第頁1電氣信息學(xué)院智能化電子系統(tǒng)設(shè)計報告1前言在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測量就顯得更為重要。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，頻率計被廣泛的應(yīng)用在產(chǎn)線的生產(chǎn)測試中。頻率計能夠快速的捕捉到晶體振蕩器輸出頻率的變化，用戶通過使用頻率計能夠迅速的發(fā)現(xiàn)有故障的晶振產(chǎn)品，確保產(chǎn)品質(zhì)量。在計量實驗室中，頻率計被用來對各種電子測量設(shè)備的本地振蕩器進行校準。在無線通訊測試中，頻率計既可以被用來對無線通訊基站的主時鐘進行校準，還可以被用來對無線電臺的跳頻信號和頻率調(diào)制信號進行分析。測量頻率的方法有多種,其中電子計數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。相位是反映交流電任何時刻的狀態(tài)的物理量。常應(yīng)用在科學(xué)領(lǐng)域，如數(shù)學(xué)、物理學(xué)、電學(xué)等。交流電的大小和方向是隨時間變化的。兩個頻率相同的交流電相位的差叫做相位差，或者叫做相差。這兩個頻率相同的交流電，可以是兩個交流電流，可以是兩個交流電壓，可以是兩個交流電動勢，也可以是這三種量中的任何兩個。隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，對頻率、相位的可靠性、輸出精度要求越來越高，利用單片機設(shè)計制作的數(shù)字頻率相位測量儀就顯示出其優(yōu)越性。功能切換由面板上的按鍵控制單片機實現(xiàn)，給電路實驗帶來極大的方便,提高了工作效率。本次設(shè)計是以STC12C5A3252單片機為控制核心的頻率及相位測試儀。本次設(shè)計可完成對信號頻率的頻率測量和相位差測量。要求測量頻率的范圍為20Hz到20KHz，相位的范圍為0到360?？赏ㄟ^按鍵實現(xiàn)測頻或測相，用LED數(shù)碼管直接顯示讀數(shù)，顯示清晰直觀。誤差小，穩(wěn)定性高。第頁2電氣信息學(xué)院智能化電子系統(tǒng)設(shè)計報告2總體方案設(shè)計2.1方案比較2.1.1方案一方案一的結(jié)構(gòu)框圖如下圖2.1所示。圖2.1方案一方框圖2.1.2方案二方案二的結(jié)構(gòu)框圖如下圖2.2所示。圖2.2方案二方框圖2.2方案論證本設(shè)計要完成信號頻率的測量和相位差的測量。設(shè)計中有兩路輸入信號，也是被測量信號，它們是兩個頻率相同的正弦信號，頻率范圍為20Hz到20KHz，幅度為1到5V（可以擴展到（0.3到5V），但兩者幅度不一定相等。整形電路STC12C5A3252整形電路移相電路待測信號2待測信號1輸入信號鍵盤控制切換LED顯示整形電路整形電路FPGAAT89C51LED顯示AB待測信號1待測信號2第頁3電氣信息學(xué)院智能化電子系統(tǒng)設(shè)計報告令正弦信號為tAmA0sint，式中：mA稱為幅值（最大值），且mA=2A,A稱為有效值；tt0稱為相位，0稱為初相位，稱為角頻率。mA、0、稱為正弦量的三要素。方案一和方案二的比較見表2.1。表2.1方案一和方案二的比較方案項目方案一方案二芯片部分741741整形部分LM324LM339信號轉(zhuǎn)換部分74HC08FPGA適配板單片機部分STC12C5A3252AT89C51顯示部分LEDLED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0111sintAtAm0222sintAtAm則相位差02010201tt，由此可看出，相位差在數(shù)值上等于初相位之差，是一個角度。不妨令T,式中T是相位差對應(yīng)的時間差，且令T為周期信號，則有比例關(guān)系T:360=T:,可以推導(dǎo)得到=TT360此式說明，相位差與T一一對應(yīng)，可以通過測量時間差T及周期信號T的測量，也就是時間的測量，而時間的測量則要用到電子計數(shù)器。信號頻率的測量可以采用直接測頻率的方法和周期測頻率的方法。一般信號頻率較高時，采用直接測頻率法，而信號頻率較低時，采用測周期的方法。用直接測頻率的方法獲得信號頻率即是讓定時器/計數(shù)器T1對外部事件計數(shù)，而讓定時器/計數(shù)器T1定時1s，只有在這1s內(nèi)T1啟動對外部事件（即信號I）計數(shù)，則T1的計數(shù)值就是待測信號的頻率。