網絡，因為正反饋的作用，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施密特觸發(fā)器對兩路被測輸入信號進行整形。在圖4-1中，比較器LM339連接成了施密特觸

12、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，必須保證兩個施密特觸發(fā)器的兩個門限電平對應相等，這可以通過調節(jié)電位器R8來實現。圖4-1 由施密特觸發(fā)器構成的整形電路4.1.1.2 LM339的特性分析LM339集成塊內部裝有四個獨立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是： （1）失調電壓小，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）對比較信號源的內阻限制較寬；（4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；（5）差動輸入電壓范圍較大，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

13、型封裝，圖4-2為外型及管腳排列圖。由于LM339使用靈活，應用廣泛，所以世界上各大IC生產廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數基本一致，可互換使用。圖4-2 LM339外型及管腳排列圖LM339類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個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），另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路

14、。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個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的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時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輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。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間差的作用。在這里我們選用的是74LS

15、86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 相位測量電路設計由前面所說的相位和相位差的概念及聯系，以及相位差與時間差之間的比例關系為： （4.2） 可以通過測量時間差及信號周期，計算得到相位差。4.1.3.1 相位測量原理結合我們設計的相位測量電路原理圖4-4所示，當輸入信號UA、UB經過運算放大器N1、N2過零檢測之后，其輸出信號UC、UD分

16、別通兩JK觸發(fā)器，兩個JK觸發(fā)器的輸出信號UE、UF經過異或門，而異或門的輸出信號UG是一個脈沖寬度與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外部中斷口，進行數據處理12。圖4-4 相位測量電路電路圖其各點的輸出波形如圖4-5所示：圖4-5 相位測量電路各點波形圖4.1.3.2 單元電路的工作原理JK觸發(fā)器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處在計數狀態(tài)）。清除端通過R10接到電源+5V上，并清除端通過C1接地，當接通電源瞬間，清除端通過C1處于低電平，

17、使Q端置于低電平；C1逐漸充電完畢，這時清除端通過R10處于高電平。如果觸發(fā)端C端接收觸發(fā)脈沖時，Q端由低電平變?yōu)楦唠娖?；再來下一個脈沖，Q端又由高電平變?yōu)榈碗娖?，如此不斷反復?.1.3.3 74LS113的特性分析74LS113為雙下降沿J-K觸發(fā)器（有預置端）的簡要說明：74S113 為帶預置的兩組J-K觸發(fā)器，其主要電特性的典型值如表4-2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 時鐘輸入端（下降沿有效） J1、J2、K1、K2 數據輸入端Q1、Q2、/Q1、/Q2 輸出端/SD1、/SD2直接置位端（

18、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 單片機最小系統(tǒng)設計這部分是由單片機、晶振電路、按鍵電路等組成。在設計中，我們充分利用單片機具有較強的運算能力和控制能力這一特點，使用單片機外部中斷INT0、INT1接收外部送來的對應于被測信號的時間、周期差，并在單片機內部完成相應的處理及相關運算。另外，在設計中使用單片機串口UART,，將待顯示信息送給顯示模塊顯示。設計中的單片機是AT89C5113，是美國ATM

19、EL公司生產的8位單片機，它的主要特性有：與MCS51兼容，其內部有4KB可編程Flash存儲器；128*8位內部RAM，有1000次寫/擦循環(huán)；024MHz全靜態(tài)工作模式；32根可編程I/O線；兩個16位定時器/計數器；5個中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內含有振蕩器和時鐘電路。因此，它完全可以滿足本系統(tǒng)設計的需求。圖4-7為AT89C51單片機最小系統(tǒng)圖。圖4-7 AT89C51最小系統(tǒng)電路圖4.2.1 AT89C51的特性分析4.2.1.1 主要參數圖4-8 40腳雙列直插（DIP）封裝圖89C51具有4個I/O口，32根I/O口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩

20、級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，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/計數器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存了RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導下一個硬件復位。4.2.1.2 引腳功能說明電源和晶振：VCC：運行和程序校檢時加+5V。GND：地。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：反相放大器的輸出，輸入到內部時鐘發(fā)生器。I/O口：P0：P0口是一組8位漏極開路的雙向I/O口，也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，

