幅度頻率測量電路的設(shè)計

1、幅度頻率測量電路的設(shè)計（H題）系統(tǒng)方案:用單片機實現(xiàn)。目前單片機種類很多，單片機功能越來越強，根據(jù)設(shè)計要 求選用TI公司的MSP43C單片機，該芯片內(nèi)含2個16為定時/計數(shù)器，能最大限 度的簡化頻率計外圍器件。MSP430還有全功能串行口、程序存儲器等，因此該 方案具有硬件構(gòu)成簡單、功能靈活、易于修改等有點。輸入信號放大 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，被測正弦波信號經(jīng)過放大整形電路，得到方波信號；在通過 MSP430G255單片機進行定時Ts內(nèi)產(chǎn)生方波N個（又f=N/T），從而達到測頻的 目的與要求，最后在數(shù)碼管上顯示頻率值。幅度頻率

2、測量電路設(shè)計任務方框圖:圖2 （系統(tǒng)框圖）二、單元電路設(shè)計.波形變換電路采用過零比較器進行波形變換。將輸入的正弦波變換為同頻率的方波信號。電路簡單可以同時滿足和5V的幅值信號輸入 且轉(zhuǎn)換出來的方波波 形完全不失真，輸出電壓為 可調(diào) 改變負載電阻即可 。如附件圖2所示，是 用LMV393比較器組成的過零比較器。因為這款芯片屬于TI公司的，所以是首選。還有就是對這款芯片進行測試測 試。當輸入IHz-IOMHZ寸，輸入方波很穩(wěn)定。單片機最小系統(tǒng)電路。幅度測量電路：幅度測量電路利用幅頻轉(zhuǎn)換電路， 將幅度轉(zhuǎn)換為頻率進行測量， 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、精密場效應輸人的運算放大器，采信號輸入用雙電源工作時， 它的輸出電壓能夠達到電源的正負電源電壓。 設(shè)計中考慮到由于運算放大 器AD820輸入級采用N溝道的場效應晶體管， 在正常工作時，輸入電流是負的，如果輸入端 電壓大于(V。一 0. 4V)，則使器件內(nèi)部結(jié)點變成正向偏置，輸入電流方向相反。為了防止 產(chǎn)生這種現(xiàn)象，設(shè)計時在輸入端串聯(lián)一個電阻(典型值在1 kQ10 kfl之間)，但此電阻也會產(chǎn)生噪聲電壓，影響測量的精度。 在本設(shè)計中選用了 500 電阻。 同時，該電阻還能起限流 作用，防止輸入電壓大于(V。+0. 4 V)時，運算放大器由于輸入電流過

4、大而損壞器件。在本 設(shè)計中采用單電源工作模式，運算放大器的輸人端也允許輸入負電壓信號，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，使用時只需個RC網(wǎng)絡，即可構(gòu)成應用電路。電路設(shè)計中通過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來調(diào)節(jié)電壓與頻率的關(guān)系，參見圖 1。RRPI是可調(diào)的滑動變 阻器，通過調(diào)節(jié)其值的變化來調(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。頻率測量電路 : 本設(shè)計對正弦波頻率的測量選用了計數(shù)法中的電子計數(shù)式的測量方式3| 。原理是根據(jù)頻率的定義：周期信號在單位時間內(nèi)變化的次數(shù)，即若在一定的時間間隔 T內(nèi)記錄這個周期性信號的重復變化次數(shù)為 J7、r,則其頻率可表示為 F=N/ T。其測量的原理框圖下圖 2所示。 圖 2 測量正弦頻率的原理框圖本設(shè)計中選用的單片機是ATMEL公司的AT89C51芯片4l ,它的突出特點是 Flash程序存儲器。它的主要功能如下：(1) 具有4KB的程序存儲器、128字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù) 存儲器。(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16位的定時/計數(shù)器、可編程UART通道1個。(4) 一個全雙工的異步串行口、32根雙向和可單獨尋址的I /O線。(5) 有 5 個中斷源、兩個中斷優(yōu)先級、有片內(nèi)時鐘振蕩器、有布爾處理能力。 對單片機的程序編制采用匯編語言，是通過 Keil 編程軟件編制、測試完成的，主要包括定 時、存儲、數(shù)值轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示幾個部分。其中對小于 lkHz 的頻率帶通濾波器：對于低通濾波器的設(shè)計，電容一般選取1000pF,對于高通濾波器的設(shè)計，電容一般選取，然后根據(jù)公式 R=1/2nfc計算得出與電容相組合的電阻值，即得到

7、此圖中R2 R6和R7,為了消除運放的失調(diào)電流造成的誤差，盡量是運放同相輸 入端與反向輸入端對地的直流電阻基本相等，同時巴特沃斯濾波器階數(shù)與增益有一定的關(guān)系(見表1)，根據(jù)這兩個條件可以列出兩個等式：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 頻率不要超過運放的標定頻率。三、理論分析與計算.誤差計算本設(shè)計采用組合測頻法，其誤差主要來自于計數(shù)誤差，測周法及測頻法對測頻的影響分析如下： 測頻法計數(shù)誤差分析：設(shè)被測信號

8、的頻率 f0，時間t內(nèi)檢測到N個周期信號，則fo -(3-1 )計數(shù)誤差對測頻誤差的影響可由對(2-1 )式求N的微分得出fx 1dNN(3-2)由產(chǎn)生計數(shù)誤差的原因可知，對于dN N部分,無論計時時間長短，計數(shù)法測頻總(3-3)又因為N 11x，所以1因為根據(jù)題目要求測1HZ-1MH頻的存在1個單位的量化誤差，即計數(shù)誤差dN為土 1，所以1Nx正弦波，誤差要求小于%而當我們輸入1000Hz以上頻率時，采用直接測頻法， 誤差就會大于%所以要用測周期法來間接得出頻率。測周期時計數(shù)誤差的影響：用測周期法測頻時，頻率計算公式:fx1fK N又N對其微分得到fK(3-4)fxfKdfx dN 11 f

9、 x 1 N N所（3-5） dN N為量化誤差。待測信號的周期測量值通過浮點數(shù)數(shù)學運算變換成頻率值,這時的誤差來源于浮點數(shù)數(shù)學運算和數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換所帶來的誤差。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計.軟件程序設(shè)計特色采用組合測頻率，低頻時采用測周法，高頻時采用直接測頻法。低頻時，利用T1對信號的一個周期進行計數(shù)（ent），利用PI/O 口的對電平跳變沿敏感并產(chǎn)生 中斷來確定信號的周期長度，設(shè) T1的時鐘為T,則信號的頻率f=1/ ;高頻時，T0 為計數(shù)模式，T1采用定時模式，T1定時為2秒，將信號作為TO的外部輸入時鐘， TO在T1的2秒時間內(nèi)對信號周期進行計數(shù)（ent），信號頻率f=ent/2。.程序流程圖如附件圖3所示：五、系統(tǒng)儀器六、設(shè)計遇到的問題及解決方案硬件部分在設(shè)計波形變換電路時，選用遲滯比較器、施密特觸發(fā)器和過零比較器這三 種電路中哪一種來實現(xiàn)波形轉(zhuǎn)換， 有些不確定。但是經(jīng)過逐次仿真來驗證，最后 選用由LMV393組成的過零比較器。軟件部分開始使用測頻法，高頻時較精