幅度频率测量电路的设计

幅度频率测量电路的设计（H 题）
一、 系统方案：
用单片机实现。

目前单片机种类很多，单片机功能越来越强，根据设计要求选用TI 公司的MSP430单片机，该芯片内含2个16为定时/计数器，能最大限度的简化频率计外围器件。

MSP430还有全功能串行口、程序存储器等，因此该方案具有硬件构成简单、功能灵活、易于修改等有点。

图1（系统框图）
如图1所示，被测正弦波信号经过放大整形电路，得到方波信号；在通过MSP430G2553单片机进行定时Ts 内产生方波N 个（又f=N/T ），从而达到测频的目的与要求，最后在数码管上显示频率值。

幅度频率测量电路设计任务方框图：
图2（系统框图）
二、单元电路设计
.波形变换电路
采用过零比较器进行波形变换。

将输入的正弦波变换为同频率的方波信号。

电路简单可以同时满足和5V 的幅值信号输入
且转换出来的方波波 形完全不失真,输出电压为可调改变负载电阻即可。

如附件图2所示，是
用LMV393比较器组成的过零比较器。

因为这款芯片属于TI 公司的，所以是首选。

还有就是对这款芯片进行测试测试。

当输入1Hz-10MHz 时，输入方波很稳定。

单片机最小系统电路。

幅度测量电路:
幅度测量电路利用幅频转换电路，将幅度转换为频率进行测量，主要利用AD820芯片、AD654芯片完成。

电路框图如图l 所示。

图1幅频转换电路框图AD820[1】是单双电源、低功耗、精密场效应输人的运算放大器，采带通滤波器 幅度—频率测量电路 显示 正弦信号产生器
放大 整形 电路 MSP430G2553控制电路 显示 输入 信号
用双电源工作时，它的输出电压能够达到电源的正负电源电压。

设计中考虑到由于运算放大器AD820输入级采用N沟道的场效应晶体管，在正常工作时，输入电流是负的，如果输入端电压大于(V。

一0．4V)，则使器件内部结点变成正向偏置，输入电流方向相反。

为了防止产生这种现象，设计时在输入端串联一个电阻(典型值在1 kQ～10 kfl之间)，但此电阻也会产生噪声电压，影响测量的精度。

在本设计中选用了500电阻。

同时，该电阻还能起限流作用，防止输入电压大于(V。

+0．4 V)时，运算放大器由于输入电流过大而损坏器件。

在本设计中采用单电源工作模式，运算放大器的输人端也允许输入负电压信号，而不损坏器件。

AD654[2J芯片是一种低成本电压频率(V／F)转换器芯片，使用时只需～个RC网络，即可构成应用电路。

电路设计中通过AD654的6、7脚之间的电容C1，AD820正向输入端3脚的串联电阻R l和RRPl来调节电压与频率的关系，参见图1。

RRPl是可调的滑动变
阻器，通过调节其值的变化来调节电压与频率的关系，其转换关系如式(1)所示。

如=Ui[10×Cl×(Rl+RRPI)J
设计选用R1_200 l①，Rp,pl=500 Q，Cl=1 nF，幅度与频率的关系约为fo=Ui／(2×103)(knz)。

所以最后由数码管频率的显示值可以很方便地得出幅度值。

频率测量电路:
本设计对正弦波频率的测量选用了计数法中的电子计数式的测量方式[3|。

原理是根据频率的定义：周期信号在单位时间内变化的次数，即若在一定的时间间隔T内记录这个周期性信号的重复变化次数为J7、r，则其频率可表示为F=N／T。

其测量的原理框图下图2所示。

图2测量正弦频率的原理框图
本设计中选用的单片机是ATMEL公司的AT89C51芯片[4l，它的突出特点是Flash程序存储器。

它的主要功能如下：
(1)具有4KB的程序存储器、128字节的片内数据
存储器。

(2)工作频率在33 MI-Iz、静态操作在0．24 MHz、
工作电压在4．0V～6．0 V之间。

(3)有两个16位的定时／计数器、可编程UART通道1个。

(4)一个全双工的异步串行口、32根双向和可单独寻址的I／O线。

(5)有5个中断源、两个中断优先级、有片内时钟振荡器、有布尔处理能力。

对单片机的程序编制采用汇编语言，是通过Keil编程软件编制、测试完成的，主要包括定时、存储、数值转换、数据显示几个部分。

其中对小于lkHz的频率
带通滤波器：
对于低通滤波器的设计，电容一般选取1000pF，对于高通滤波器的设计，电容
一般选取，然后根据公式 R=1/2Πfc 计算得出与电容相组合的电阻值，即得到此图中R2、R6和R7，为了消除运放的失调电流造成的误差，尽量是运放同相输入端与反向输入端对地的直流电阻基本相等，同时巴特沃斯滤波器阶数与增益有一定的关系（见表1），根据这两个条件可以列出两个等式：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，原则是根据现实情况稍调整电阻值保持在一定限度内即可，不要相差太大，注意频率不要超过运放的标定频率。

三、理论分析与计算
.误差计算
本设计采用组合测频法，其误差主要来自于计数误差，测周法及测频法 对测频的影响分析如下：
⑴ 测频法计数误差分析：设被测信号的频率0f ，时间τ内检测到N 个周期信号，则 τN f =
0 （3-1）
计数误差对测频误差的影响可由对（2-1）式求N 的微分得出 N dN
f df x x =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=11δ （3-2） 由产生计数误差的原因可知，对于N dN 部分,无论计时时间长短,计数法测频总存在1个单位的量化误差，即计数误差dN 为±1， 所以N 11±=δ （3-3）又因为τx f N =，所以τδx f 11±=
因为根据题目要求测1Hz-1MHz 频的正弦波，误差要求小于%。

而当我们输入1000Hz 以上频率时，采用直接测频法，误差就会大于%。

所以要用测周期法来间接得出频率。

⑵测周期时计数误差的影响：用测周期法测频时，频率计算公式：N K f T fx x 01== 对其微分得到 ()()N N
dN x f x df 111±==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=δ （3-4） 又x f K
f N 0=，所以K
f f x 01±=δ
dN为量化误差。

待测信号的周期测量值通过浮点数数学运算变换成频（3-5)N
率值,这时的误差来源于浮点数数学运算和数制之间的转换所带来的误差。

四、系统软件设计
.软件程序设计特色
采用组合测频率，低频时采用测周法，高频时采用直接测频法。

低频时,利用T1对信号的一个周期进行计数（cnt），利用PI/O口的对电平跳变沿敏感并产生中断来确定信号的周期长度，设T1的时钟为T,则信号的频率f=1/；高频时，T0为计数模式，T1采用定时模式， T1定时为2秒，将信号作为T0的外部输入时钟，T0在T1的2秒时间内对信号周期进行计数（cnt）,信号频率f=cnt/2。

.程序流程图
如附件图3所示：
五、系统仪器
六、设计遇到的问题及解决方案
硬件部分
在设计波形变换电路时，选用迟滞比较器、施密特触发器和过零比较器这三种电路中哪一种来实现波形转换，有些不确定。

但是经过逐次仿真来验证，最后选用由LMV393组成的过零比较器。

软件部分
开始使用测频法，高频时较精确，但低频时误差较大。

后来采用组合法测频，即低频时采用直接测量信号周期，频率较高时采用测频法，提高了测量精度。

七、总结
本设计以MSP430G2553为测量控制核心，以LMV393作为外围波形转换电路，将输入正弦波转换为方波，然后再由MSP430G2553单片机进行定时1s内，计产生方波的个数。