21、每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1：P1口是一個帶內部上拉電阻的8位準雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IU）。Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8

22、位地址。P2：P2口是一個帶內部上拉電阻的8位準雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IU）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數據。在訪問8位地址的外部數據存儲器（例如執(zhí)行MOVXRI指令）時， P2口線上的內容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2寄存器中的內容），在整個訪問期間不改變。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其它控制

23、信號。P3：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位準雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可以作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IU）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表4-4所示：表4-4 89c51P3口功能表端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時/計數器0）P3.5T1（定時/計數器1）P3.6/WR（外部數據存儲器寫選通）P3.7

24、/RD（外部數據存儲器讀選通）P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RXD、TXD：分別為串行輸入口、輸出口，分別作輸入和輸出用。、：外部中斷0、1，輸入?？刂凭€：RST：復位輸入信號，高電平有效。在振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平使單片機復位。：地址鎖存允許信號，輸出。當訪問外部程序或數據存儲器時，ALE（地址所存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可以對外部時鐘或用于定時母的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，

25、該引腳還用于輸入編程脈沖（）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置后，只有一條MOVX和MOVC指令ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE無效。：片外程序存儲器選通信號，低電平有效。程序儲存允許（）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部存儲器讀取指令（或數據）時，每個機器周期兩次有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，這兩次有效的信號不出現。：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如

26、果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接端），CPU則執(zhí)行內部程序存儲中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當然這必須是該器件是使用12V的編程電壓VPP。4.2.2 時鐘電路計算機工作時，是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一拍一拍的進行的，這個脈沖是由單片機控制器中的時序電路發(fā)出的。單片機的時序就是CPU在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序。為了保證各部件間的同步工作，單片機內部電路就在惟一的時鐘信號控制下嚴格的按時序進行工作。要給單片機提供時序要有相關的硬件電路，即振蕩器和時鐘電路，因此選擇了內部時鐘方式。利用芯片內部的振蕩器，然后在引

27、腳XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內部時鐘電路如圖4-9所示，單片機是一種時序電路，必須提供脈沖信號才能正常工作，在單片機內部已集成了振蕩器，使用晶體振蕩器，接18、19腳。外接晶振時，C5和C6值通常選擇為30PF左右。C5，C6對頻率有微調作用。晶體CR的頻率范圍可在1.212MHZ之間選擇。在實際連接中，為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定可靠地工作，振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近。圖4-9 AT89C51振蕩電路分析可知,只要計數脈沖的間隔相等，則計數值就代表了時間的流逝。由此，單片機中的定時器和計數器是一個東

28、西，只不過計數器是記錄的外界發(fā)生的事情，而定時器則是由單片機提供一個非常穩(wěn)定的計數源。那么提供給定時器的計數源就是由單片機的晶振經過12分頻后獲得的一個脈沖源，計數脈沖的間隔與晶振有關，12M的晶振，計數脈沖的間隔是1微秒。4.2.3 復位電路由圖4-10可以看出，是單片機的按鍵電平復位電路，相當于按復位鍵后復位端通過電阻與Vcc電源接通。復位是單片機的初始化操作，單片機在啟動運行時，都需要先復位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。晶振工作時，RST引腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復位，當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間

29、?？撮T狗計時完成后，RST 腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。因而，復位是一個很重要的操作方式，但單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應的外部電路來實現。這種復位電路的工作原理是：通電時，電容兩端相當于是短路，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，單片機開始正常工作。圖4-10 AT89C51復位電路4.3 顯示模塊設計顯示電路14由4個共陽極7段LED數碼管和4片串入/并行的移位寄存器74LS164芯片組成。這種顯示方式