用測周期的方法獲得信號頻率即是對I進行2分頻后的波形中，高電平的寬度正好對應(yīng)I的周期，我們將此高電平信號作為單片機內(nèi)部定時器的硬件啟動/停止信號，便可測得周期T,由公式Tf1,得頻率f。第頁4電氣信息學(xué)院智能化電子系統(tǒng)設(shè)計報告方案一工作原理：兩路待測信號經(jīng)整形后變成了矩形波信號1和2，1和2是同頻率，不同相位的矩形波。（1）頻率的測量：STC對信號頻率的測量可以采用直接測量法和測周期法。一般信號頻率較高時采用直接測量法，而信號頻率較低時用測周期法。本設(shè)計我組采用測周期法。由圖2.1.2可知，將輸入信號送入單片機再對高電平進行掃描，記錄在1s內(nèi)高電平出現(xiàn)的次數(shù)N，則N就是測得的頻率。圖2.3輸入信號圖（2）相位差的測量我組用一個與門將兩輸入的待測信號比較后疊加，而輸出的波形中，正脈沖寬度就是要測量的待測1和待測2相位差所對應(yīng)的時間差t，跟據(jù)公式可得相位值。如圖2.4所示。圖2.4相位比較圖方案一工作原理：讓FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，即待測信號的頻率f、兩路輸入信號的相位差所對應(yīng)的時間差t分別轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)，供STC單片機讀取使用。STC從FPGA獲取數(shù)據(jù)并經(jīng)過CPU計算、轉(zhuǎn)換等有關(guān)處理后，得到信號的頻率和相位差并送LED數(shù)碼管顯示。待測信號1、待測信號2經(jīng)整形電路處理后，變?yōu)榫匦尾?，不妨令其為A、B，可以認為A、B為兩個同頻率的有相位差的矩形波。FPGA通過對整形后的信號A、B的處理，要獲得二進制數(shù)形式表示的信號頻率以及相位差對應(yīng)的時間差。（1）頻率的測量。對頻率的測量采用測周期的方法，即在信號周期T時間內(nèi)，對時標信號進行計數(shù)。設(shè)時標信號的頻率為f，時標信號周期為T，對信號A二分頻都得信號高平寬度就是信號周期T，此高電平寬度作為閘門的控制信號，控制計數(shù)器在T時間內(nèi)信號1信號2與門輸出信號第頁5電氣信息學(xué)院智能化電子系統(tǒng)設(shè)計報告對f進行計數(shù)，則有N/F=T，被測信號的頻率為:f=1/T=f/N上式中N計數(shù)器的計數(shù)值，當f一定時，它的大小表示信號頻率的大小。（2）相位差對應(yīng)的時間差T的測量。對相位差的測量跟頻率測量的方法類似，不過閘門控制信號為AB的高電平寬度，則有:N/f=T（3）f的確定及其FPGA的二進制數(shù)據(jù)位數(shù)的確定。因為相位差測量的絕對誤差，而FPGA在測量T時有一個字的誤差，對待測信號頻率f=20kHz而言，下式成立：2：T=360：50us則有T0.278us即FPGA采集相位差對應(yīng)時間差T時，至少要能分辨出0.287us的時間間隔比較方案一和方案二可以看出：（1）方案一比方案二更加可靠；（2）使用到的元器件也都是我們所常用到的一些元件，如：74HC138譯碼器，74HC573鎖存器，按鍵等；（3）從操作和可行性上說方案一思路清晰；（4）雖然方案一略顯復(fù)雜一些，但由于本次設(shè)計是第一次將單片機運用于實際的電路設(shè)計中，且尚未學(xué)過EDA，用FPGA設(shè)計有一定困難。2.3方案選擇綜上所述，并且考慮系統(tǒng)的方案可行性和成本等各種因素，本設(shè)計采用方案一作為最終的方案。第頁6電氣信息學(xué)院智能化電子系統(tǒng)設(shè)計報告3單元模塊設(shè)計3.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計3.1.1移相整形電路模塊3261574IC5741R310KR4100R510KR6510RP110KR7510VCCVCCC?0.2uR830KR1030KR1810KR1310KR1410KR15510+5VR16510INPORT123U1A7408321411IC2ALM324A321411IC4ALM324AVCCBBT1T0INT1圖3.1移相整形電路模塊電路圖第頁7電氣信息學(xué)院智能化電子系統(tǒng)設(shè)計報告這一模塊，由741和運算放大器LM324組成。輸入正弦波通過741發(fā)生移相，使得相位滯后原初始信號，原來的正弦信號和發(fā)生移相后的信號分別經(jīng)過LM324放大整形成矩形波形式，再將整形后的信號引入單片機的計數(shù)引腳，原正弦波接至T0，移相信號接至T1和INT1。