楊 吉，寧更新，梁芳芳

(1.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510520;2.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東廣州 510641)

0 引言

頻率是電子測量技術(shù)中的最基本參數(shù)之一［1］，基于單片機(jī)的頻率計不僅小巧、成本低廉，而且應(yīng)用范圍廣［2］，但是這些頻率計功能比較單一，基本上只有頻率和周期測量功能。本設(shè)計以單片機(jī)為主控芯片，配合一定的外圍電路，不僅能夠測量頻率、周期，而且還能測量兩個輸入信號的相位差，頻率測量范圍從10 Hz到1 MHz，誤差小于1%，輸入信號幅度范圍為0.1 Vrms～5 Vrms，相位測量范圍為0～360°，測量準(zhǔn)確度為3°。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)總的原理框圖如圖1所示:

虛線部分以內(nèi)的是計數(shù)器系統(tǒng)，移相電路部分是為方便測試相位測量功能而設(shè)計的。系統(tǒng)的核心是單片機(jī)實現(xiàn)計數(shù)功能，但由于STC單片機(jī)的工作頻率不夠，難以達(dá)到高精度測量，所以增加了一級分頻計算，減輕了單片機(jī)的負(fù)荷。由于輸入信號的幅度范圍大(0.5 Vrms～5 Vrms)，計數(shù)電路無法適應(yīng)，故信號輸入后必須經(jīng)過幅度調(diào)整。矩形波比正弦波更易于分辨，所以信號經(jīng)過整形得到矩形波再送進(jìn)計數(shù)電路，計數(shù)電路原理圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總框圖

圖2 計數(shù)電路原理圖

1.1 頻率與周期測量

采用等精度頻率測量方法［3］。由單片機(jī)發(fā)出預(yù)置門控信號GATE，GATE的時間寬度對測頻精度影響較少，可以在較大的范圍內(nèi)選擇，即在高頻段時，閘門時間較短;低頻時閘門時間較長，實現(xiàn)了全范圍等精度測量，減少了低頻測量的誤差。在同步門的控制下，一方面保證了被測信號和時基信號的同步測量;另一方面在同步門打開后計數(shù)器并不是馬上計數(shù)，而是在被測信號的下一個上升沿才開始計數(shù)，同步門關(guān)閉后計數(shù)器也不是馬上停止計數(shù)，而是在被測信號的下一個上升沿才停止計數(shù)。即在實際閘門時間計數(shù)，從而提高了測量精度。由于采用觸發(fā)器實現(xiàn)的同步門的同步作用，事件計數(shù)器所記錄的Nx值已不存在誤差的影響，但由于時鐘信號與閘門的開和關(guān)無確定的相位關(guān)系，時間計數(shù)器所記錄的N0的值仍存在±1誤差的影響，只是由于時鐘頻率很高，誤差的影響很小。

1.2 相位測量

采用相位差－時間測量法。設(shè)計原理框圖如圖3所示。

圖3 相位差－時間法原理框圖

兩路信號A、B的相位差通過測量鑒相器輸出脈沖的時間寬度得到。通過鑒相器的兩輸入信號的上升沿(或下降沿)控制計數(shù)器的開始、鎖存來測出相差脈沖寬度。數(shù)字鑒相波形圖如圖4所示。

圖4 數(shù)字鑒相波形圖

輸入信號A的上升沿使計數(shù)器清零并重新啟動計數(shù)，輸入信號B的上升沿鎖存脈寬計數(shù)值np。則相位差的計算公式為:

從(1)式可以看出，相差的精度只與nT有關(guān)，而與被測信號的頻率和計數(shù)時標(biāo)頻率的精度無關(guān)，從而消除了這兩者對測量精度的影響。

1.3 前級放大

輸入信號的幅度為0.5 Vrms～5 Vrms，范圍較大，必須調(diào)整為3 V左右才方便后級的識別，即放大電路的增益范圍為0.6～6倍。信號的頻率范圍為10Hz～1MHz，普通的運(yùn)放，如 LM324，的頻帶無法達(dá)到1 MHz，部分頻帶到達(dá)1 MHz的運(yùn)放在1 MHz時已經(jīng)失去放大能力。所以必須選擇寬頻帶，高增益的運(yùn)放。MAX4266的帶寬達(dá)350 MHz，在1MHz的頻率上仍然有足夠的放大能力，它的轉(zhuǎn)換率達(dá)到900V/μs，保證了輸出波形的不失真。放大器采用典型的反相比例電路［4］，如圖5所示:

圖5 反向比例放大器

輸出電壓Uo和輸入電壓Ui的關(guān)系如下:

根據(jù)要求有Rf/RS=0.6～6，留有一定的余量，取0～10。

這一部分在相位測量時更顯重要。為了盡量準(zhǔn)確的測出相位差，兩路信號除了相位不同外，其他參數(shù)應(yīng)該一樣，這樣就要求兩路信號經(jīng)過放大后的幅值一樣［5］。由于放大電路的增益是手動調(diào)節(jié)的，所以必須實時監(jiān)控兩路信號經(jīng)過放大后的幅值。根據(jù)這要求，兩路信號經(jīng)過放大后，整流濾波，再送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，經(jīng)過單片機(jī)處理在顯示屏上顯示出來［6］。使用者就可以輕松的把兩路信號的幅值調(diào)節(jié)到一樣。

1.4 波形整形

整形是為了把正弦轉(zhuǎn)換成矩形波，提高后級對信號的識別能力，提高抗干擾能力［7］。滯回比較器就可以實現(xiàn)該功能，如圖6所示:

圖6 滯回比較器

增大滯回電壓可以提高抗干擾能力，但滯回電壓太大會使信號失真。滯回比較器有一定的滯回性，靈敏度稍低，但抗干擾能力強(qiáng)。滯回比較器的傳輸特性如圖7所示:

圖7 滯回比較器傳輸特性

滯回比較器的滯回電壓為

從傳輸特性圖可以看到，當(dāng)輸入電壓從小增大時，經(jīng)過+Ut時輸出電壓由高電平躍變到低電平;當(dāng)輸入電壓從大減小時達(dá)到－Ut時輸出電壓才會由低電平躍變到高電平。由于高電平到低電平、低電平到高電平的閥值是不同的，當(dāng)輸入信號受到干擾有細(xì)微的抖動時，只要抖動的范圍小于回差電壓就不會對輸出電壓造成影響。

2 軟件設(shè)計

軟件上的大體流程是，一開始進(jìn)行液晶(LCD)初始化和ADC初始化，初始化完成后進(jìn)入ADC采集循環(huán)，等到采集電壓到達(dá)3 V后按下按鍵1進(jìn)入頻率測量循環(huán)，在此循環(huán)里先進(jìn)行計數(shù)器和定時器的初始化，完成后開始計數(shù)［8］，如圖8所示，每來一個計數(shù)，計數(shù)器1就會產(chǎn)生一次中斷，當(dāng)中斷的次數(shù)大于等于10時開始計算頻率和周期，并將結(jié)果顯示在LCD上。

圖8 系統(tǒng)初始化和頻率測量流程

待頻率穩(wěn)定后按下按鍵2進(jìn)入相位測量循環(huán)，測量完后就一直停在相位顯示的畫面，如圖9所示。

圖9 相位差測量流程

3 結(jié)論

在室溫下，采用HG1210P函數(shù)信號發(fā)生器和DS 5062MA數(shù)字示波器對計數(shù)器進(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)如表1、表2和表3所示。

表1 頻率測量數(shù)據(jù)

表2 周期測量數(shù)據(jù)

續(xù)表

表3 相位差測量數(shù)據(jù)

續(xù)表

經(jīng)實際測量，本計數(shù)器對信號的頻率和周期的測量精確度高，在10Hz到1MHz的范圍內(nèi)相對誤差在1%以內(nèi)。

［1］ 梁文海，麥文，張健，吳均.一種高精度頻率測量的研究與實現(xiàn)［J］.四川師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，(3):376－378.

［2］ 沈亞鈞.基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計設(shè)計［J］.山西電子技術(shù)，2012(5):14－16.

［3］ 夏瀅.等精度數(shù)字頻率計［J］.黑龍江科技信息，2013(3):92.

［4］ 劉竹琴，白澤生.一種基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計的實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，(1):376－378.

［5］ 蔣煥文，孫續(xù).電子測量［M］.北京:中國計量出版社，1994:20－25.

［6］ 曲云霞，郭蘭申，李向東.基于單片機(jī)的頻率計數(shù)器的設(shè)計［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，(6):98－100.

［7］ 楊燦平，杜宇人.一種高精度相位測量方法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(16):142－144.

［8］ 林建英，高苗苗，牛英俊.等精度數(shù)字頻率計幾種設(shè)計方案的實驗研究［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2010，(5):8－10.