30、不僅可以簡單得到較為簡單的硬件電路，而且可以得到穩(wěn)定的數據輸出顯示，不僅占用單片機端口少，而且可以充分了利用單片機芯片內部的串行口資源，簡化軟件編程。多位LED顯示時，常將所有位的段選線并聯在一起，由一個8位I/O口控制，而共陰極點或共陽極點分別由另一個8位I/O口控制；也可采用并行擴展口構成顯示電路。通常，需要擴展器件管腳的較多，價格較高。在這里我們利用單片機的一個并行I/O口實現多個LED顯示的簡單方法。圖4-11所示是該電路的顯示模塊電路原理圖。其中，74LS164是8位并行輸出門控串行輸入移位寄存器，LED采用共陽極數碼管。顯示時，其顯示數據以串行方式從AT89C51的P3.0(RXD

31、)口輸出送往移位寄存器74LS164的A、B端，然后將變成的并行數據從輸出端Q0Q7輸出。然后再將輸出的LED段選碼同時送往數碼管LED1LED4。圖4-11 顯示模塊電路原理圖4.3.1 74LS164的特性分析74LS164 為 8 位移位寄存器，其主要電特性的典型值如下：當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QAQH）均為低電平。 串行數據輸入端（A，B）可控制數據。當 A、B任意一個為低電平，則禁止新數據輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0 為低電平。當A、B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數據，并在CLOCK 上升沿作用下決定Q0 的狀態(tài)。引腳功能：CLOCK ：

32、時鐘輸入端CLEAR： 同步清除輸入端（低電平有效）A、B ： 串行數據輸入端QAQH： 輸出端封裝圖如圖4-12所示：圖4-12 74LS164管腳圖74LS164所需電源電壓約為5V左右，其邏輯真值表如表4-5所示：表4-5 74LS164邏輯真值表輸入輸出ClearClockABQAQBQHLXXXLLLHLXXQAOQBOQHOHHHHQANQGNHLXLQANQGNHXLLQANQGN（說明：H：高電平；L：低電平；X：任意電平；：低到高電平跳變；QA0、QB0、QHO ：規(guī)定的穩(wěn)態(tài)條件建立前的電平；QAN，QGN：時鐘最近的前的電平。）4.3.2 數碼管顯示原理LED 數碼顯示器是

33、由若干個發(fā)光二極管組成的，當發(fā)光二極管導通時，相應的點或線段發(fā)光，將這些二極管排成一定圖形，控制不同組合的二極管導通，就可以顯示出不同的字形。數碼管按段數分為七段數碼管和八段數碼管，八段數碼管比七段數碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數碼管和共陰極數碼管。共陽數碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數碼管。共陽數碼管在應用時應將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。共陰數碼管是指將所有發(fā)光

34、二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數碼管。共陰數碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。4.3.2.1 數碼管的驅動方式數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數字，因此根據數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示驅動：靜態(tài)驅動也稱直流驅動。靜態(tài)驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅動。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅動5個

35、數碼管靜態(tài)顯示則需要5×840根I/O端口來驅動，要知道一個89S51單片機可用的I/O端口才32個呢：），實際應用時必須增加譯碼驅動器進行驅動，增加了硬件電路的復雜性。動態(tài)顯示驅動：數碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該

36、位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數據，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。在這里，我們采用共陽極數碼管，靜態(tài)顯示驅動。4.3.2.2 共陽極數碼管見圖4-13共陽極結構中，各段發(fā)光二極管的陰極連在一起，將此公共點接+5V電源，某一段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，該段發(fā)光。圖4

37、-13 共陰極數碼管結構共陽極字段碼：LED顯示09某個字符時，則要求在adp送固定的字段碼，如要使LED顯示：“0”，則要求a、b、c、d、f各引腳為高電平，g和dp為低電平，字段碼為“C0h”。 dp g f e d c b a 0 0 1 1 1 1 1 1 C0h共陽極字符09七段碼如表4-6所示表4-6 共陽極字符表字符0123456789字符碼C0hF9hA4hB0h99h92h82hF8h80h90h4.3.2.3 限流電阻R計算一般數碼管的壓降為2V左右，電流有大約在5mA10mA之間。電流為5mA時，就已經很亮了，則： R=U/I=(5-2)/0.005=500() （4.3