原正弦波通過計算T0在1S內(nèi)計數(shù)信號發(fā)生負跳變的次數(shù)，得到其頻率。T的確定，由單片機產(chǎn)生高頻率的時鐘信號，,對輸入信號進行掃描，即與輸入信號進行邏輯與運算。輸入信號為低電平時，沒有時鐘脈沖輸出；為高電平時輸出時鐘信號，對其進行記數(shù)，假設(shè)為N，就可以計算出脈寬，為N*T1，即T=N*T1。將參考信號整形為方波信號，并以此信號為基準，延時產(chǎn)生另一個同頻的方波信號，再通過波形變換電路將方波信號還原成正弦波信號。以延時的長短來決定兩信號間的相位值。這種處理方式的實質(zhì)是將延時的時間映射為信號間的相位值。相位的測量則是通過將原正弦信號和移相后的信號分別經(jīng)過整形后相與，由GATE門和INT1控制T1，通過定時對外部信號高電平進行計時，從而測得相與后的高電平持續(xù)時間。再通過之前測得頻率的倒數(shù)除以2得到它們時間差t，由T:360=T:,算出即為相位滯后角3.1.2顯示模塊這一部分由2個8位數(shù)據(jù)鎖存器74HC573、ULN2803以及8位LED數(shù)碼顯示管組成，ULN2803在電路中能起到大電流輸出和高壓輸出作用，專門用來驅(qū)動繼電器的芯片。當LE2為高電平，即12Y時，LED位鎖存器工作，當時序由高電平變?yōu)榈碗娖綍r即發(fā)生負跳變時，將位選信號鎖存，再經(jīng)過ULN2803進行位選。當LE1為高電平，即11Y時，數(shù)據(jù)通過P0口，當時序由高電平變?yōu)榈碗娖綍r即發(fā)生負跳變時，經(jīng)74HC573鎖存，LED段鎖存器工作，再經(jīng)過延時，就能夠?qū)⑽覀兯@示的頻率或相位按照我們的要求顯示出了。鎖存器74HC573電路見圖3.2(a)。OC1C111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q174Q165Q156Q147Q138Q12IC174HC573AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7abcdefgdpLE1(a)第頁8電氣信息學(xué)院智能化電子系統(tǒng)設(shè)計報告顯示模塊電路見圖3.2(b)。OC1C111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q174Q165Q156Q147Q138Q12IC974HC573AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7LED段鎖存器OC1C111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q174Q165Q156Q147Q138Q12IC1174HC573AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7LED位鎖存器abcdefgdpled1led2led3led4led5led6led7led8LE1LE2IN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77IN88COM9DIODE10OUT811OUT712OUT613OUT514OUT415OUT316OUT217OUT118IC12ULN2803VCCe1d2dp3c4g5b7G38G29f10a11G112G46LED14LED-SMe1d2dp3c4g5b7G38G29f10a11G112G46LED24LED-SMR37100R36100R35100R34100R33100R32100R30100R2910012345678J20CON812345678J23CON8（b）圖3.2顯示模塊電路圖第頁9電氣信息學(xué)院智能化電子系統(tǒng)設(shè)計報告3.1.3片選模塊片選模塊電路見圖3.3。A1B2C3E14E25E36Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77IC374HC138CS1CS2CS3CS4CS5CS6P25P26P27VCC片選譯碼器CS4CS38910IC4C74HC02456IC4B74HC02WRLE1LE2CS0圖3.3片選模塊電路圖這一模塊由3-8線譯碼器74HC138和四2輸入或非門74HC02組成。通過74HC138譯碼器，將A,B,C3路信號譯碼，BACY3,BACY4,所得信號CS3,CS4與WR信號相或非來控制鎖存器的工作情況，WRCSY32,WRCSY41。3.1.4電源輸入模塊電源模塊電路見圖3.4。D4R111KVCC123J4電源輸入123456S1KEY