38、）所以，在這里我們選用510的限流電阻。4.4 電源模塊設計電路提供+5V的穩(wěn)定電源，主要用于單片機（AT89S51）及周邊外圍電路、數碼顯示等。它由電源變壓器T1，橋式整流電路D2，濾波電容，防止自激電容和固定式三端穩(wěn)壓器LM7805，極為簡捷方便地連接的。 圖4-14 電源模塊電路圖圖4-14所示，電源電路采用三端集成穩(wěn)壓管LM7805進行穩(wěn)壓。交流電壓經降壓整流成9V，再通過LM7805，輸出電壓為5V。在電源電路圖中接入了放光二極管D3，作為電源狀態(tài)指示燈。電路輸出的5V電壓直接可用到單片機與顯示模塊上。4.4.1 LM7805的特性分析LM7805是美國四家半導體公司生產的三端固定穩(wěn)

39、壓集成電路，用于將輸入的電壓穩(wěn)壓集為5V后提供給有關電路，其應用相當廣泛，在視頻、音頻、計算機、游戲機等各種電器上均有應用。LM7805是我們最常用到的穩(wěn)壓芯片了，它使用方便，用很簡單的電路即可以輸入一個直流穩(wěn)壓電源，它的輸出電壓恰好為5V，剛好是51系列單片機運行所需的電壓，他有很多的系列如KA7805，ADS7805，CW7805等，性能有微小的差別,用的最多的還是LM7805，下面我簡單的介紹一下它的3個引腳以及用它來構成的穩(wěn)壓電路的資料。其引腳圖如圖4-15所示。圖4-15 LM7805引腳圖LM7805有三個引腳分別為：Vin：輸入引腳，電壓為9V左右；Vout：輸出引腳，電壓為5V

40、；GND：接地。4.4.2 電源原理穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖4-16所示。圖4-16 電源方框及波形圖4.4.2.1 整流和濾波電路在圖4-16中，整流作用是將交流電壓U2變換成脈動電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。整流電路的工作原理：由圖4-17可看出，電路中采用四個二極管，互相接成橋式結構。利用二極管的電流導向作用，在交流輸入電壓U2的正半周內，二極管D1、D3導通，D2、D4截止，在負載RL上得到上正下負的輸出電壓；在負半周內，正好相反，D1、D3截止，D2、D4導通，流過負載RL

41、的電流方向與正半周一致。因此，利用變壓器的一個副邊繞組和四個二極管，使得在交流電源的正、負半周內，整流電路的負載上都有方向不變的脈動直流電壓和電流。圖4-17 橋式整流電路圖4.4.2.2 穩(wěn)壓電路由于得到的輸出電壓U4受負載、輸入電壓和溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓U5。5 軟件設計系統(tǒng)連續(xù)幾次測量時間差和周期，每一次測量時間差和周期占用兩個待測信號周期T的時間。AT89C51在處理數據（數字濾波、計算、送數據顯示、鍵盤處理）期間，使用軟件停止定時器工作。顯示部分采用UART方式0串行送數據給74LS164，由74LS164驅動LED數碼管顯示，這樣

42、可以減輕CPU的負擔15。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：ORG00HLJMP100HORG100HMIAN：MOV2FH，#01HMIANWC：LCALLX3600；相位計算數據LCALLMULNMMOV4AH，5AH；調用乘法子程序求3600乘以時間差MOV4BH，5BH；將上述乘積送入到除法的被乘數緩沖區(qū)MOV4CH，5CHMOV4DH，5DHMOV4EH，5EHMOV4FH，5FHMOV5FH，DATAL；裝入被測周期T的數據MOV5EH，DATAHMOV5DH，DATA3LCALIDIDVDI；調用除法子程序計算得到相位差值MOV35H，4FH；壓縮BCD格式的相位差值存放在4FH-4DH中，4FH中的為最低位MOV34H，4EHMOV33H，4DHMOV32H，#0LCALLBCDST；將二進制數據轉換為壓縮格式的BCD碼MOVR0，#30HMOVR1，#3FHMOVR7，#04H